傳感器技術(shù) 教學(xué)課件作者 陳建元 第九章 智能傳感器

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1、新型傳感器 第九章智能傳感器新型傳感器本課程主要內(nèi)容n第九章 智能傳感器n9.1 智能傳感器概述n9.2 智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn)n9.3 智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑n9.3.1 集成化n9.3.2 軟件化n9.3.2.1 非線性自校正技術(shù)n9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)n9.3.2.3 自補(bǔ)償技術(shù)n9.3.2.4自檢技術(shù)n9.3.3 多傳感器信息融合n9.3.3.1多傳感器信息類(lèi)型及其融合方法n9.3.3.2 多傳感器信息融合過(guò)程n9.3.3.3多傳感器信息融合結(jié)構(gòu)n9.3.3.4 多傳感器信息融合方法n9.3.3.5 多傳感器融合實(shí)例n9.3.4 網(wǎng)絡(luò)化n9.3.4.1基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能傳感

2、器n9.3.4.2基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器n9.4典型智能傳感器簡(jiǎn)介新型傳感器參考資料n徐甲強(qiáng)，張全法，范福玲，傳感器技術(shù)（下冊(cè)）徐甲強(qiáng)，張全法，范福玲，傳感器技術(shù)（下冊(cè)）M，哈爾濱：，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004年年n王軍，蘇劍波，席裕庚，多傳感器融合綜述王軍，蘇劍波，席裕庚，多傳感器融合綜述J，數(shù)據(jù)采集與處，數(shù)據(jù)采集與處理，理，2004年第年第19卷第卷第1期期n龔瑞昆，李奇平，改善傳感器特性的軟件處理方法龔瑞昆，李奇平，改善傳感器特性的軟件處理方法J，成都電，成都電子機(jī)械高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，子機(jī)械高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2001，n劉君華，智能傳

3、感器系統(tǒng)劉君華，智能傳感器系統(tǒng)M，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999年年n沙占友，智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用沙占友，智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用M，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2004年年n王君，凌振寶，傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)王君，凌振寶，傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)M，長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出，長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，版社，2003年年n劉國(guó)漢，韓根亮，張建華，網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器劉國(guó)漢，韓根亮，張建華，網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器J，甘肅科技，甘肅科技，2003,vol.19(9)：46-47 新型傳感器課程特點(diǎn)n注重物理概念和應(yīng)用背景，避免空洞理論和復(fù)雜公式；n內(nèi)容實(shí)用，多來(lái)自工程實(shí)際問(wèn)題；

4、n重點(diǎn)培養(yǎng)（基本理論、分析方法和問(wèn)題解決能力等）。新型傳感器第九章智能傳感器第九章智能傳感器.智能傳感器概述智能傳感器概述。智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。新型傳感器9.2 智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn)智能傳感器的構(gòu)成、功能與特點(diǎn) 新型傳感器 新型傳感器 新型傳感器智能傳感器的功能智能傳感器的功能具有自動(dòng)調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能。智能傳感器不僅能夠自動(dòng)檢測(cè)各種被測(cè)參數(shù)，還能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自動(dòng)完成標(biāo)定工作。具有邏輯判斷和信息處理能力，能對(duì)

5、被測(cè)量進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理（對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、線性化、或?qū)囟?、靜壓力等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋?。具有自診斷功能。智能傳感器通過(guò)自檢軟件，能對(duì)傳感器和系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行定期或不定期的檢測(cè)，診斷出故障的原因和位置并做出必要的響應(yīng)。具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過(guò)微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測(cè)量功能。具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和記憶功能，能隨時(shí)存取檢測(cè)數(shù)據(jù)。具有雙向通信功能，能通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)總線接口、無(wú)線協(xié)議等直接與微型計(jì)算機(jī)及其它傳感器、執(zhí)行器通信。新型傳感器智能傳感器的優(yōu)點(diǎn)智能傳感器的優(yōu)點(diǎn)精度高精度高測(cè)量范圍很寬，并

6、具有很強(qiáng)的過(guò)載能力。測(cè)量范圍很寬，并具有很強(qiáng)的過(guò)載能力。高信噪比高、高分辨力。高信噪比高、高分辨力。高可靠性與高穩(wěn)定性高可靠性與高穩(wěn)定性 自適應(yīng)性強(qiáng)智能傳感器具有判斷、分析與處理功能自適應(yīng)性強(qiáng)智能傳感器具有判斷、分析與處理功能 性價(jià)比高性價(jià)比高 超小型化、微型化超小型化、微型化 低功耗低功耗 新型傳感器智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑1）采用新的檢測(cè)原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化。2）應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化 利用人工智能材料的自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)、自完善、自調(diào)節(jié)和自學(xué)習(xí)特性，制造智能傳感器。3）集成化 集成智能傳感器是利用集成電路工藝和微機(jī)械技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強(qiáng)

7、大的電子線路集成在一個(gè)芯片上（或二次集成在同一外殼內(nèi)），通常具有信號(hào)提取、信號(hào)處理、邏輯判斷、雙向通訊等功能。4）軟件化 5）多傳感器信息融合技術(shù) 6）網(wǎng)絡(luò)化 新型傳感器1）傳感器信號(hào)調(diào)理器 UZZ9000的內(nèi)部框圖 新型傳感器2）傳感器信號(hào)處理系統(tǒng) MMX1460傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)內(nèi)部框圖 新型傳感器開(kāi)環(huán)式非線性補(bǔ)償儀表框圖 課外自學(xué)新型傳感器 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)1）設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器時(shí)，一般可按以下步驟來(lái)進(jìn)行：首先，干擾信號(hào)的特征來(lái)選擇合適的數(shù)字濾波器；建立其典型的差分方程數(shù)學(xué)模型，并對(duì)差分方程進(jìn)行Z變換，寫(xiě)出其Z傳遞函數(shù)；根據(jù)有用信號(hào)和干擾信號(hào)的頻率特征，來(lái)確定系統(tǒng)所期

8、望的通頻帶；根據(jù)Z傳遞函數(shù)，確定其幅頻特性和相頻特性，再對(duì)Z進(jìn)行反變換，求出濾波器的線性離散方程；按照線性差分方程來(lái)編制相應(yīng)的軟件，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器的功能。所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器特性，可用MATLAB軟件進(jìn)行仿真。新型傳感器）數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì)程序判斷濾波9.3.2.2 軟件抗干擾技術(shù)器（即限幅濾波法）中位值濾波法算術(shù)平均濾波法遞推平均濾波法防脈沖干擾平均濾波法一階滯后濾波法 新型傳感器包括溫度補(bǔ)償和頻率補(bǔ)償溫度補(bǔ)償?shù)那€擬合法的過(guò)程與步驟與前非線性校正類(lèi)似。在未知傳感器動(dòng)態(tài)特性時(shí)，則可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行頻率補(bǔ)償。新型傳感器智能傳感器的自檢過(guò)程一般按照如下方法進(jìn)行：1、檢測(cè)零點(diǎn)漂移2、A/

9、D自檢3、D/A自檢4、差動(dòng)放大器電路的自檢可通過(guò)以下四部完成5、ROM自檢6、RAM自檢新型傳感器信息融合的3個(gè)核心方面，1）信息融合是在幾個(gè)層次上完成對(duì)多源信息的處理過(guò)程，其中各個(gè)層次都表示不同級(jí)別的信息抽象；2）信息融合處理包括探測(cè)、互聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)以及信息組合；3）信息融合包括較低層次上的狀態(tài)和身份估計(jì)，以及較高層次上的整個(gè)戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)估計(jì)。新型傳感器冗余信息冗余信息：冗余信息是指由一組傳感器(或一個(gè)傳感器多次觀測(cè))獲得的關(guān)于同一環(huán)境特征的信息?；パa(bǔ)信息互補(bǔ)信息：互補(bǔ)信息就是兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的傳感器所提供的、從不同側(cè)面描述同一對(duì)象或環(huán)境的、彼此間又不相互重復(fù)的多個(gè)信息。協(xié)同信息協(xié)同信息：協(xié)同

10、信息是指在多傳感器系統(tǒng)中，傳感器獲得的相互依賴或相互配合的信息。新型傳感器新型傳感器(a)串聯(lián)形式 （b）并聯(lián)形式 （c）混合形式 典型的傳感器組織結(jié)構(gòu)圖新型傳感器典型的信息融合層次典型的信息融合層次新型傳感器融合處理是將多維輸入數(shù)據(jù)根據(jù)信息融合的功能，在不同融合層次上采用不同的數(shù)學(xué)方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，最終實(shí)現(xiàn)融合。多傳感器信息融合的數(shù)學(xué)方法很多，常用的方法可概括為概率統(tǒng)計(jì)方法和人工智能方法兩大類(lèi)。與概率統(tǒng)計(jì)有關(guān)的方法包括：估計(jì)理論、卡爾曼濾波、假設(shè)檢驗(yàn)、貝葉斯方法，統(tǒng)計(jì)決策理論以及其他變形的方法。而人工智能類(lèi)則有模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗集理論、專(zhuān)家系統(tǒng)等。新型傳感器控制和信息融合計(jì)算

11、機(jī)自主移動(dòng)裝配機(jī)器人裝配機(jī)械手力覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器超聲波傳感器激光測(cè)距傳感器新型傳感器 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的基本結(jié)構(gòu) 新型傳感器基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能傳感器技術(shù)簡(jiǎn)圖 新型傳感器 通用分布式測(cè)試和控制系統(tǒng) 新型傳感器 基于IEEE1451.2的網(wǎng)絡(luò)傳感器結(jié)構(gòu) 新型傳感器 PPT、PPTR系列智能壓力傳感器的內(nèi)部電路框圖 新型傳感器1、什么是智能傳感器？與傳統(tǒng)傳感器相比其突出特點(diǎn)有哪些？2、簡(jiǎn)述智能傳感器的主要形式和結(jié)構(gòu)。3、智能傳感器的軟件實(shí)現(xiàn)方法有哪些？4、為什么要對(duì)傳感器進(jìn)行頻率補(bǔ)償，利用軟件方法進(jìn)行頻率補(bǔ)償?shù)耐緩接心男?、智能傳感器的硬件實(shí)現(xiàn)方法有哪些？6、智能傳感器的軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)相比各有何優(yōu)勢(shì)？7、多傳感器信息融合的作用是什么？簡(jiǎn)述幾種典型的多傳感器信息融合算法。8、智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化的意義何在？網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器在硬件結(jié)構(gòu)上和傳統(tǒng)傳感器的顯著區(qū)別是什么？9、試論述一種智能傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)。10、試敘述一種智能傳感器的應(yīng)用案例。