第六章智能传感器1教学材料

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量程的自动切换也就是增益的自动选择， 要综合考虑被测量的数值范围，以及对 测量精度、分辨率的要求诸因素来确定 增益(含衰减)档数的设定和确定切换档的 准则，这些都依具体问题而定。
我公司最近研制出高精度小外型压力变送器， 线路采用半导体薄膜工艺制作，量程自选： 0～20KPa～60MPa，输出4～20mA，精 度可达到0.1级，防爆等级：本安型，隔爆 型。生产许可证，防爆等级证书齐全。本企
次推出用于过程工业的智能压力传感
器-ST3000系列智能压力传感器。它
具有的多参数传感(差压、静压和温
2度020/)10与/15 智能化的信号调理功能 。
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3、半导体技术的迅速发展，使微控制器 的功能不断升级，价格不断下降，从而引 起工业传感器设计的革命。
带微控制器的智能激光传感器可实现 3mm的分辨率。
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五、新一代汽车智能传感器
汽车智能传感器也必然成为智能车先进系统的
“神经末梢”，为中央处理器提供必需的感知
信息，汽车动力性能、操控性能、安全性能和
舒适性能等各个方面 。
发动机管理系统 底盘与传动系统 安全系统 车身电子系统 空调环境系统
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汽车应用相关的传感器除光照度、图像传感器和主 动探测的超声波、微波、毫米波雷达外，还包括压 力、液位、流量、位置、高度、距离、速度、转速、 转矩、加速度、温度、湿度、气体浓度等传感器， 以及适合汽车总线的CAN总线式智能传感器。 应用非接触的位置测量、磁阻、磁变、霍尔效应、 显微加工的硅芯片、热覆膜、Piezo陶瓷等技术方 式，采用通用化、标准化的设计理念来提供切合市 场需求的汽车传感器。
业通过了ISO9001质量体系认证
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4. 信息存储和传输
智能集散控制系统(Smart Distributed System)的飞速发展，对智能单元要求具 备通信功能，用通信网络以数字形式进行 双向通信，这也是智能传感器关键标志之 一。
智能传感器通过测试数据传输或接收指令 来实现各项功能。如增益的设置、补偿参 数的设置、内检参数设置、测试数据输出 等。
雨滴 传感器
头顶控制 电脑
雨刷 电机
室外温度传感器 雨水传感器 雨刷马达
左侧SAM电脑 头顶控制电脑
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电子式自动照明系统：电子式感应头灯可透过车
外的光线明暗感应器自动监测外界的光线，在天
色有变化或是进入山洞时，电子式感应器将头灯
自动打开，减少驾驶人操作的时间，增加行车安
全性。
➢ 近几年来，人们提出了智能结构的概念， 也就是将传感元件、致动元件以及微处理 器集成于基底材料中，使材料或结构具有 自感知、自诊断、自适应的智能能力。智 能结构涉及到传感技术、控制技术、人工 智能、信息处理和材料学等多种学科与技 术，是当今国内外竞相研究开发的跨世纪 前沿科技。
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三、智能传感器的发展
1、最初是由美国宇航局1978年在开发出来的 产品。宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地 面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息， 用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数 据，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能 化传感器。
2、1983年美国Honeywell公司首
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2. 自补偿和计算功能
传统传感器没有从根本上解决传感器的 温度漂移和输出非线性的补偿工作。
智能传感器的自补偿和计算功能为传感 器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的 道路。放宽传感器加工精密度要求，只 要能保证传感器的重复性好，利用微处 理器对测试的信号通过软件计算，采用 多次拟合和差值计算方法对漂移和非线 性进行补偿，从而能获得较精确的测量 结果。
带有16位微控制器的光纤传感器可实现12 比特的A/D分辨率
彩色条码检测装置至少能检测16个灰度等 级
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4、嵌入智能增加了设计的灵活性，缩短 了完成周期，降低了开发新应用的成本。
设计工程师只用一个传感器通过改变或重 新编程微控制器，或者通过升级软件的方 法就能满足许多检测的需要。
传统在金属杯的圆膜片上粘贴电阻变换器 (应变片)而构成压力(差)传感器,这就不可 避免地存在蠕变,迟滞,非线性特性.
采用微机械加工和集成化工艺, 不仅"硅杯" 一次整体成型,而且电阻变换器与硅杯是 完全一体化的.进而可在硅杯非受力区制 作调理电路,微处理器单元,甚至微执行器, 从而实现不同程度的, 乃至整个系统的一 体化.
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自校零、 自标定、 自校正
系统的自校零与自校准功能充分利用了微控制 器的功能，用软件和少量硬件，在软件程序的 导引下进行三步测量法，自动校准零点以及自 动消除因零点、增益漂移而引入的系统误差， 从而提高系统的精度和稳定度。采用这种智能 化技术，可以使低精度、低稳定度的测量系统 获得高精度的测量结果。测量精度仅决定于测 量标准。
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新型智能安全方案
酒精检测MEMS系统：采用二氧化锡MEMS元件， 正常状况下，元件在吸附空气中的氧气后会保持某 个电阻值不发生变化，而一旦空气中含有酒精，元 件表面的氧元素便会与酒精发生反应，使电阻值下 降。通过测定电阻值，便可检测出呼气中含有的酒 精浓度。
传感器植入在直径8mm的密
最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的
新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传
感器网络的工作。
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目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能 微尘的外形及内部结构如图所示。未来的智能微尘甚 至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射 信息。
a）肉眼所看到的智能微尘 b）智能微尘的内部结构
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安全气囊触发系统： 现代安全气囊系统由碰撞传感器、缓冲气囊、气体 发生器及控制块（电脑）等组成。 如飞思卡尔推出的加速度传感器，可扩展到整个汽 车周围以探测碰撞。通过加速度传感器与 SmartMOS技术集成，专门用于探测碰撞和触发 汽车正面和侧面的安全气囊。一个集成式器件提供 加速度探测、电压调节、MCU功能和有线通讯协 议。提供种类众多的加速度传感器，从1.5g到 250g,覆盖X.XY.XYZ和Z轴方向。 磁电式传感器的采用
第六章 智能传感器
一、定义 智能传感器【intelligent sensor】具有信 息处理功能的传感器。智能传感器带有微 处理机，具有采集、处理、交换信息的能 力，是传感器集成化与微处理机相结合的 产物。
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需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两 种情况： （1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上 构成所谓的“单片智能传感器” （2）传感器能够配微处理器。
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5. 阵列式 微米技术已经可以在一平方厘米大小的 硅芯片上制作含有几千个压力传感器阵 列,譬如,丰田中央研究所半导体研究室 用微机械加工技术制作的集成化应变计 式面阵触觉传感器,在8 mm×8 mm的 硅片上制作了1 024个(32×32)敏感触 点(桥), 基片四周还制作了信号处理电 路,其元件总数约16 000个.
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20世纪50年代提出智能结构 1974年美国首次提出将压电陶瓷嵌入复合材料制
成构件 进入80年代末期以来,智能结构已经有了长足的进
展（日本日立公司的机械手）
主要研究国家：美、 日、德、英为代表 的发达国家
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航天航空工程 （威胁警报、智能机翼、噪声控 制）
土木工程 （智能混凝土结构、结构灾害反应控 制系统、结构健康监测与诊断系统）
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3. 自检、自校、自诊断功能
普通传感器需要定期检验和标定，以保 证它在正常使用时足够的准确度，
常规传感器--从使用现场拆卸送到实验 室或检验部门进行。对于在线测量传感 器出现异常则不能及时诊断。
智能传感器--首先自诊断功能在电源接 通时进行自检，诊断测试以确定组件有 无故障。其次根据使用时间可以在线进 行校正，微处理器利用存在EPROM内 的计量特性数据进行对比校对。
电路工艺来实现，特点是:
1.
微型压力传感器已经可以小到放在注射针
头内送进血管测量血液流动情况,装在飞机
或发动机叶片表面用以测量气体的流速和
压力. 美国最近研究成功的微型加速度计
可以使火箭或飞船的制导系统质量从几公
斤下降至几克.
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2. 结构一体化 压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化 结构的.
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3.
比起分体结构,传感器结构本身一体化后, 迟滞,重复性指标将大大改善,
时间漂移大大减小,精度提高.
后续的信号调理电路与敏感元件一体化后 可以大大减小由引线长度带来的寄生参 量的影响,这对电容式传感器更有特别重 要的意义.
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4. 微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一 硅片上制作不同功能的多个传感器,如,美国霍 尼韦尔公司, 80 年代初期生产的ST-3000型智 能压力(差)和温度变送器,就是在一块硅片上制 作了感受压力, 压差及温度三个参量的,具有三 种功能(可测压力, 压差,温度)的敏感元件结构 的传感器.不仅增加了传感器的功能, 而且可以 通过采用数据融合技术消除交叉灵敏度的影响, 提高传感器的稳定性与精度
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1、采用激光斑多点探测窗上雨滴数来控制雨刷 的启动； 2、光电式自动雨刷感控器； 3、平面电容式汽车玻璃自动雨刷系统智能传感 器 4、光栅数字式自动雨刷系统测控器； 5、红外雨量传感器；
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车速 信号
仪表板 电脑
左侧 SAM电脑
封外壳内、连同信号处理电路
等一起嵌入方向盘内，一旦检
测出驾驶员呼出的气体含有酒
精，便发出安全警报。
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自动雨刷系统： 以发光二极管对前挡风玻璃发出光束，当雨 滴打在感应区的玻璃上时，光束所反射的光 线强度，会因玻璃上的雨量或湿气含量而有 所变化，改变雨刷的刷动频率；或透过红外 线电子雨量传感器感应雨量的多寡，并随车 速的变化自动调整雨刷速度，增进驾驶人的 驾驶方便性，让驾驶更有安全性。
胎压监测系统：在每个轮胎上安装高灵敏度的传
感器，于行车状态下随时监测轮胎状况，并透过
传感器以无线方式发射到接收器，让驾驶人能随
时掌握漏气与温度升高等轮胎状况，以确保汽车
行驶中的安全，并延长轮胎的使用寿命与降低燃
油的消耗。最先进的直接轮胎压力监测解决方案
的特点包括高级预警系统和压力、温度、电压和
动作探测等。 2020/10/15
智能微尘的外形及内部结构
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二、实现的功能
1. 复合敏感功能
周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、 热、力、化学等。智能传感器具有复合功能， 能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够 较全面反映物质运动规律的信息。
美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器， 可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。 美国EG&G IC Sensors公司研制的复合力学 传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加 速度、速度、位移，等等。
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四、智能传感器的特点
性能指标 1. 精度高 2. 高可靠性与高稳定性 3. 高信噪比与高的分辨力 4. 强的自适应性 5. 低的价格性能比
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现代智能传感器技术,是指以硅材料为基
础Байду номын сангаас优良的电性能,又有极好的机械性能),采
用微米级的微机械加工技术和大规模集成
显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于 智能传感器的范畴。
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(1)
(2)
(3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理；
(4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障；
(5)
(6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出
功能
(7) 具有判断、决策处理功能。
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智能传感器实现的途径
1、利用计算机 非集成化实现 集成化实现
2、利用特殊材料 3、利用功能化几何结构
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非集成化实现
非集成式智能传感器框图
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集成化实现
集成智能传感器外形示意图
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利用特殊材料 利用功能化几何结构
机器人
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智能微尘传感器 智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑
功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没 有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理 到信息发送所必需的全部部件。
智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微
型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。