智能传感器与传感器系统

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随着Pentium 4处理器运行速度的大幅度提高,其功 耗也显著增加,必须采取更完善的散热保护措施。
2002年,美国ADI公司专门开发出适配Pentium 4处 理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电 路,并已用于奔腾4计算机产品中。
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奔腾4计算机的散热控制电路如图4所示。该计算机中 共使用了3台散热风扇。其中,风扇1专门给CPU散热,风 扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。
所谓智能传感器,就是带微处理器、兼有信息
检测和信息处理功能的传感器。
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智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的 功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。 从一定意义上讲,它具有类似于人工智能的作用。
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”
(a)环型;(b)弓型;(c)螺旋型 图15 3种基本纹路图案
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指纹识别过程: 指纹采样→指纹图像预处理→二值化处理→细化, 纹路提取→细节特征提取→指纹匹配(即指纹库的查 对)。如图16所示。
图16 指纹识别过程
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半导体指纹传感器
半导体指纹传感器亦称单片集成指纹传感器或 CMOS固态指纹传感器,它是在20世纪90年代末问世 的。
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(3)具有组态功能,使用灵活。在智能 传感器系统中可设置多种模块化的硬件和 软件,用户可通过微处理器发出指令,改 变智能传感器的硬件模块和软件模块的组 合状态,完成不同的测量功能。
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(4)具有双向通信功能,能直接与微处理 器(μP)或单片机( μC )通信。
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2 智能传感器与传感系统的特点 2.1 高精度
“红外发射二极管→红外光→在烟雾颗粒的作用下 形成散射光束→红外接收二极管→MC145010→BZ发 出报警声”。
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(1)自校准 将MC145010置于校准模式。在该模式下, 某些引脚的功能将被重新设定。为进入校准模 式,需要给TEST端加负电压,使该端的输出 电流为100μA并保持一个时钟周期的时间。
图6 SHT11/15型智能传感器的外形
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(1)瑞士Sensirion公司: 将半导体芯片(CMOS)与传感器技术融合
的CMOSens®技术。 该项技术亦称“Sensmitter”,它表示传感器
(sensor)与变送器(transmitter)的有机结合 。
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SHT11/15的引脚排列如图7所示。
别的技术。要求这些特征具有“人各有异” 、“终身不变”和“随身携带”这三大特点 。
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生物识别系统的组成如图14所示。
图14 生物识别系统的组成
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●指纹具有惟一性(随身携带、无法复制、人 人不同、指指相异)。
●根据指纹学理论,将两个指纹分别匹配上12 个特征时的相同几率仅为1/1050。因此,至今找不 出两个指纹完全相同的人,
(a)俯视图;(b)侧视图 图7 SHT11/15的引脚排列图
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SHT11/15 型 湿 度 / 温 度 传 感 器 系 统 的 内 部 框 图 如 图 8 所示。
图8 SHT11/15型湿度/温度传感器的内部电路框图
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相对湿度:(空气中所含压强与该温度
下饱和水蒸气的压强之比,通常用百分数表示) 测量范围:0%~99.99%RH; 测量精度:±2%RH 分辨力: 0.01%RH
智能传感器采用自调零、自补偿、自校准 等多项新技术,能达到高精度指标。
美国BB(BURR-BROWN)公司:XTR 系列精密电流变送器,转换精度 ±0.05%, 非线性误差±0.003%。
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美国霍尼韦尔(Honeywell)公司:PPT、 PPTR系列智能精密压力传感器,测量精度 为±0.05%,比传统压力传感器的精度大 约提高了一个数量级。其外形如图1所示。
能同时测量相对湿度、温度和露点等参数; 兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的 功能; 可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器 、通风及空调设备等领域。
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SHT11/15型智能传感器系统,外形尺寸仅为7.62mm ( 长 ) ×5.08mm ( 宽 ) ×2.5mm ( 高 ) , 质 量 只 有 0.1g,其体积与一个大火柴头相近,见图6。
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1.2 智能传感器的功能
(1)具有自校准和自诊断功能。智能传感器不 仅能自动检测各种被测参数,还能进行自动调零、 自动调平衡、自动校准,某些智能传感器还能自标 定功能。
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(2)具有数据存储、逻辑判断和信息处理 功能,能对被测量进行信号调理或信号处理 (包括对信号进行预处理、线性化,或对温度、 静压力等参数进行自动补偿等)。
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温度:
测量范围:-40℃~+123.8℃ 测量精度:±1℃ 分辨力: 0.01℃
露点:(在水气冷却过程中最初发生 结露的温度)
测量精度:<±1℃ 分辨力为:±0.01℃
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由SHT15构成的相对湿度/温度测试系统的电路框 图如图9所示。该系统能测量并显示出相对湿度、温度 和露点。SHT15作为从机,89C51单片机作为主机,二 者通过串行总线进行通信。
智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境 监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和 家用电器等领域。
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1 智能传感器的定义及功能 1.1 智能传感器的定义 目前,关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全 统 一 。 英 国 人 将 智 能 传 感 器 称 为 “ Intelligent Sensor” ; 美 国 人 则 习 惯 于 把 智 能 传 感 器 称 作 “Smart Sensor”,直译就是“灵巧的、聪明的传感 器”。
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(a)PPT系列 (b)PPTR系列 图1 外形图
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PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电 路框图如图2所示。
图2 PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电路框图
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2.2 宽量程 智能传感器的测量范围很宽,并具有很强的过载 能力。 例如,美国ADI公司:ADXRS300型单片偏航角 速度陀螺仪集成电路 测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。 只需并联一只设定电阻,即可将测量范围扩展到 1200 ° /s。
图9 相对湿度/温度测试系统的电路框图
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(3)多功能式混浊度/电导/温度智能传感器 系统
混浊度(亦称不透明度):表示水或其他液体的不 透明程度。
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当单色光通过含有悬浮粒子的液体时,由于 悬浮粒子引起光的散射,使单色光的强度被衰 减,其衰减量就代表液体的混浊度。混浊度是 个比值,其单位用NTU来表示。
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(2)自标定 利用自检模式可以模拟烟雾条件,对传感器 进行自标定。
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具体方法是显著提高光信号放大器的增益, 将烟雾室中的背景反射光看成是由烟雾产生的
散射光,从而获得模拟的烟雾条件。
经过一个时钟周期后,光信号放大器的增益 恢复正常值,模拟的烟雾条件就被撤销。
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2.5 生物传感器 生物识别技术是人体生物特征进行身份鉴
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FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、 图19所示。
(a)DIP-20陶瓷封装;(b)COB封装 图17 FCD4B14的外形图
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(a)表面倾斜式;(b)将传感器装在靠边缘处 图18 FCD4B14的安装图
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FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。
图19 FCD4B14的内部电路框图
(2)传感器能够配微处理器。 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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世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔 (Honeywell)公司在1983年开发的ST3000系 列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差 压、静压和温度)与智能化的信号调理功能 。
最近,该公司还相继开发出ST3000- 900/2000等系列的新产品,使之功能进一步 完善。目前,ST3000系列智能压力传感器在 全世界的销量已突破50万只,深受广大用户 的青睐。
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传感器共有8行280列,包含8×280=2240个 像素,另有一个虚列。
基本工作原理:行、列扫描→指纹的模拟图 像→经过两个ADC转换成数字图像→通过8位 锁存器输出到微处理器或计算机中。
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(2)电容感应式指纹传感器 由电容阵列构成
内部包含9万只微型化电容器 基本工作原理:当用户将手指放在正面时,皮肤 就组成了电容阵列的一个极板,电容阵列的背面 是绝缘极板。由于不同区域指纹的脊和谷之间的 距离也不相等,使每个单元的电容量随之而变, 由此可获得指纹图像。
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2.3 多参数、多功能 (1)多路智能温度控制器 Pentium 4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器 。最高主频目前已达3.6GHz,它采用了0.13μm制程 ,集成度高达5500万~7700万只晶体管,在芯片中还 有内置数字温度传感器。 其芯片结构如图3所示。
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图3 Pentium 4处理器芯片的结构
●即使相貌酷似的孪生兄弟姐妹,或同一个人 的十指之间,指纹也存在明显差异。
●指纹的这一特点,为身份鉴定提供了客观依 据。
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指纹图像的获取 取像设备主要有以下4种类型: ▲光学取像设备(例如微型三棱镜矩阵) ▲压电式指纹传感器 ▲半导体指纹传感器 ▲超声波指纹扫描仪。
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指纹的基本纹路图案:基本纹路图案有环形、弓 形和螺旋形,如图15所示。其他指纹图案都是基于这 三种基本图案衍生而成的。
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2.4 自校准与自标定 Motorola 公 司 烟 雾 检 测 报 警 IC 主 要 有 三 种类型: 离子型:MC14467-1、MC14468 光电型:MC145010、MC145011 比较器型:MC14578
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MC145010配上红外光电室,即可通过传感微小烟 雾颗粒的散热光束来检测烟雾。其基本工作原理是:
现代信息技术的三大支柱: 1. 传感器技术(信息采集)——“感官” 2. 通信技术(信息传输) ——“神经” 3. 计算机技术(信息处理)——“大脑”
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目前,传感器正从传统的分立式,朝着单片集成化、智 能化、网络化、系统化的方向发展。
据光电行业开发协会(OIDA)作出的最பைடு நூலகம்预测,
在2003年~2006年期间,智能传感器的国际市场销售量将 以每年20%的高速度增长。
图4 计算机的散热控制电路
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微处理器最高可承受的工作温度规定为tH,台式计算 机一般为75℃,高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃ 。
图5 检测CPU的温度
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配套软件日臻完善 温度传感器+专用计算机测试软件。
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(2)多功能式湿度/温度/露点智能传感器系统 瑞士Sensirion公司:SHT11/15型高精度、自校准 、多功能式智能传感器。
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美 国 霍 尼 韦 尔 ( Honeywell ) 公 司 : APMS - 10G型带微处理器和单线接口的智能化混浊度传感器 系统
能同时测量液体的混浊度、电导和温度,构成 多参数在线检测系统
可广泛用于水质净化,清洗设备及化工、食品 、医疗卫生等部门。
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APMS-10GRCF的外形及插座上的引脚排列如图10 所示。
(a)外形;(b)插座引脚 图10 APMS-10GRCF的外形及插座上的引脚排列图
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APMS-10G的内部框图如图11所示。
图11 APMS-10G的内部框图
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混浊度测量原理(图12)
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APMS-10G通过9脚RS-232插座连计算机,接线方 式如图13所示。
图13 APMS-10G与计算机的接线
指纹传感器,可广泛用于便携式指纹识别仪,网 络、数据库及工作站的保护装置,自动柜员机( ATM)、智能卡、手机、计算机、门禁系统等身份 识别器,还可构成宾馆、家庭的门锁识别系统。
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(1)温差感应式指纹传感器 它是基于温度感应的原理而制成的,每个像素都相 当于一个微型化的电荷传感器,用来感应手指与芯片 映像区域之间某点的温度差,产生一个代表图像信息 的电信号。 典型产品:美国Atmel公司的FCD4B14 。 可在0.1s内获取指纹图像(时间一长,手指和芯片 就处于相同的温度了) 。
智能传感器与传感系统 的发展及应用
河北科技大学 信息科学与工程学院 电子信息工程系
数字化测量技术省级精品课
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智能传感器与传感器系统 的发展及应用
• 0 引言 • 1 智能传感器的定义及功能 • 2 智能传感器与传感系统的特点 • 3 智能传感器与传感系统的发展及应用 • 4 结语
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0 引言
传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。
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