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《智能傳感器》PPT課件.ppt

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編號:117264441    類型:共享資源    大小:418.31KB    格式:PPT    上傳時間:2022-07-08
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19.1 智能傳感器的特點 19.2 智能傳感器的實現(xiàn) 19.3 智能傳感器的應用 19.4 智能傳感器的設計思路,第19章 智能式傳感器,引 言,智能傳感器是美國宇航局(NASA) 在開發(fā)宇宙飛船的過程中產(chǎn)生的。宇宙飛船需要速度、加速度、位置和姿態(tài)等傳感器,宇航員的生活環(huán)境需要溫度、氣壓、空氣成份和微量氣體傳感器,科學觀測也要用大量的各種傳感器。宇宙飛船觀測到的各種數(shù)據(jù)是很龐大的,處理這些數(shù)據(jù)需要用超大型計算機。要不丟失數(shù)據(jù),并降低成本,必須有能實現(xiàn)傳感器與計算機一體化的靈巧傳感器。因此實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理由集中處理變?yōu)榉稚⑻幚?避免使用超大型計算機,由此而產(chǎn)生了智能傳感器。,現(xiàn)代信息技術的三大基礎: 傳感器技術:信息的采集 “感官” 通 信 技 術 :信息的傳輸 “神經(jīng)” 計算機技術:信息的處理 “大腦” 智能傳感器(Intelligent sensor)是既有獲取信息的功能又有信息處理的功能的系統(tǒng),是傳感器、計算機和通信技術的結(jié)合。,微傳感器系統(tǒng) 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術 網(wǎng)絡化智能傳感器系統(tǒng) 藍牙傳感器系統(tǒng) 生物傳感器系統(tǒng),智能傳感器的主要發(fā)展趨勢:,目前智能傳感器具有自補償、自診斷、自學習、數(shù)據(jù)處理、存儲記憶、雙向通信、數(shù)字輸出等功能,幾乎包括了儀器儀表的全部功能。,與傳統(tǒng)的傳感器相比,智能傳感器將傳感器檢測信息的功能與微處理器(CPU)的信息處理功能有機地結(jié)合在一起,從而具有一定的人工智能,它彌補了傳統(tǒng)傳感器性能的不足。它能充分利用微處理器進行數(shù)據(jù)分析和處理,并能對內(nèi)部工作過程進行調(diào)節(jié)和控制,是采集數(shù)據(jù)最佳。,智能傳感器就是一個最小的微機系統(tǒng),其中作為控制核心的微處理器通常采用單片機,其基本結(jié)構(gòu)框圖如下:,與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器有以下幾個特點: (1)精度高 1.可通過自動校零去除零點; 2.與標準參考基準實時對比以自動進行整體系統(tǒng)標定; 3.自動進行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正; 4.通過對采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理以消除偶然誤差的影響等。,19.1 智能傳感器的特點,(2)可靠性與高穩(wěn)定性強 1.自動補償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化所引起的系統(tǒng)特性的漂移,如溫度變化而產(chǎn)生的零點和靈敏度漂移; 2.當被測參數(shù)變化后能自動改換量程; 3.能實時自動進行系統(tǒng)的自我檢驗,分析、判斷所采集到的數(shù)據(jù)的合理性,并給出異常情況的應急處理(報警或故障提示)。,(3)高信噪比和高分辨率 1.由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能,通過軟件進行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)分析等處理,可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲,從而將有用信號提取出來; 2.通過數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡技術,可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響,從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對特定參數(shù)測量的分辨能力。,(4)自適應能力強 由于智能傳感器具有判斷、分析與處理功能,它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況,優(yōu)化與上位計算機的數(shù)據(jù)傳送速率,并保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。,(5)性格價格比高 智能傳感器所具有的上述高性能,不是像傳統(tǒng)傳感器技術追求傳感器本身的完善,對傳感器的各個環(huán)節(jié)進行精心設計與調(diào)試來獲得,而是通過與微處理器/計算機相結(jié)合,即是采用低價的集成電路工藝和芯片以及強大的軟件來實現(xiàn)的。,1. 集成化實現(xiàn) 這種傳感器系統(tǒng)采用為機械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術,利用半導體材料硅作為基本材料來制作敏感元件,將信號調(diào)理電路、為處理單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的,故稱為集成智能傳感器。,19.2 智能傳感器的實現(xiàn),2. 非集成化實現(xiàn) 非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器(采用非集成化工藝制作的傳感器,僅具有獲取信號的功能)、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一個整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。,模糊傳感器是一種非集成化的新型智能傳感器。 模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的基礎上,經(jīng)過模糊推理和知識合成,以模擬人類自然語言符號描述的形式輸出測量結(jié)果。 模糊傳感器的核心部分就是模擬人類自然語言符號的產(chǎn)生及其處理。,模糊傳感器的“智能”之處在于:它可以模擬人類感知的全過程,核心在于知識性,知識的最大特點在于其模糊性。 模糊傳感器由硬件層和軟件層兩部分構(gòu)成。其突出特點是其具有豐富強大的軟件功能。 模糊傳感器實現(xiàn)的關鍵也在于軟件的設計。,3. 混合實現(xiàn) 混合實現(xiàn)是根據(jù)需要與可能,將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié),如敏感單元、信號處理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等,以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上,并安裝在一個外殼內(nèi)。 集成化敏感單元:彈性敏感元件及變換器; 信號調(diào)理電路:多路開關、醫(yī)用放大器、基準、 A/D轉(zhuǎn)換器等; 微處理器單元:數(shù)字存儲(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等。,1.ST-3000系列智能壓力傳感器,19.3 智能傳感器的應用,圖示為ST-3000系列智能壓力傳感器圖,它是由檢測和變送 兩部分組成。,2.固體圖像傳感器,固體圖像傳感器主要有三種類型:第一種是電荷耦合器件(CCD);第二 種是MOS圖像傳感器,又稱為自掃描光電二極管陣列(SSPA);第三種是電荷注入器件(CID) 。,固體圖像傳感器是現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎器件,因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展(光譜拓寬、靈敏度范圍擴大),能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息。,目前,由于傳感器智能化和集成化的要求,使得固體圖像傳感器有三維集成的發(fā)展趨勢。例如,在同一硅片上,用超大規(guī)模集成電路工藝制作三維結(jié)構(gòu)的智能傳感器,下圖為這種三維結(jié)構(gòu)智能化傳感器的一種形式。,右圖為具有三層結(jié)構(gòu)的三維集成智能圖像傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它用以提取待測物體的輪廓圖,它的第一層為光電轉(zhuǎn)換面陣,由第一層輸出的信號并行進入第二層電流型MOS模擬信號調(diào)理電路,輸出的模擬信號再進入第三層,轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)并存儲在存儲器中,與第三層相連的是信號讀出(放大)單元。信號讀出單元的作用是通過地址譯碼讀取存儲器中的信號信息。,下圖為多個智能圖像傳感器組成的圖像識別系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由光學透鏡系統(tǒng)、多個智能圖像傳感器和一個主計算機組成。,下面以智能壓力傳感器的設計為例介紹一下智能傳感器的設計思路。,19.4 智能傳感器的設計思路,1.結(jié)構(gòu)設計 智能壓力傳感器是由半導體力敏元件(制作力敏元件時,同時制作兩只溫敏二極管)、放大器、轉(zhuǎn)換開關、雙積分AD轉(zhuǎn)換器、單片機、接口電路、IEEE-488標準接口、存儲器和部分外圍電路組成。,敏感元件 (壓力、溫度),放大器,轉(zhuǎn)換開關,A/D,D/A,單片機,接口電路,EPROM,IEEE-488接口,2敏感元件設計 利用集成電路工藝,根據(jù)圓形平膜片上各點應力分在半導體圓形基片上擴散出四個電阻,同時生成兩個溫敏二極管。這四個電阻通常接成電橋形式,使輸出信號與測量壓力成正比例,并將阻值增加的兩個電阻對接,阻值減小的兩個電阻對接,使電橋靈敏度最大。,3傳感器工藝設計 傳感器中的微處理器采用MCS-51系列8031單片機,它通過鎖存器74LS373等與外部存儲器EPROM相連。可選用2716(2K*8)、2732(4K*8)、2764(8K*8)等不同芯片作存儲器,用來存放控制程序、修正值、數(shù)據(jù)等。其他電路(如放大器、A/D、D/A、IEEE-488標準接口、接口電路等)可合理分布在不同的模板上,組裝進一個殼體內(nèi)。,4.軟件設計 用8031單片機構(gòu)成的智能 壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據(jù)處理程序及輔助程序。 智能傳感器的重要特點之一是多功能。一般可用兩種方式去執(zhí)行: 一是用戶通過鍵盤發(fā)出所選功能的指令;另一種是自動方式,由內(nèi)部功能控制程序協(xié)調(diào)已編制好的數(shù)據(jù)采集與處理程序工作,或通過IEEE-488總線接受外部遠控向智能傳感器發(fā)出控制指令。,
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