传感器技术与应用第3版第10章智能传感器.ppt

第10章智能传感器 10 1智能传感器概述10 2计算型智能传感器10 3特殊材料型智能传感器10 4几何结构型智能传感器10 5多传感器融合系统10 6模糊传感器10 7智能传感器实例10 8实训 10 1智能传感器概述 国际电气电子工程师学会 IEEE 在1998年通过了智能传感器的定义 即 除产生一个被测量或被控量的正确表示之外 还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器 10 1 1智能传感器的功能先看一个智能传感器的例子 图10 1所示为智能红外线测温仪原理框图 目标 红外传感器 温度传感器 A D转换器 单片机 显示仪表 记录仪表 存储器 RS 232接口 微型计算机 A D转换器 图10 1智能红外线测温仪原理框图 环境 红外传感器将被检测目标的温度转换为电信号 经A D变换后输入单片机 温度传感器将环境温度转换为电信号 经A D变换后输入单片机 单片机中存放有红外传感器的非线性校正数据 红外传感器检测的数据经单片机计算处理 消除非线性误差和环境温度影响后 供记录 显示 存储备用 可见 智能传感器是具备了记忆 分析和思考能力 输出期望值的传感器 1 能提供更全面 更真实的信息 消除异常值 例外值 2 具有信号处理包括温度补偿 线性化等功能 3 随机调整和自适应 4 一定程度的存储 识别和自诊断 5 含有特定算法并可根据需要改变算法 智能传感器不仅在物理层面上检测信号 而且在逻辑层面上对信号进行分析 处理 存储和通信 相当于具备了人类的记忆 分析 思考和交流的能力 即具备了人类的智能 所以称之为智能传感器 10 1 2智能传感器的层次结构人类的智能是怎么构成的呢 人类的智能是基于即时获得的信息和原先掌握的知识 人类的智能是实现了多重传感信息的融合并且把它与人类积累的知识结合了起来 如图10 2所示 大脑积累的知识 判断 人的大脑归纳 皮肤传感 耳朵传感 鼻子传感 眼睛传感 图10 2人类智能的构成 1 智能传感器也应该由多重传感器或不同类型传感器从外部目标以分布和并行的方式收集信息 2 通过信号处理过程把多重传感器的输出或不同类型传感器的输出结合起来或集成在一起 实现传感器信号融合或集成 3 最后 根据先前拥有的关于被测目标的有关知识 进行最高级的智能信息处理过程 4 将信息转换为知识和概念提供使用 理想智能传感器的层次结构应是三层 1 底层 分布并行传感过程 实现被测信号的收集 2 中间层 将收集到的信号融合或集成 实现信息处理 3 顶层 中央集中抽象过程 实现融合或集成后的信息的知识处理 10 1 3智能传感器的实现实现传感器智能化 让传感器具备理想智能传感器的层次结构 就目前发展状况看 有3条不同的途径 1 利用计算机合成 智能合成 2 利用特殊功能的材料 智能材料 3 利用功能化几何结构 智能结构 10 2计算型智能传感器 11 2 1计算型智能传感器构成方式计算型智能传感器最常见 其底层 中间层和顶层分别由基本传感器 信号处理电路和微处理器构成 它们可以集成在一起 形成一个整体 封装在一个壳体内 称为集成化方式 也可以互相远离 分开放置在不同的位置或区域 称为非集成化方式 介于两种方式之间的混合集成化方式 1 非集成化方式非集成化传感器是把基本传感器 信号处理电路和带数字总线接口的微处理器相隔一定距离组合在一起 构成智能传感器系统 此类智能传感器系统实现方式方便快捷 熟悉自动化仪表与嵌入式系统设计的人都能入手 目前国内外已有不少此类产品 2 集成化方式集成化方式是采用微型计算机技术和大规模集成电路工艺 把传感元件 信号处理电路 微处理器集成在一个硅材料芯片上制成独立的智能传感器功能块 作为商品已有多种集成化智能传感器 如单片智能压力传感器和智能温度传感器等 3 混合集成方式混合集成方式是将智能传感器的传感元件 信号处理电路 微处理器等各个部分以不同的组合方式分别集成在几个芯片上 然后封装在同一个外壳里 10 2 2计算型智能传感器基本结构通常表现为并行的多个基本传感器 也可以是一个 与期望的数字信号处理硬件结合的传感功能组件 如图10 3所示 期望的数字信号处理硬件是安装有专用程序 可以有效的改善测量质量 增加准确性 可以为传感器加入诊断功能和其它形式的智能 传感器1 传感器2 传感器3 模 数变换 数字信号处理硬件 电源 数 模变换 输出 图10 3计算型智能传感器基本结构图 现今已有硅芯片等多种半导体和计算机技术应用于数字信号处理硬件的开发 典型的数字信号处理硬件有如下几种 1 微控制器MCU微控制器MCU实际上是专用的单片机 其包括微处理器 ROM和RAM存储器 时钟信号发生器和片内输入输出端口I O等 其结构如图10 4所示 数据存储器 程序存储器 I O接口 中央处理器单元 CPU 时钟信号发生器 晶振 数据总线 地址总线 数字输入 数字输出 置位 电源 接地 图10 4微控制器MCU结构框图 微控制器MCU为智能传感器提供了灵活 快速 省时地实现一体控制的捷径 MCU编程较容易 逻辑运算能力强 可与各种不同类型的外设连接 这为MCU增加了设计中的选择能力 大批量的硅芯片集成生产能力可使系统获得更低成本 更高质量和更高的可靠性 2 数字信号处理器DSPDSP比一般单片机或MCU运算速度快 可供实时信号处理用 典型的DSP可在不到100ns 10 9秒 的时间内执行数条指令 这种能力使其可获得最高达20MIPS 百万条指令每秒 的运行速度 是通常MCU的10 20倍 例如DSP56L811 1 可在2 7 3 6V电压范围内工作 在40MHz时钟频率下 最高达20MIPS速度 2 单循环 多重累加位移计算方式 3 16位指令和16位数据字长 4 两个36位累加器 5 三个串行I O口 6 16位并行I O口 两个外部中断 7 40MHz时钟频率下 功率损耗为120mW 汽车的接近障碍探测系统和减噪系统就使用了DSP与传感器的结合 检查电机框架上螺栓孔倾斜度的智能传感器就是用DSP代替原先的一台主计算机 速度由原来的一分钟检查一个孔 提高到一分钟检查100个孔 用来处理传感器信号的DSP设计工具只有一张名片大 3 专用集成电路ASICASIC技术是利用计算机辅助设计 将可编程逻辑装置 PLD 用于小于5000只逻辑门的低密度集成电路上 设计成可编程的低 中密度集成的用户电路 作为数字信号处理硬件使用 ASIC具有相对低的成本和更短的更新周期 用户电路上附加的逻辑功能可以实现某些特殊传感要求的寻址 混合信号的ASIC则可同时用于模拟信号与数字信号处理 4 场编程逻辑门阵列FPGA场编程逻辑门阵列FPGA以标准单元用于中密度 小于100000只逻辑门 高端电路 设计成可编程的高密度集成的用户电路 作为数字信号处理硬件使用 FPGA和 用于模拟量处理的同系列装置场编程模拟阵列 FPAA 作为传感器接口具有特殊的吸引力 它们具有很强的计算能力 它们能减小开发周期 在投入使用后还可以再次重新设计信号处理程序 调整传感功能 5 微型计算机当然 期望的数字信号处理硬件也可以用微型计算机来实现 这样组合成的计算型智能传感器就不是一个集成单片传感功能装置 而是一个智能传感器系统了 今后 计算型智能传感器还将进一步利用人工神经网络 人工智能 多重信息融合等技术 从而具备分析 判断 自适应 自学习能力 完成图像识别 特征检测和多维检测等更为复杂的任务 10 3特殊材料型智能传感器 特殊材料型智能传感器利用了特殊功能材料对传感信号的选择性能 例如 在生物传感器一节中曾提到过酶和微生物对特殊物质具有高选择性 有时甚至能辨别出一个特殊分子 另一种化学智能传感器是用具有不同特性和非完全选择性的多重传感器组成 例如 电子鼻 的嗅觉系统目前已经发现有几种对有机或无机气体具有不同敏感性或传导性的材料 都已经或者正在获得应用 10 4几何结构型智能传感器 几何结构型智能传感器的信号处理是以传感器本身的几何或机械结构得以实现的 这使得信号处理可以大大简化 响应很迅速 前面所述的凸透镜和凹透镜就是一个几何结构型光智能传感器的例子 几何结构型智能传感器的最重要特点是 传感器和信号处理 传感和执行 信号处理和信号传输等多重功能的合成 10 5多传感器融合系统 多传感器融合系统是用计算机对多个基本传感器的检测数据 在一定准则下进行分析 综合 支配和使用 获得对被测对象的一致性解释与描述 形成相应的决策和估计的智能传感器系统 多传感器融合系统包含多传感器融合数据融合 10 5 1多传感器融合多传感器融合指多个基本传感器空间和时间上的复合应用和设计 常称为多传感器复合 多传感器融合能在最短的时间内获得大量的数据 实现多路传感器的资源共享 提高系统的可靠性和鲁棒性 多传感器融合有4个级别 10 5 2数据融合数据融合也称信息融合 是把分布在不同位置的 多个同类或不同类基本传感器所提供的局部不完整观测数据 进行合并或综合 消除可能存在的冗余和矛盾 降低不确定性 形成相对完整一致的感知描述 提供给决策和执行系统 多传感器数据融合目前有数据层融合 特征层融合 决策层融合3种融合层次 10 5 3多传感器融合系统的应用多传感器融合系统可用于工业过程监视 机器人 空中交通管制 遥感检测 水上船舶航行安全 海上监视和环境保护等系统 图10 5所示为空中交通管制系统框图 它是一个典型的多传感器 雷达 多因素 多层次的信息融合系统 图10 5空中交通管制系统框图 飞机在飞行的过程中 使用机载雷达识别出地面预先精心设置的某些地理位置 再用信标机把飞越每个地理位置的时间和高度向雷达信标应答 计算机和显示器等监视和控制设备 接收到飞机上和地面多部各种类型雷达检测数据 进行数据融合得到飞机位置 航向 速度和属性等信息 利用这些信息修正飞机对指定航线的偏离 防止相撞并调度飞机流量 10 6模糊传感器 模糊传感器是智能传感器的一种 是以数值量为基础 能产生被测量状态的模糊符号信息的传感器 10 6 1模糊语言和模糊传感器结构传统传感器是数值传感器 它以定量数值来描述被测量状态 随着测量领域的不断扩大与深化 被测量状态仅仅以定量数值来描述存在很多不足 为了顺应人们生活 生产与科学实践的需要 测量领域需要一种在传统传感器进行数值测量的基础上 经过模糊推理与知识集成 以 自然语言符号 的形式输出测量结果的传感器 即模糊传感器 模糊传感器的结构如图10 6所示 主要由 传统的数值测量单元 和 数值 模糊语言 符号转换单元 两部分组成 被测对象 数值测量单元 数值 符号转换单元 符号处理 专家信号管理 被测量 数值量 符号输出 图10 6模糊传感器的结构 模糊化工作必须在 专家 的指导下进行 专家是具有大量的专门知识与经验 能进行推理和判断的计算机程序系统 模糊化工作过程是 1 在测量集上对实数集合选取适当多个 特征表示 2 将这些 特征表示 映射为模糊语言符号 生成模糊语言符号集合 3 再把被测量的数值量 转换为该集合中的最合适的模糊语言符号来表述 图10 7所示为模糊语言映射的过程 图中Q为数值域 S为符号域 R P为各自的隶属函数 M qi si为映射 称si是qi的一个模糊符号 与定量数值无限可分相比 模糊符号描述细节的程度和范围不够 有时需要多级映射 把符号分得细一些 以扩大符号表示的细致程度和范围 但最多不超过3级 图10 7数值到符号的映射 在送执行时 模糊化后的模糊符号经过了模糊决策 通常需清晰化 即由模糊符号向数值逆转换 通过逆映射M 1 si qi 获得定量数值 不是返回原来的数值量 送执行器执行 10 6 2模糊传感器的应用模糊传感器的应用已进入日用家电领域 如模糊控制洗衣机中布量检测 水位检测 水的浑浊度检测 电饭煲中的水 饭量检测 模糊手机充电器等 另外 模糊距离传感器 模糊温度传感器 模糊色彩传感器等也由国内外专家们研制 并已经获得了成果 随着科学技术的发展 学科分支的相互融合 模糊传感器也应用到了神经网络 模式识别等体系中 模糊传感器的出现 不仅拓宽了经典测量学科 而且使测量科学向人类的自然语言理解方面迈出了重要的一步 10 7智能传感器实例 10 7 1DSIJ 3000智能压力传感器美国霍尼韦尔 Honeywell 公司生产DSTJ 3000智能压差压力传感器 组成如图10 8所示 精度可达0 1 FS 被测的动态力或压力 差压 作用在电阻应变片上 引起阻值变化 电阻应变片组成电桥电路 输出电压值大小与被测压力大小成比例 硅片上的静压传感器和温度传感器 测得温度和静态压力并转换为电压值输出 图10 8DSTJ 3000智能压差压力传感器 CPU根据储存在ROM中的程序 控制传感器的整个工作过程 根据储存在PROM中的修正算法和两个辅助传感器的测量值进行温度补偿 静压校准和非线性补偿 RAM中存放用户输入数据 包括对测量的一些具体要求 E2PROM作为ROM的后备存储器 再经过D A转换器 转换为模拟信号输出 也可以由I O数字接口直接输出数字信号 10 7 2气象参数测试仪气象参数测试仪也是一台计算型智能传感器 如图10 9所示 1 实现风向 风速 温度 湿度 气压的传感器信号采集 2 对采集的信号进行处理 显示 3 实现与微型计算机的数据通信 传送仪器的工作状态 气象参数数据 风向传感器 风速传感器 温湿传感器1 温湿传感器N 扩展数字接口 气压传感器 扩展模拟接口 数字信号处理接口电路 模拟信号处理接口电路 单片机89C52 LCD液晶显示 看门狗电路 上位机 按键接口电路 RS 485 RS 232 图10 9气象参数测试仪结构框图 10 7 3汽车制动性能检测仪制动性能的检测有路试法和台试法 台试法用得较多 它是通过在制动试验台上对汽车进行制动力的测量 并以车轮制动力的大小和左右车轮制动力的差值来综合评价汽车的制动性能 汽车制动性能检测仪的组成 左轮制动力传感器 右轮制动力传感器 数据采集 处理模块 A D转换 单片机 显示与输出系统 如图10 10所示 左轮制动力传感器 右轮制动力传感器 键盘 打印机 信号处理模块 12位A D转换 左轮滚筒电机 右轮滚筒电机 单片机AT89C52 微型计算机 串行驱动 耦合驱动 左轮力 右轮力 LCD显示器 图10 10汽车制动性能检测仪总体框图 10 7 4轮速智能传感器轮速智能传感器的硬件结构以单片机为核心 外部扩展8KBRAM和8KBEPROM 外围电路有信号处理电路 总线通信控制 总线接口等 如图10 11所示 轮速传感器 信号处理电路 光电隔离 SJA1000 光电隔离 82C250 82C250 仪表盘智能测控节点 80C31单片机 看门狗电路 8KBEPROM 8KBRAM CAN总线 车轮 仪器仪表 图10 11轮速智能传感器 轮速智能传感器检测到的轮子转动速度信号经滤波 整形变换为脉冲数字信号后 由光电隔离耦合输入到80C31单片机端口 轮速和其他测控数据 由仪表盘上的仪器仪表显示和使用 10 7 5车载信息系统对汽车的各种信息状态 如燃油的液位 电池电压 水温 机油压力 车速等进行采集 处理 显示和报警 同时接收全球卫星定位系统 GPS 信息进行显示 驾驶员可根据显示和报警提示进行相应的操作和处理 以保证汽车安全正常行驶 车载信息系统如图10 12所示 由多种传感器 数据采集卡 A D转换接口 计数器卡 数据输入接口 总线 声光显示和报警器 GPS 工控机和管理控制软件等组成 图10 12车载信息系统工作原理框图 燃油的液位 电池电压 水温 机油压力 车速等各种信息由相应的传感器进行检测 通过数据采集接口卡转换为调制在不同频率上的数字信号 计数接口卡由多路计数器组成 将这些调制在不同频率上的数字信号分别存储在各路计数器里 工控机在软件的控制下 巡回检取各路计数器的数字信号 运算处理后 以图形方式显示在液晶显示屏上 以便驾驶员观察 GPS全球卫星定位系统根据三颗以上不同卫星发来的数据 实时计算和在液晶显示屏上显示汽车所处的地理位置 经度和纬度 当某物理量超出安全值范围时 即发出声 光报警信号 警示驾驶员尽快采取措施 以保证安全行车 使用调频收音机和多媒体播放器的信息也显示在显示器屏幕上 10 7 6虚拟仪器在虚拟现实系统中 数据分析和数据显示完全用PC机的软件来完成 只要提供一定的数据采集硬件 通常为各种基础传感器 就可以与PC机组成测量仪器 这种基于PC机的测量仪器称为虚拟仪器 如图10 13所示 图10 13虚拟仪器的组成 在虚拟仪器中 使用同一个硬件系统 只要应用不同的软件编程 就可得到功能完全不同的测量仪器 可见 软件系统是虚拟仪器的核心 软件就是仪器 作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性 通俗性 可视性 可扩展性和升级性 能为用户带来极大的利益 具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场 10 8实训 10 8 1模糊洗衣机体验模糊洗衣机是利用模糊推理与知识集成 模仿人的思维进行判断操作的一种全自动洗衣机 利用了基本传感器和单片机实现了洗涤时间模糊化 将其模糊化为5个时间符号 送执行器执行洗涤 洗涤时间模糊化控制模块组成如图10 14所示 图10 14模糊洗衣机洗涤时间模糊化控制模块组成 使用模糊洗衣机洗涤衣服 被单 感觉模糊洗衣机的模糊控制功能 体会模糊传感器的用途 利用单片机知识 试编制单片机程序 按0 60总数值取5个中间平均数的方法 进行简单的洗涤时间模糊化 10 8 2智能压阻压力传感器体验如图10 15所示 作为主传感器的压阻压力传感器用于压力测量 温度传感器用于测量环境温度 以便进行温度误差修正 做印制电路板 装配元件 编制单片机程序完成该智能压阻压力传感器 并进行性能测试 压力传感器 温度传感器 放大器 放大器 多路转换器 单片机 显示器 扩展 键盘 A D 图10 15智能压阻压力传感器组成框图