《工程测试与信号处理》课程教学课件（讲稿）第五章 集成化智能传感器

集成化智能传感器武汉理工大学机电工程学院

武汉理工大学 机电工程学院 集成化智能传感器

集成化智能传感器一、 概述智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，至今还没有形成规范的定义。早期，人们简单、机械地强调在工艺上将传感器和微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”，显然，这种定义过于狭义。智能传感器的中、英文称谓很多，目前尚未统一。一般认为“intelligentSensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“SmartSensor”是美国人对智能传感器的俗称。JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor”，“Integrated Smart Sensor”。“Smart Sensor”的中文译名有的译为“灵巧传感器”，也有译为“智能传感器”。目前国内大多数采用集成智能传感器（IntegratedSmartSensor）的称谓，简称智能传感器（intelligentSensor），并且认为：“传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测和信息处理的传感器是智能传感器（系统）”：将传感器与微处理器集成在一块芯片上只是构成智能传感器（系统）的一种方式

集成化智能传感器 一、概述 智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新 技术，至今还没有形成规范的定义。早期，人们简单、机械地强调在工艺 上将传感器和微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号 调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”，显然，这种定 义过于狭义。 智能传感器的中、英文称谓很多，目前尚未统一。一般认为 “intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“Smart Sensor”是美国人对智能传感器的俗称。 Johan H.Huijsing 在 “Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分别称为 “Smart Sensor” ，“Integrated Smart Sensor”。“Smart Sensor”的 中文译名有的译为“灵巧传感器” ，也有译为“智能传感器” 。目前国内 大多数采用集成智能传感器（Integrated Smart Sensor）的称谓，简称智 能传感器（intelligent Sensor），并且认为：“传感器与微处理器赋予 智能的结合，兼有信息检测和信息处理的传感器是智能传感器（系 统）”；将传感器与微处理器集成在一块芯片上只是构成智能传感器（系 统）的一种方式

集成化智能传感器二、集成化智能传感器的功能与特点1.集成化智能传感器的功能集成化智能传感器的功能是通过比较人的感官和大脑的协调动作，总结长期以来传感器测量的实际经验而提出的。概括而言，主要功能如下：（1）自补偿和计算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。即使传感器的加工不太精密，只要能保证其重复性好，通过传感器的计算功能也能获得较精确的测量结果

集成化智能传感器 二、集成化智能传感器的功能与特点 1.集成化智能传感器的功能 集成化智能传感器的功能是通过比较人的感官和大脑的协调 动作，总结长期以来传感器测量的实际经验而提出的。概括而 言，主要功能如下： （1）自补偿和计算 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。即使传感器的加工不太精密，只要能 保证其重复性好，通过传感器的计算功能也能获得较精确的测 量结果

集成化智能传感器（2）自检、自诊断和自校正普通传感器需要定期检验和标定，以保证其精确度。检验和标定时一般要求将传感器从使用现场拆卸下来拿到实验室进行，很不方便。而集成化智能传感器的检验校正可以在线进行。一般所要调整的参数主要是零位和增益。将校正功能软件存储在智能传感器的存储器中，操作者只要输入零位和一些已知参数，智能传感器的微处理器就能自动将随时间变化了的零位和增益校正过来。（3）复合敏感功能集成化智能传感器能够同时测量多种物理量和化学量，具有复合敏感功能，能够给出全面反映物质和变化规律的信息。如压力、真空度，温度梯度、热量和，浓度、pH值等分别反映物质的力、热、化学特性

集成化智能传感器 （2）自检、自诊断和自校正 普通传感器需要定期检验和标定，以保证其精确度。检验和 标定时一般要求将传感器从使用现场拆卸下来拿到实验室进 行，很不方便。而集成化智能传感器的检验校正可以在线进 行。一般所要调整的参数主要是零位和增益。将校正功能软 件存储在智能传感器的存储器中，操作者只要输入零位和一 些已知参数，智能传感器的微处理器就能自动将随时间变化 了的零位和增益校正过来。 （3）复合敏感功能 集成化智能传感器能够同时测量多种物理量和化学量，具有复 合敏感功能，能够给出全面反映物质和变化规律的信息。如压 力、真空度，温度梯度、热量和熵，浓度、pH值等分别反映物 质的力、热、化学特性

集成化智能传感器（4）接口功能由于传感器中使用了微处理器，其接口容易实现数学化与标准化，可方便地与一个网络系统或上一级计算机进行接口，这样就可以由远程中心计算机控制整个系统工作。（5）显示报警功能集成化智能传感器通过接口与数码管或其他显示器结合起来：可选点显示或定时循环显示各种测量值及相关参数。测量结果也可以由打印机输出。此外，通过与预设上下限值的比较还可实现超限值的声光报警功能

集成化智能传感器 （4）接口功能 由于传感器中使用了微处理器，其接口容易实现数字化与标准 化，可方便地与一个网络系统或上一级计算机进行接口，这样 就可以由远程中心计算机控制整个系统工作。 （5）显示报警功能 集成化智能传感器通过接口与数码管或其他显示器结合起来， 可选点显示或定时循环显示各种测量值及相关参数。测量结果 也可以由打印机输出。此外，通过与预设上下限值的比较还可 实现超限值的声光报警功能

集成化智能传感器（6）数字通讯功能集成化智能传感器可利用接口或智能现场通讯器（SFC）来交换信息。SFC可挂在传感器两信号输出线的任何位置，通过键盘的简单操作进行远程设定或变更传感器的参数，如测量范围、线性输出或平方根输出等。这样，无需把传感器从危险区取下来，极大地节省了维护时间和费用。综上所述，集成化智能传感器功能模块可分为两部分：基本传感器部分和信号处理单元部分。基本传感器的功能主要是用传感器测量被测参数，并将传感器的识别特性和计量特性存在可编程的只读存储器（PROM）中，以便校准计算。信号处理单元部分主要是由微处理器计算和处理被测量，并滤除传感器感知的非被测量。这两个部分通常是集成在一起，形成一个整体，封装在一个壳体内。两个部分也可以远距离实现，特别是在测量现场环境较差的情况下，这有利于电子元件和微处理器的保护，也便于远程控制和操作

集成化智能传感器 （6）数字通讯功能 集成化智能传感器可利用接口或智能现场通讯器（SFC）来交 换信息。SFC可挂在传感器两信号输出线的任何位置，通过键盘 的简单操作进行远程设定或变更传感器的参数，如测量范围、线 性输出或平方根输出等。这样，无需把传感器从危险区取下来， 极大地节省了维护时间和费用。 综上所述，集成化智能传感器功能模块可分为两部分：基本 传感器部分和信号处理单元部分。基本传感器的功能主要是用传 感器测量被测参数，并将传感器的识别特性和计量特性存在可编 程的只读存储器（PROM）中，以便校准计算。信号处理单元部分 主要是由微处理器计算和处理被测量，并滤除传感器感知的非被 测量。这两个部分通常是集成在一起，形成一个整体，封装在一 个壳体内。两个部分也可以远距离实现，特别是在测量现场环境 较差的情况下，这有利于电子元件和微处理器的保护，也便于远 程控制和操作

集成化智能传感器2.集成化智能传感器的特点集成化智能传感器与传统传感器相比具有以下特点：（1）精度高集成化智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如自动校零以去除零点误差：与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统校定：自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正：通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响。这些措施保证了智能传感器有很高的测量精度

集成化智能传感器 2.集成化智能传感器的特点 集成化智能传感器与传统传感器相比具有以下特点： （1）精度高 集成化智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如自动 校零以去除零点误差；与标准参考基准实时对比以自动进行整 体系统校定；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正； 通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响。这 些措施保证了智能传感器有很高的测量精度

集成化智能传感器（2）可靠性与稳定性高集成化智能传感器可以自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起的系统特性的漂移，如温度补偿：自动转换量程以适应被测参数的变化：自我检验、分析、判断所采集数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）等。因此集成化智能传感器具有高可靠性与高稳定性。（3）信噪比与分辨力高由于集成化智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，取出有用信号：通过数据融合、神经网络等技术，可以消除多参数状态下交又灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨力。因此集成化智能传感器具有高信噪比和高分辨力

集成化智能传感器 （2）可靠性与稳定性高 集成化智能传感器可以自动补偿因工作条件与环境参数发 生变化后引起的系统特性的漂移，如温度补偿；自动转换量程 以适应被测参数的变化；自我检验、分析、判断所采集数据的 合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）等。 因此集成化智能传感器具有高可靠性与高稳定性。 （3）信噪比与分辨力高 由于集成化智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功 能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入 数据中的噪声，取出有用信号；通过数据融合、神经网络等技 术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多 参数状态下对特定参数测量的分辨力。因此集成化智能传感器 具有高信噪比和高分辨力

集成化智能传感器（4）自适应性强由于集成化智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分供电情况、与上位计算机的数据传输速率，使系统工作在最低功耗状态和优化传送效率。（5）性能价格比高集成化智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技术追求传感器本身的完善、对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的，所以其性能价格比高

集成化智能传感器 （4）自适应性强 由于集成化智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能 根据系统工作情况决策各部分供电情况、与上位计算机的数据 传输速率，使系统工作在最低功耗状态和优化传送效率。 （5）性能价格比高 集成化智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感 器技术追求传感器本身的完善、对传感器的各个环节进行精心 设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通 过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯 片以及强大的软件来实现的，所以其性能价格比高

集成化智能传感器三、智能传感器的实现目前，智能传感器主要有如下三条实现途径：1.非集成化实现非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信息的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其组成框图如图所示。总线经典传感器调理电路微处理器接口数据总线非集成式智能传感器外壳

集成化智能传感器 三、智能传感器的实现 目前，智能传感器主要有如下三条实现途径： 1.非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化 工艺制作的传感器，仅具有获取信息的功能）、信号调理电路、 带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传 感器系统。其组成框图如图所示