第11章 智能传感器

传感器基础

第11章 智能传感器 11.1 智能传感器概述 11.1.1 智能传感器的概念 智能传感器是带有微处理器并兼有信息检测和信息 处理功能的传感器，它能充分利用微处理器进行数据分 析和处理，并能对内部工作过程进行调节和控制，使采 集的数据最佳。 与传统的传感器相比，智能传感器将传感器检测信 息的功能与微处理器(CPU)的信息处理功能有机地结合 在一起，从而具有了一定的人工智能，它弥补了传统传 感器性能的不足，使传感器技术发生了巨大的变革，将 传感器的发展提高到一个更高的层次上。

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智能传感器就是一个最小的微机系统，其中作为 控制核心的微处理器通常采用单片机，其基本结构框 图如下：

图11.1 智能传感器基本结构框图

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11.1.2 智能传感器的功能

① 具有自补偿功能。 ② 具有自校准功能。 ③ 具有自诊断功能。 ④ 具有自动数据处理功能。 ⑤ 具有组态功能。 ⑥ 具有双向通信和数字输出功能。 ⑦ 具有信息存储与记忆功能。 ⑧ 具有分析、判断、自适应、自学习的功能。

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11.1.3 智能传感器的特点 与传统传感器相比，智能传感器的特点是： 精度高 可靠性与高稳定性强 高信噪比与高分辨率 自适应性强 性能价格比高 由此可见，智能化设计是传感器传统设计中的 一次革命，是世界传感器的发展趋势。

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11.2 智能传感器的实现途径

非集成化智能传感器是将传统的经典传感器、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。

图11.2 非集成化智能传感器框图

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模糊传感器

模糊传感器是一种非集成化的新型智能传感器。 模糊传感器是在经典数值测量的基础上，经过模糊 推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形 式输出测量结果。 模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号 的产生及其处理。

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11.2.2 集成化实现 这种智能传感器系统是采用微机加工技术和大规模集 成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、 信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯 片上而构成的。故又可称为集成智能传感器。

图11.3 集成智能传感器外形示意图

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集成智能传感器的特点： 微型化 结构一体化 精度高 多功能 阵列式 全数字化 使用方便，操作简单

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11.2.3 混合实现 混合实现是指根据需要与可能，将系统各个集成化 环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数 字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯 片上，并装在一个外壳里。 集成化敏感单元：弹性敏感元件及变换器； 信号调理电路：多路开关、仪用放大器、基准、 A/D转换器等； 微处理器

单元：数字存储(EPROM、ROM、RAM)、I/O 接口、微处理器、D/A转换器等。

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图11.4 在一个封装中可能的混合集成实现方式

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11.3 集成化智能传感器 11.3.1 集成化智能传感器的几种形式 按智能化程度来分类，集成化智能传感器具有三种 存在形式： 初级形式：即组成环节中没有微处理器单元，只有敏 感单元与(智能)信号调理电路，二者被封装在一个外 壳里。这是智能传感器系统最早出现的商品化形式，也 是最广泛使用的形式，也被称为“初级智能传感器”。

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中级形式(自立形式):是在组成环节中除敏感单元 与信号调理电路外，必须含有微处理器单元，即一个 完整的传感器系统封装在一个外壳里的形式。 高级形式：是集成度进一步提高，敏感单元实现多维 阵列化时，同时配备了更强大的信息处理软件，从而 具有更高级的智能化功能的形式。

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11.3.2 集成智能传感器实例 1. ST-3000系列智能压力传感器

图11.5 ST-3000系列智能压力传感器原理框图

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2. 固体图像传感器 固体图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能 的扩展，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可 视图像信息，目前，由于传感器智能化和集成化的要求， 使得固体图像传感器有三维集成的发展趋势。

图11.6 三维结构集成的智能化传感器

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图11.7 三层结构的三维集成 智能图像传感器

图11.8 多个智能图像传感器 的图像识别系统

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11.4 智能传感器的发展方向 微传感器系统 多传感器数据融合技术 网络化智能传感器系统 蓝牙传感器系统 生物传感器系统 智能传感器是应现代自动化系统发展的要求而提出来 的，是传感器发展里程中的一次革命，它代表着目前传感 器技术发展的大趋势。