第14章传感器新技术及其应用 传感器技术是当今世界令人瞩目、迅速发展的一种高新技术，是当代科学技术发展 和一个国家综合实力的重要标志。随着传感器技术、计算机技术及通信技术的不断融合 和发展，传感器领域也发生了巨大的变化，从而产生了智能传感器、模糊传感器及网络 传感器等新技术，使传统测控系统的信息采集、数据处理等方式产生了质的飞跃，各种 现场数据可以直接在网络上传输、发布与共享已成为现实；在网络上任何节点对现场传 感器进行编程和组态已成为可能，从而使物联网概念悄然崛起，并在逐步发展壮大，形 成一个物联网产业。下面就智能传感、模糊传感器及网络传感器以及MEMS技术与微 型传感器等新技术做一简单介绍。 14.1智能传感器 传感器技术随着信息处理技术的飞速发展而快速地发展着，智能传感器是现代传感 器的发展方向，它涉及机械、控制工程、仿生学、微电子学、计算机科学、生物电子学 等多学科领域。它是一门现代综合技术，也是当今世界正在迅速发展的高新技术至今还 没有形成规范化的定义。简单地说，智能传感器就是将一个或几个敏感元件和微处理器 组合在一起，使他成为一个具有信息处理功能的传感器。他自身带有微处理器，具有信
第 14 章 传感器新技术及其应用 传感器技术是当今世界令人瞩目、迅速发展的一种高新技术，是当代科学技术发展 和一个国家综合实力的重要标志。随着传感器技术、计算机技术及通信技术的不断融合 和发展，传感器领域也发生了巨大的变化，从而产生了智能传感器、模糊传感器及网络 传感器等新技术，使传统测控系统的信息采集、数据处理等方式产生了质的飞跃，各种 现场数据可以直接在网络上传输、发布与共享已成为现实；在网络上任何节点对现场传 感器进行编程和组态已成为可能，从而使物联网概念悄然崛起，并在逐步发展壮大，形 成一个物联网产业。下面就智能传感、模糊传感器及网络传感器以及 MEMS 技术与微 型传感器等新技术做一简单介绍。 传感器技术随着信息处理技术的飞速发展而快速地发展着,智能传感器是现代传感 器的发展方向，它涉及机械、控制工程、仿生学、微电子学、计算机科学、生物电子学 等多学科领域。它是一门现代综合技术，也是当今世界正在迅速发展的高新技术至今还 没有形成规范化的定义。简单地说，智能传感器就是将一个或几个敏感元件和微处理器 组合在一起，使他成为一个具有信息处理功能的传感器。他自身带有微处理器，具有信
·310 传感器技术设计与应用 息采集、处理、鉴别和判断、推理的能力，式传感器与微处理器结合的产物。 14.1.1智能传感器的典型结构 智能传感器主要由敏感元件、微处理器及其相关电路组成。其典型结构如图14-1 所示。智能传感器的敏感元件将被测的物理量转换成相应的电信号，送到信号处理电路 中进行滤波、放大，然后经过模数转换后，送到微处理器中。微处理器是智能传感器的 核心，他不但可以对敏感元件测量的数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过通信 接口对敏感元件测量结果进行输出。由于微处理器可充分发挥各种软件的功能，可以完 成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器的制造难度，提高了传感器的性能，降 低了成本。 如果从结构上划分，智能传感器可以分为集成式、混合式和模块式三种。集成式智 能传感器是将一个或多个敏感元件与信号处理电路和微处理器集成在同一块芯片上，他 集成度高，体积小，使用方便，是智能传感器的一个重要发展方向；但由于技术水平所 限，目前这类智能传感器的种类还比较少。混合式智能传感器是将传感器和信号处理电 路及微处理器做在不同的芯片上，目前这类结构比较多。模块式智能传感器是将许多 相互独立的模块（如微计算机模块、信号处理电路模块、数据转换电路模块及显示电 路模块等)和普通传感器装配在同一壳体内完成某一传感器功能，他是智能传感器的 雏形
·310· 息采集、处理、鉴别和判断、推理的能力，式传感器与微处理器结合的产物。 智能传感器主要由敏感元件、微处理器及其相关电路组成。其典型结构如图 14-1 所示。智能传感器的敏感元件将被测的物理量转换成相应的电信号，送到信号处理电路 中进行滤波、放大，然后经过模数转换后，送到微处理器中。微处理器是智能传感器的 核心，他不但可以对敏感元件测量的数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过通信 接口对敏感元件测量结果进行输出。由于微处理器可充分发挥各种软件的功能，可以完 成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器的制造难度，提高了传感器的性能，降 低了成本。 如果从结构上划分，智能传感器可以分为集成式、混合式和模块式三种。集成式智 能传感器是将一个或多个敏感元件与信号处理电路和微处理器集成在同一块芯片上，他 集成度高，体积小，使用方便，是智能传感器的一个重要发展方向；但由于技术水平所 限，目前这类智能传感器的种类还比较少。混合式智能传感器是将传感器和信号处理电 路及微处理器做在不同的芯片上，目前这类结构比较多。模块式智能传感器是将许多 相互独立的模块（如微计算机模块、信号处理电路模块、数据转换电路模块及显示电 路模块等）和普通传感器装配在同一壳体内完成某一传感器功能，他是智能传感器的 雏形
第14章传感器新技术及其应用 ·311· MPU ROM RAM AD转换器 通信接口☐ 多路开关 信号调理1口.信号调理。☐ 系统总线 做感元件1.敏感元件n 图14-1智能传感器结构图 14.1.2智能传感器的主要功能 智能传感器是一个以微处理器为内核，并扩展了外围部件的计算机检测系统。它与 一般传感器相比具有以下功能： 14.12.1自我完善能力 具有自校零、自诊断、自校正和自适应功能；具有提高系统响应速度，改善动态特 性的智能化频率自补偿能力；具有抑制交叉敏感，提高系统稳定性的多信息融合功能。 14.1.2.2自我管理与自适应能力 能够自动进行检验，自选量程、自寻故障和自动补偿功能；具有判断、决策、自动 量程切换与控制功能
14 ·311· 图 14-1 智能传感器结构图 智能传感器是一个以微处理器为内核，并扩展了外围部件的计算机检测系统。它与 一般传感器相比具有以下功能： 14.1.2.1 自我完善能力 具有自校零、自诊断、自校正和自适应功能；具有提高系统响应速度，改善动态特 性的智能化频率自补偿能力；具有抑制交叉敏感，提高系统稳定性的多信息融合功能。 14.1.2.2 自我管理与自适应能力 能够自动进行检验，自选量程、自寻故障和自动补偿功能；具有判断、决策、自动 量程切换与控制功能
·312 传感器技术设计与应用 14.1.2.3自我辨别与运算处理能力 具有从噪声中辨识微弱信号与消噪的功能：具有多维空间的图像识别与模式识别功 能；具有能够自动采集数据，并对数据进行判断、推理、联想和决策处理功能 14.1.2.4具有双向通信、标准化数字输出功能 具有数据存储、记忆、双向通信、标准化数据输出功能。 14.1.3智能传感器的特点 它与一般传感器相比具有如下显著特点：高精度；高可靠性与高稳定性；高信噪比 与高分辨力；强自适应性；较低的价格性能比等。 (1)利用它的信息处理功能，通过软件编程可修正各种确定系统误差，减少随机误 差，降低噪声，提高传感器的精度和稳定性。 (2)智能化传感器可以使系统小型化，消除传统结构的某些不可靠因素，改善系统 的抗干扰能力。 (3)利用自诊断、自校正和自适应功能可使测量结果更准确，更可靠。 (4)在相同的精度要求下，智能传感器与普通传感器相比，性价比明显提高，尤其 是在采用较便宜的单片机后更加明显。 (5)利用智能传感器可以实现多传感器多参数综合测量。 (6)具有数字通信接口，可直接与计算机相连，可适配各种应用系统
·312· 14.1.2.3 自我辨别与运算处理能力 具有从噪声中辨识微弱信号与消噪的功能；具有多维空间的图像识别与模式识别功 能；具有能够自动采集数据，并对数据进行判断、推理、联想和决策处理功能。 14.1.2.4 具有双向通信、标准化数字输出功能 具有数据存储、记忆、双向通信、标准化数据输出功能。 它与一般传感器相比具有如下显著特点：高精度；高可靠性与高稳定性；高信噪比 与高分辨力；强自适应性；较低的价格性能比等。 （1）利用它的信息处理功能，通过软件编程可修正各种确定系统误差，减少随机误 差，降低噪声，提高传感器的精度和稳定性。 （2）智能化传感器可以使系统小型化，消除传统结构的某些不可靠因素，改善系统 的抗干扰能力。 （3）利用自诊断、自校正和自适应功能可使测量结果更准确，更可靠。 （4）在相同的精度要求下，智能传感器与普通传感器相比，性价比明显提高，尤其 是在采用较便宜的单片机后更加明显。 （5）利用智能传感器可以实现多传感器多参数综合测量。 （6）具有数字通信接口，可直接与计算机相连，可适配各种应用系统
第14章传感器新技术及其应用 ·313 14.1.4智能传感器实现的途径 14.1.4.1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 具有获取信号的功能)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。由信号调理电路调理传感器输出的信号，再由微处理器通过数据 总线接口挂接在现场数字总线上，这是一种实现智能传感器系统的最快途径与方式 14.1.4.2集成化实现 集成化实现智能传感器系统，是建立在大规模集成电路工艺及现代传感器技术两大 技术基础之上的。充分利用大规模的集成电路、工艺技术、现代传感器技术等，实现智 能传感器系统的集成化 14.1.4.3混合实现 根据需要与可能，将系统各个环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元 数字总线接口，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，实现 混合集成 14.2模糊传感器
14 ·313· 14.1.4.1 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 具有获取信号的功能）、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。由信号调理电路调理传感器输出的信号，再由微处理器通过数据 总线接口挂接在现场数字总线上。这是一种实现智能传感器系统的最快途径与方式。 14.1.4.2 集成化实现 集成化实现智能传感器系统，是建立在大规模集成电路工艺及现代传感器技术两大 技术基础之上的。充分利用大规模的集成电路、工艺技术、现代传感器技术等，实现智 能传感器系统的集成化。 14.1.4.3 混合实现 根据需要与可能，将系统各个环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、 数字总线接口，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，实现 混合集成
·314 传感器技术设计与应用 14.2.1模糊传感器的概念及特点 模糊传感器是模糊逻辑技术应用发展中发展较晚的一个分支，它起源于20世纪80 年代末期，是一种新型智能传感器，也是模湖逻辑在传感器技术中的一个具体应用。传 统的传感器是数值测量装置，他将被测量映射到实数集合中，以数值形式来描述被测量 的状态。这种方法既精确又严谨，但随着技术领域的不断扩大与深化，由于被测对缘的 多维性，被分析问题的复杂性等原因，只进行单纯的数值测量是远远不够的。比如在测 量血压时，测得18kPa还是17.6kPa并不重要，重要的是对这-一结果来说，是否应对老 年人给出“正常”，对青年人给出“偏高”的结论。这样的定性描述普通传感器是不能 做到的，只有具有丰富医学知识和经验的专家才能分析、判断、推理出来。这种对客观 事物的语言化表示与数值化表示相比，存在精度低、不严密、具有主观随意性等缺点。 但它很实用，信息存储量少，无需建立精确的数学模型，允许数值测量有较大的非线性 和较低精度，可进行推理、学习，并将人类经验、专家知识、判断方法事先集成在一起 不需要专家在场就能给出正确的结论。监狱以上情况，就需要一种新型传感器—一即模 糊传感器。他的显著优点是：输出的不是数值，而是语言化符号 由于模糊传感器概念提出得较晚，目前尚无严格同一的定义，但一般认为模糊传感 器市以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的语言化信息的装置。因此可以说，模 糊传感器是在普通传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成最后以语言符号的 描述形式输出的传感器，可见新的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的基石
·314· 模糊传感器是模糊逻辑技术应用发展中发展较晚的一个分支，它起源于 20 世纪 80 年代末期，是一种新型智能传感器，也是模糊逻辑在传感器技术中的一个具体应用。传 统的传感器是数值测量装置，他将被测量映射到实数集合中，以数值形式来描述被测量 的状态。这种方法既精确又严谨，但随着技术领域的不断扩大与深化，由于被测对象的 多维性，被分析问题的复杂性等原因，只进行单纯的数值测量是远远不够的。比如在测 量血压时，测得 18kPa 还是 17.6kPa 并不重要，重要的是对这一结果来说，是否应对老 年人给出“正常”，对青年人给出“偏高”的结论。这样的定性描述普通传感器是不能 做到的，只有具有丰富医学知识和经验的专家才能分析、判断、推理出来。这种对客观 事物的语言化表示与数值化表示相比，存在精度低、不严密、具有主观随意性等缺点。 但它很实用，信息存储量少，无需建立精确的数学模型，允许数值测量有较大的非线性 和较低精度，可进行推理、学习，并将人类经验、专家知识、判断方法事先集成在一起， 不需要专家在场就能给出正确的结论。监狱以上情况，就需要一种新型传感器——即模 糊传感器。他的显著优点是：输出的不是数值，而是语言化符号。 由于模糊传感器概念提出得较晚，目前尚无严格同一的定义，但一般认为模糊传感 器市以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的语言化信息的装置。因此可以说，模 糊传感器是在普通传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，最后以语言符号的 描述形式输出的传感器，可见新的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的基石
第14章传感器新技术及其应用 ·315 由模糊传感器的定义可以看出，模糊传感器主要有智能传感器和模糊推理器组成， 他将被测量转化为是与人类感知和理解的信号。由于知识库中存储了丰富的专家知识和 经验，他可以通过简单、廉价的普通传感器测量相当复杂的现象。 14.2.2模糊传感器的基本功能 由于模糊传感器属于智能传感器，所以他要求有比较强大的智能功能，及要求他具 有学习、推理、联想、感知和通信功能。 14.2.2.1学习功能 模糊传感器一个特别重要的功能就是学习功能。人类知识集成的实现，测量结果高 级逻辑表达都是通过学习功能完成的。能够根据测量任务的要求学习有关知识是模糊传 感器与普通传感器的重要差别。模糊传感器的学习功能是通过有导师学习法和无导师学 习法实现的 14.2.2.2推理联想功能 模糊传感器有一维和多维之分。一维传感器受到外界刺激时，可以通过训练时记忆 联想得到的符号化测量结果。多维传感器当接收多个外界刺激时，可以通过人类集成知 识、时空信息的整合与多传感器信息融合等来进行推理，得到符号化的测量结果。显然 推理联想功能需要通过推理机构和知识库来实现
14 ·315· 由模糊传感器的定义可以看出，模糊传感器主要有智能传感器和模糊推理器组成， 他将被测量转化为是与人类感知和理解的信号。由于知识库中存储了丰富的专家知识和 经验，他可以通过简单、廉价的普通传感器测量相当复杂的现象。 由于模糊传感器属于智能传感器，所以他要求有比较强大的智能功能，及要求他具 有学习、推理、联想、感知和通信功能。 14.2.2.1 学习功能 模糊传感器一个特别重要的功能就是学习功能。人类知识集成的实现，测量结果高 级逻辑表达都是通过学习功能完成的。能够根据测量任务的要求学习有关知识是模糊传 感器与普通传感器的重要差别。模糊传感器的学习功能是通过有导师学习法和无导师学 习法实现的。 14.2.2.2 推理联想功能 模糊传感器有一维和多维之分。一维传感器受到外界刺激时，可以通过训练时记忆 联想得到的符号化测量结果。多维传感器当接收多个外界刺激时，可以通过人类集成知 识、时空信息的整合与多传感器信息融合等来进行推理，得到符号化的测量结果。显然， 推理联想功能需要通过推理机构和知识库来实现
·316 传感器技术设计与应用 14.2.2.3感知功能 模糊传感器与普通传感器一样，可以由传感元件确定的被测量，根本区别在于前者 不仅可以输出数值，而且可以输出语言化符号；而后者只能输出数值。因此，模糊传感 器必须具有数值一符号转换器。 14.2.2.4通信功能 由于模糊传感器一般都作为大系统中的子系统进行工作，因此模糊传感器能够与上 级系统进行信息交换是必然的，故通信功能也，是模糊传感器的基本功能， 14.2.3模糊传感器的结构 14.2.3.1一维模糊传感器的结构 由模糊传感器的概念可知，模糊传感器主要由智能传感器和模糊推理组成。其硬件 结构和逻辑图如图14-2所示。从142a可以看出，模糊传感器的硬件结构是以微处理器 为核心，以传统传感器测量为基础，采用软件实现符号的生成和处理，在硬件技术支持 下可实现有导师学习功能，通过信号接口实现与外部的通信
·316· 14.2.2.3 感知功能 模糊传感器与普通传感器一样，可以由传感元件确定的被测量，根本区别在于前者 不仅可以输出数值，而且可以输出语言化符号；而后者只能输出数值。因此，模糊传感 器必须具有数值—符号转换器。 14.2.2.4 通信功能 由于模糊传感器一般都作为大系统中的子系统进行工作，因此模糊传感器能够与上 级系统进行信息交换是必然的，故通信功能也是模糊传感器的基本功能。 14.2.3.1 一维模糊传感器的结构 由模糊传感器的概念可知，模糊传感器主要由智能传感器和模糊推理组成。其硬件 结构和逻辑图如图 14-2 所示。从 14-2a 可以看出，模糊传感器的硬件结构是以微处理器 为核心，以传统传感器测量为基础，采用软件实现符号的生成和处理，在硬件技术支持 下可实现有导师学习功能，通过信号接口实现与外部的通信
第14章传感器新技术及其应用 ·317· 被测量 MPU] 存储器 计算机总钱 信号调理与转换层☐ 导师信息 ■数值-符号转换层☐一 指导学习层☐ AD特换器 通信接口 人机智能接工 符号处埋层☐了 系统总线 通倍层 (a)硬件结构 (6)逻辑框图 图142一维模糊传感器的结构 图142b是模糊传感器的逻辑框图。所谓模糊传感器的逻辑框图就是在逻辑上要完 成的功能。一般来讲，模糊传感器逻辑上可以分为转换部分和信号处理与通信部分。从 功能上看，有信号调理与转换层、数值一符号转换层、符号处理层、指导学习层和通 信层。这些功能有机的结合在一起，完成数值—符号转换功能。 14.2.3.2多维模糊传感器的结构 图14-3给出了多维模糊传感器硬件结构框图。由图可知，它有敏感元件、信号处理 电路和AD转换器组成的基础测量单元完成传感测量任务。有数值预处理、数值符号 转换器、概念生成器、数据库、知识库构成的符号生成与处理单元完成核心工作数值、 符号转换。由通信接口实现摸糊传感器与上级系统间的信息交换，把测量结果（数值与 符号量)输出到系统总线上，并从系统总线上接受上级的命令。而人机接口是模糊传感 器与操作者进行信息交流通道。管理器的作用是测量系统实现自身的管理，接受上级的
14 ·317· 图 14-2 一维模糊传感器的结构 图 14-2b 是模糊传感器的逻辑框图。所谓模糊传感器的逻辑框图就是在逻辑上要完 成的功能。一般来讲，模糊传感器逻辑上可以分为转换部分和信号处理与通信部分。从 功能上看，有信号调理与转换层、数值——符号转换层、符号处理层、指导学习层和通 信层。这些功能有机的结合在一起，完成数值——符号转换功能。 14.2.3.2 多维模糊传感器的结构 图 14-3 给出了多维模糊传感器硬件结构框图。由图可知，它有敏感元件、信号处理 电路和 A-D 转换器组成的基础测量单元完成传感测量任务。有数值预处理、数值/符号 转换器、概念生成器、数据库、知识库构成的符号生成与处理单元完成核心工作-数值、 符号转换。由通信接口实现模糊传感器与上级系统间的信息交换，把测量结果（数值与 符号量）输出到系统总线上，并从系统总线上接受上级的命令。而人机接口是模糊传感 器与操作者进行信息交流通道。管理器的作用是测量系统实现自身的管理，接受上级的
·318 传感器技术设计与应用 命令，开启、关闭测量系统，调节放大器的放大倍数并根据上级系统的要求决定输出量 的类型（数值还是语言符号量）等。由此可见，一维模糊传感器只是多维模糊传感器的 一个特殊情况。 被测量 十 十 基础测量单元 倍号调理信号调理2习倍号调理n 数值预处理☐ 数值预处理☐数值预处理数据库 to qe t9m os☐ 0s☐0s☐ 概仑生成器（推理器） 知识库 符号表示的测量结果☐ 符号生成与处理单元 通倍接口 系统总线 导师信息 图14-3多维摸糊传感器硬件结构框图 14.2.3.3有导师学习结构的实现 具有导师学习功能可使模糊传感器的智能化水平进一步提高.图14-4是具有导师学 习功能的模糊传感器原理图
·318· 命令，开启、关闭测量系统，调节放大器的放大倍数并根据上级系统的要求决定输出量 的类型（数值还是语言符号量）等。由此可见，一维模糊传感器只是多维模糊传感器的 一个特殊情况。 图 14-3 多维模糊传感器硬件结构框图 14.2.3.3 有导师学习结构的实现 具有导师学习功能可使模糊传感器的智能化水平进一步提高。图 14-4 是具有导师学 习功能的模糊传感器原理图