第14章传感器新枝术及应用 14.1智能传感器 14.2模糊传感器 14.3网络传感器 14.4多传感器数据融合 14.5虚拟仪器 14.6物联网 14.7MEMS技术与微型传感器
第14章 传感器新技术及应用 14.1 智能传感器 14.2 模糊传感器 14.3 网络传感器 14.4 多传感器数据融合 14.5 虚拟仪器 14.6 物联网 14.7 MEMS技术与微型传感器
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 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
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
MPU ROM RAM 计算机总线 A-D转换器 通信接口 多路开关 信号调理1 信号调理n 系统总线 敏感元件1 敏感元件n
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： (1)自我完善能力 (2)自我管理与自适应能力 (3)自我辨别与运算处理能力 (4)具有双向通信、标准化数字输出功能
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： （1）自我完善能力 （2）自我管理与自适应能力 （3）自我辨别与运算处理能力 （4）具有双向通信、标准化数字输出功能
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
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
14.1.4 智能传感器实现的途径 (1)非集成化实现 (2)集成化实现 (3)混合实现
14.1.4 智能传感器实现的途径 （1）非集成化实现 （2）集成化实现 （3）混合实现
14.2 模糊传感器 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
14.2 模糊传感器 ◼ 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
14.2.2 模糊传感器的基本功能 (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。 (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。 (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。 (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
14.2.2 模糊传感器的基本功能 （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。 （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。 （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。 （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 (1)一维模糊传感器的结构 被测量 MPU 存储器 计算机总线 信号调理与转换层」 导师信息 数值一符号转换层 指导学习层 A-D转换器 通信接口 人机智能接口 符号处理层 信号调理 系统总线 通信层 导师信息 传感器信号 (a)硬件结构 (b)逻辑框图
14.2.3 模糊传感器的结构 （1）一维模糊传感器的结构