1、第13章 新型传感器,新型传感器,新型传感器：相对于传统传感器而言，近年新出现的一类传感器 特点： 智能化、多功能化、综合性、微型化、集成化、网络化等 检测信号的种类丰富、检测功能强大、检测精度高 本章主要涉及 智能传感器 模糊传感器 微传感器 网络传感器,13.1 智能传感器,智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器 本质：带信号采集功能的微机系统 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的信息处理功能有机地结合在一起，充分利用微处理器进行
2、数据分析和处理，并能对内部工作过程进行调节和控制，从而具有了一定的人工智能，弥补了传统传感器性能的不足，使采集的数据质量得以提高 “微处理器”与传感器的结合方式： 一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器” 另一种是指传感器能够配微处理器（分离方式）,智能传感器的起源,智能传感器概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来,并于1979年形成产品。 宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面或飞船上的处理器发送温度、位置、速度和姿态等数据信息 即便使用一台大型计算机也很难同时处理如此庞大的数据。何况飞船又限制计算机体积和重量 因此希望传感器本身具有信息处理功能，于是将传感
3、器与微处理器结合，就出现了智能传感器。,智能传感器基本结构,传感器测量及信号调理部分：传统传感器；信号的放大、滤波、变换等； A/D部分：主要决定智能传感器精度的部分 微处理器部分：智能传感器的核心部分 其他辅助部分：键盘、显示电路等,微处理器,智能传感器的核心；充分发挥软件的功能 不仅能对传感数据进行计算、存储、数据处理 还可以通过反馈回路对传感器进行调节优势 可完成硬件难以完成的任务 大大降低传感器制造的难度 提高了传感器的性能,智能传感器的实现途径,非集成化实现： 传统传感器+信号调理电路+微处理器 实现智能化的最快途径 现有的生产工艺可保持不变 集成化实现： 敏感元件、信号调理电路、微
4、处理单元集成在一块芯片上 高性价比 微型化、一体化、使用方便 混合实现 各集成化环节以不同组合方式集成在2-3块芯片上 芯片按照一定的总线时序连接 计算机根据实际应用协调管理各智能传感器,智能传感器的功能,自动调零、自动调平衡、自动校准、自动标定 自动补偿、逻辑判断、信息处理 自诊断 组态功能 数据存储功能 通信功能,13.1.1 智能传感器的特点,精度高 高可靠性与高稳定性 高信噪比与高分辨率 自适应性强 性价比高,13.1.2 智能传感器的作用,（1）提高测量精度 1）多次测量求平均值：削弱随机误差的影响； 2）系统误差补偿； 3）温度补偿； 4）实现线性化：减少非线性误差； 5）进行零点
5、调整、放大系数调整。（2）增加功能 1）历史检测数据的记忆功能； 2）数据处理功能以获得新的量值； 3）用软件的办法完成硬件功能； 4）译码功能； 5）对周期信号特征参数进行测量； 6）对诸多被测量可有记忆存储功能。（3）提高自动化程度 1）可实现误差自动补偿； 2）可实现检测程序自动化操作； 3）可实现越限自动报警和故障自动诊断； 4）可实现量程自动变换； 5）可实现自动巡回检测。,13.1. 智能传感器的现状与发展趋势,当今世界，以信息技术为代表的新一轮科技革命方兴未艾，全球信息技术发展正处于跨界融合、加速创新、深度调整的历史时期，呈现万物互联、万物智能的特征。智能传感器是万物互联的基础
6、近年来，全球传感器市场一直保持快速增长，并受到许多下游新兴应用的新增需求拉动（如消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子），智能传感器应用市场正呈现爆发式增长态势 工信部2017年11月下发智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)，2017年12月发布促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020年），重点内容是培育八项智能产品和四项核心基础，智能传感器排在核心基础的第一位，处于最基础最重要的地位 自 2011 年国家推出物联网“十二五”发展规划以来，智能传感器产业的发展步入快车道，据统计，2015年智能传感器就已取代传统传感器成为市场主流（占70%） 智能传感器的产业链包
7、括研发、设计、制造、封装、测试、软件、芯片及解决方案、系统与应用这八个环节，表现为产业链长，各环节的技术壁垒高,13.1. 智能传感器的现状与发展趋势,智能传感器的下一步重点发展方向包括： （1）通过MEMS工艺和IC平面工艺的融合，将微处理器和微传感器集成。依靠软件技术，大大提高传感器的准确性、稳定性和可靠性（工艺） （2）采用硬件软化、软件集成、虚拟现实、软测量和人工智能的方法和技术，研究开发具有拟人智能特性或功能的智能化传感器（技术） （3）向高精度、高可靠性、宽温度范围、微型化、微功耗及无源化、网络化、具有故障探测（包括自主入侵报警）和预报功能等方向发展（性能与功能） 智能传感器的重点
8、下游应用领域分别是消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子，其相应的市占有率依次递减。综合市场规模的大小以及增长速度两方面考虑，发展较快的新兴应用（如指纹识别、智能驾驶、智能机器人和智能医疗器械）将成为智能传感器市场成长的主要动力 智能传感器是技术演进的结果，满足万物互联对感知层提出的要求，预计将随着智能消费电子设备、工业物联网、车联网与自动驾驶、智慧城市、智能医疗等新产业的发展迎来快速增长。,13.2 模糊传感器,模糊传感器是在传统数据检测的基础上，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的一类智能传感器。 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
9、。 模糊传感器的“智能”：可以模拟人类感知的全过程，核心在于知识性，知识的最大特点在于其模糊性 模糊传感器由硬件和软件两部分构成,模糊传感器概述,模糊传感器是以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的测量符号信息的装置，即模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器。 将被测量值范围划分为若干个区间，利用模糊集理论判断被测量值的区间，并用区间中值或相应符号进行表示，这一过程称为模糊化。对多参数进行综合评价测试时，需要将多个被测量值的相应符号进行组合模糊判断，最终得出测量结果 信息的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的核心与基石,模糊传
10、感器的基本功能,学习：根据测量任务学习相关知识。有监督学习、无监督学习 推理联想： 一维传感器：外界信号 符号化结果 多维传感器：多个外界信号 信息融合的符号化结果 需要：知识库、推理机构 感知：感受外界信号；数值 符号转换能力 通信,模糊传感器的原理概述,模糊集合：无精确边界、逐渐过渡、体现了语言表达事物的灵活多样性 隶属度：0,1 0,1 语言标识：与多个模糊集合对应。如“大”、“中”、“小”等。 隶属函数：确定某数值对于某模糊集合的隶属度 模糊规则：通常为if.then.规则。如“if x是A，then x是B” 模糊推理：计算兼容度、计算激励强度、求定性隶属函数、求总隶属函数 模糊推理
11、系统：模糊器、规则库、推理器和反模糊器,（1） 计算兼容度。把已知事实与模糊规则的前提进行比较，求出相对于每一前提隶属函数的兼容度； （2） 求激励强度。用模糊和AND或OR算子，把相对于前提隶属函数的兼容度结合起来，形成激励强度，它说明规则前提部分满足的程度； （3） 求定性（演绎）结果隶属函数。把激励强度施加于规则的结果隶属函数，以产生一个定性结果隶属函数（该隶属函数代表了激励强度如何传递并用在模糊隐含语句中）； （4） 求总输出隶属函数。把所有定性结果隶属函数集结， 获得总的输出隶属函数。,多级映射,采用自然语言描述被测量，通常只能使用较少概念表示（如： 用九级语言变量表示温度：非常非常
12、热、非常热、 热、有点热、不热不冷、有点冷、冷、非常冷、非常非常冷），显然，与数值测量无限可分比较，用自然语言变量描述的细致程度不够。例如：温度测量范围为01000， 采用九级概念划分表示的话， 可分辨的区间温度范围是125；另外，在有些情况下，传感器需要同时能够实现符号输出和进行非线性校正后直读的数值测量输出，因此需要采用多级映射原理去描述被测量。 如果第一级的映射描述细致程度不够,可以第二次映射，得到第二级映射的符号结果。如果需要的话，可以进行第三级映射，得到第三次映射符号结果。重复上述过程，直到得到合适的符号表示结果为止。,应用举例 - 模糊洗衣机,模糊控制技术在家用电器中得到了广泛的应
13、用，形成了模糊家电系列产品。 揉入人们对家电使用的先验知识，根据人的经验建立操作模式，在电脑的控制下可模仿人的思维进行判断的家用电器，可以说是人和电器的结合体。一个模糊家电就象是一个普通家电和一个熟练操作员的结合体，这样用户对家电的操作会更加简单高效。 通常决定洗涤效果的主要因素为：衣服的种类、水的温度、洗涤剂、和机械力。 模糊洗衣机中具有检测各种状态的传感器，主要有负载量传感器、水位传感器、水温传感器、布质传感器、洗涤粉传感器。 首先将从各种传感器中得到的数据按照数值的不同分成各种不同的档次，如水温分高、中、底，衣服分少、一般、多等档次，数据所分的档次越多，洗涤的精度越好，但是就会增加推理规
14、则。然后把这些不同的档次作为输入量送入模糊控制推理器中，根据推理规则来决定洗涤时间和水流强度。推理规则就是把人洗衣服的模糊经验数字化。例如如果负载小，洗涤化纤衣服，且水温高，人们就会用小的力量，洗涤短时间。,13.3 微传感器,完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统 其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 MEMS系统的突出特点是其微型化，涉及电子、机械、材料、制造、控制、物理、化学、生物等多学科技术，其中大量应用的各种材料的特
15、性和加工制作方法在微米或纳米尺度下具有特殊性（“微纳传感器”） MEMS传感器的优良性能和优越的性价比使其在国防、汽车、航空航天、分析化学、生物、医疗、智能手机、可穿戴设备等方面得到广泛应用，将取代传统的传感器而占有很大的市场份额 MEMS传感器作为国际竞争战略的重要标志性产业，以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国的关注,MEMS芯片测控系统结构,MEMS器件制造中的四种主流技术,超精密加工及特种加工 表面/体微加工 LIGA技术 光刻 电铸 塑铸,常用微加工工艺及设备,微传感器的特点,空间占有率小 灵敏度高，响应速度快 便于集成化和多功能化 可靠性提高 消耗电力小，节省资源和能量
16、价格低廉,微传感器的发展现状,国外MEMS技术的发展已经有30余年的历史,形成3种类型的生产规模:大型企业年产100万只以上；中等规模年产在1万100万只；一些研究所年产1万只以下。美国在2cm2cm0.15cm的体积内，制造了由3个陀螺和3个加速度计组成的微型惯性导航系统。该系统的质量为5g，体积与小型惯性导航系统相比大为减小近年来，国内MEMS工艺和新型传感器的研究不断深入和扩展，开发成功并形成产品的是压力传感器、加速度传感器、微型陀螺以及各种微执行器、微电极、微流量计、军用微传感器。工艺设备国内大部分依靠进口，投资和运行成本比较高 2017年，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）开发出一款用
17、于测量温度的可进行生物降解的微型生物传感器“食联网”。这种传感器只有16微米厚，比人类头发（100微米）要薄许多，且只有几毫米的长度，总重量不超过1毫克。 作为微传感器的最新发展方向之一，纳米传感器正在兴起（1纳米是1米的10亿分之一，相当于一根头发直径的8万分之一）。据推测，人类社会即将进入“后硅器时代”,纳米传感器将成为主流,13.4 网络传感器,网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据就近登陆网络，在网络覆盖范围内实时发布和共享 简单地说，网络传感器就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器 网络传感器的开发使测控系统主动进行信息处理以及远距离
18、实时在线测量成为可能 国内对于网络传感器的开发处于起步阶段，将成为今后研究的热点，尤其值得关注基于窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）的网络传感器的发展。NB-IoT建于蜂窝网络之上，占用大约180KHz带宽，可直接部署于现有GSM网络、UMTS网络或LTE网络中，以降低部署成本、实现平滑升级，已成为万物互联网络的一个重要分支，正在开启一个前所未有的广阔市场,网络传感器基本结构,13.4.5 网络传感器的应用,分布式测控：将网络传感器布置在测控现场，处于控制网络中的最低级，其采集到的信息传输到控制网络中的分布智能节点，由它处理，然后传感器数据散发到网络中。网络中其他节点利用信息做出适当的决策，如操作执行器、执行算法 嵌入式网络：如果能够将嵌入式系统连接到因特网上，可方便、低廉地将信息传送到任何需要的地方。嵌入式网络的主要优点：不需要专用的通信线路；速度快；协议是公开的，适用于任何一种WEB浏览器；信息反映的形式是多样化的等,
