第十三章智能传感器与检测技术的发展详解

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第十三章智能传感器与检测技术的发展13.1智能传感器13.2检测技术的新技术发展第一节智能传感器一、智能传感器概述国际电气电子工程师学会（IEEE）的定义：除产生一个被测量或被控量的正确表示之外还同时具有简化换能器的综合信息用于网络环境的功能的传感器1．智能传感器的功能先看一个智能传感器的例子（工作原理）红外传感器将被检测目标的温度转为电信号，A／D后输入单片机温度传感器将环境温度转换为电信号，经A／D变换后输入单片机单片机中存放有红外传感器的非线性校正数据；红外传感器检测的数据经单片机计算处理，消除非线性误差后，可获得被测目标的温度特性与环境温度的关系；供记录、显示、存储备用。1．智能传感器的功能从功能上，智能传感器是具备了记忆、分析和思考能力，输出期望值的传感器。1）能提供更全面、更真实的信息，消除异常值、例外值。2）具有信号处理包括温度补偿、线性化等功能。3）随机调整和自适应。4）一定程度的存储、识别和自诊断。5）含有特定算法并可根据需要改变算法。这种传感器不仅在物理层面上检测信号，而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、存储和通信。相当于具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能。所以称之为智能传感器。2．智能传感器的层次结构理想智能传感器的层次结构应是三层：①底层，分布并行传感过程，实现被测信号的收集。②中间层，将收集到的信号融合或集成，实现信息处理。③顶层，中央集中抽象过程，实现融合或集成后的信息的知识处理。3．智能传感器的实现有3条不同的途径：①利用计算机合成方式，称作计算型智能。②利用特殊功能的材料，称作智能材料型。③利用功能化几何结构，称作智能结构型。二、计算型智能传感器1．计算型智能传感器构成方式1）非集成化方式：非集成化传感器是把基本传感器、信号处理电路和带数字总线接口的微处理器相隔一定距离组合在一起，构成智能传感器系统。此类智能传感器系统实现方式方便快捷，熟悉自动化仪表与嵌入式系统设计的人都能入手。2）集成化方式：集成化方式是采用微型计算机技术和大规模集成电路工艺，把传感元件、信号处理电路、微处理器集成在一个硅材料芯片上制成独立的智能传感器功能块。作为商品已有多种集成化智能传感器，如单片智能压力传感器和智能温度传感器等。3）混合集成方式：混合集成方式是将智能传感器的传感元件、信号处理电路、微处理器等各个部分以不同的组合方式分别集成在几个芯片上。然后封装在同一个外壳里。典型的数字信号处理硬件：（1）微控制器MCU（2）数字信号处理器DSP（3）专用集成电路ASIC（4）场编程逻辑门阵列FPGA（5）微型计算机2．计算型智能传感器基本结构计算型智能传感器基本结构图三、生物传感器1．生物传感器的定义与发展第一代生物传感器为血糖测试用酵素电极。第二代的生物传感器定义为使用抗体或受体蛋白当分子识别组件，换能器的选用则朝向更为多样化，诸如场效半导体(FET)，光纤(FOS)，压晶体管(PZ)，表面声波器(SAW)等。第三代的生物传感器定位在更具携带式，自动化，与实时测定功能。2．生物传感器的分类（1）生物亲和性传感器当固定生物组件与待测定之分析物发生亲和性结合时，造成生物分子形状改变与/或引起诸如荷电、厚度、质量、热量或光学等物理量的变化。此种经由分子辨认─结合类型的生物传感器有免疫传感器、化学受体传感器等，其分析可为荷尔蒙、蛋白质、醣类、抗原或抗体，而相对应的受体可为荷尔蒙受体、染剂、外源凝集素(lectins)、抗体或抗原等。（2）生物催化型感应器此类传感器之信号侦测并不在于分子辨认─结合的阶段，而且当固定划分子与待测物反应后，产生生化代谢物质，再经特定电极侦测特定代谢物后以电子讯号表现出来。最为人所熟悉的为属第一代生物传感器的酵素电极。3．生物传感器的主要应用（1）发酵工业（2）食品工业（3）医学领域（4）环境监测4．生物传感器的未来发展（1）功能全微型化（2）智能化（3）生物传感器发展的条件四、其他类型智能传感器1．特殊材料型智能传感器2．几何结构型智能传感器五、智能传感器实例1．智能压力传感器2．气象参数测试仪3．汽车制动性能检测仪第二节检测技术的新技术发展一、检测技术的发展趋势发展变化包括；①组传感器的复合检测技术②微机械量检测技术③智能传感器技术和智能仪表④计算机多媒体化的虚拟仪表⑤传感器、变送器和调节器的网络化。1．检测领域新技术及其相互关系1）软测量2）在测量缺乏明确模型、内部作用机理非常复杂3）虚拟仪器4）新材料、新传感器件2．基于新技术的检测仪器的特点1）新型传感元件的研制2）新的测量方法和它在微处理器硬件和软件平台上的实现3）新型自动测量单元，是系统往往采用多传感器技术二、检测新技术简介1．软测量技术（1）软测量的概念软测量是指利用一些容易测得的过程参数或物理参数，借助于测量模型，由程序或神经元网络计算出难以直接测量的过程参数。（2）软测量中传感器的模型传感器模型可分为动态模型和静态模型动态模型要用一组微分方程表达；静态模型是系统输入输出在稳态时的关系（3）软测量的应用举例对于气固两相流中的固体粒子的质量流量，很难用—个传感器直接测得，这时可以利用管道上的压力传感器、温度传感器、测量内部摩擦噪声的声音传感器，以及管道上其他的受该两相流体的湿度、密度、粒子分布影响的接触或非接触式传感器的输出，将这些传感器信号进行适当的处理（如滤波预处理），送入通过实验回归得到的测量公式，或送入通过训练得到的含有神经元网络的运算单元，从而估算管道中实时的质量流量。2．虚拟仪器技术（1）虚拟仪器的概念虚拟仪器（VirtualInstruments）是以通用计算机及丰富的信号处理模块库、通用的数据采集和总线接口模块库为平台，集完整的测量、控制功能为一体的，具有完整的人机使用界面的计算机测量与控制仪器系统。（2）虚拟仪器的编程语言编程语言是虚拟仪器的最重要的部分，程序设计语言主要有两种：一种是文本式编程语言（如VisualC++、LabWindow/CVl）：一种是图形化编程语言（如LabVIEW）。LabVIEW编程类似于使用Matlab中的Simulink，编写程序就是选用适当的模块，并将它们连线，所以特别易于使用。（3）虚拟仪器的应用举例虚拟仪器易于设计和使用，但软件成本、数据采集卡设备价格相对较高，所以虚拟仪器一般用于实验中的测控系统的设计。就是工程研究设计人员以此为设计平台，快速地实现在线的测控方案，而考察该测量方案的可行性或测量出被测对象的有关参数。3．模糊传感器技术（1）模糊传感器的概念模糊传感器是一种以模糊逻辑和模糊知识库为核心的、难以用精确方法测量的复杂参数或状态的模糊估计系统。模糊传感器或测量系统一般由多个常规的传感器及模糊处理系统构成。（2）模糊传感器的关键技术传感器组提供有关被测对象的一系列参数信息，这些信息以模拟量的形式为模糊测量系统的微处理器系统采集，然后使用知识库提供的有关模糊量的隶属度函数，将这些采集的精确参量转变成相应的模糊参量。判断逻辑的功能是将这些模糊信息和知识库中的模糊推理规则相比较，得到模糊推理的结果，即被测参数或状态的模糊测量结果，然后再按着知识库中的该模糊变量的隶属度函数，将这个模糊测量结果反模糊化，而得到精确形式下的测量结果。其中的知识库起着至关重要的作用，它是一系列有关被测对象的模糊化形式的专家经验，通常以规则或图表的形式加以表达。（3）模糊传感器的应用举例模糊测量系统可以用于精馏塔塔况的在线诊断。精馏塔塔况的判断对于精馏塔的合理操作具有重要的安全和经济意义。但精馏塔塔况是一个复杂的信息，受许多因素影响，本身具有内在的不确定性，只能通过对可以测量的信息按人的经验和己知的知识处理，最后得到实用的模糊的测量结果。将精馏塔各部分的温度、压力、料位、成分量等信息用传感器测量出来，送入精馏塔塔况模糊测量系统，测量结合原有的模糊推理规则、模糊专家知识库、精馏塔历史数据库测量，来获得尽可能准确的关于精馏塔实时的炉况信息，用以指导精馏塔的操作和有关的控制三、传感器网络技术1．传感器网络的基本知识分布式数据采集系统组成的传感器网络（1）传感器网络的作用传感器网络可以实施远程采集数据，并进行分类存储和应用。传感器网络上的多个用户可同时对同一过程进行监控。区别不同的时空条件和仪器仪表、传感器的类别特征，测出临界值，作出不同的特征响应，完成各种形式、各种要求的任务。（2）传感器网络的结构主从结构传感器网络传感器网络组成的智能传感器数量巨大的传感器加入Internet互联网络2．多传感器数据融合技术（1）多传感器数据融合的概念多传感器数据融合的形式与信息的种类有关。信息可分为冗余信息、互补信息和协同信息。（2）多传感器数据融合的结构传感器数据融合的结构可分为并行结构、串行结构以及混合结构。依据具体的测量、观测原理，复杂观测问题的数据融合一般有3个层次：像素级融合、特征级融合和决策级融合。（3）多传感器数据融合的应用举例石化厂的大型气体压缩机的状态诊断就是一种多传感器数据融合的技术。3．无线网络传感器技术（1）传感器网络的构成无线传感器网络是由许多传感器节点协同组织起来的。传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过无线网络、采用特定的协议自组织起来，从而形成了由传感器节点组成的网络系统，以实现能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务的功能。（2）传感器网络的应用①军事侦察：采集尽可能多的有关敌方部队的移动、布防和其他相关信息；②危险品监测：监测化学物品、生物物品、放射性物品、核物品和爆炸性物品等；③环境监测：检测平原、森林和海洋的环境变化情况；④交通监控监控：高速公路的交通状况和城市交通的拥堵情况；⑤公共安全：提供购物中心、停车场和其他公共设施的安全监测；⑥车位管理：实现停车场车位检测和管理。四、基于检测新技术的智能系统1．智能调节阀系统的概念智能调节阀系统是以调节阀为主体，并把许多部件组装在一起的一体化结构。它是集常规仪表的检测、控制、执行、调节等作用于一身，具有智能化的控制、显示、诊断、保护和通讯功能的系统。智能调节阀系统包含如下几个部分：①带有微处理器及智能控制软件的控制器；②用于提供各种参数变化信号的传感器；③信号变换器与I／0及通讯接口；④执行机构和阀。智能调节阀系统LTP1P2P4P3转换定位器嵌入式微处理器及软件选择被控参数-----差压压力温度流量阀位存储器存储配置信息与整定信息电源过程控制器/集散控制系统（用于设定给定值或控制）上位计算机（用于整定/组态/诊断/数据采集）气源阀后压力阀前压力阀前温度阀位阀和执行机构输入输出输入输出数字量模拟量现场指示器4-20mARS-4852．智能调节阀系统的智能（1）控制智能（2）通信智能（3）诊断智能（4）保护智能作业与思考题1．智能传感器的结构和工作方式有哪些？2．计算型智能传感器的种类有哪些，简要各自的主要特点。3．哪些传感器中应用了高分子材料？4．生物传感器的信号转换方式有哪些？5．生物传感器的种类有哪些，简要说明其工作原理。6．例举用半导体材料制成的传感器？7．请你举出一个智能式传感器的实例，画图并说明其工作原理。8．传感器网络有哪些种类？9．说说目前比较先进的传感器前沿技术有哪些？10．设计一个利用虚拟仪器技术测量电流、电压、功率，并监视其波形的方案。