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第13章 新型传感器 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。 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。 智能传感器的初级阶段：数据处理层次的低级智能，已具有自补偿、自诊断、自学习、数据处理、存储记忆、双向通信、数字输出等功能。 自能传感器的最高目标：接近或达到人类的智能水平，能够像人一样通过在实践中不断改进和完善，实现最佳测量方案，得到最理想的测量结果。 智能传感器由传感单元、微处理器和信号处理电路等装在同一壳体内组成，输出方式常采用RS-232或RS-422等串行输出，或采用IEEE-288标准总馅饼行输出。▲▲ 智能传感器基本结构 13.1.1 智能传感器的特点 精度高：智能传感器可通过自动校零去除零点误差；与标准参考基准适实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响等，保证了智能传感器有较高的测量精度。 高可靠性与高稳定性:智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化引起系统特性的漂移，如：温度变化引起的零点漂移和灵敏度漂移；当被测参数变化后能自动改变量程；实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集数据的合理性，并给出异常情况的处理（报警或故障提示）。 高信噪比与高分辨率：由于智能传感器具有数据存储、记忆和信息处理功能，通过软件进行数字滤波、数据分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，从而将有用信号提起出来；通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分析能力，故智能传感器具有很高的信噪比与分辨率。 自适应性强：由于传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况、优化与上位计算机的数据传送速率，并保证系统工作在最佳低功耗状态，表现出良好的自适应性。 性能价格比高：智能传感器所具有的上述高性能，不像传统传感器技术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计与调试来获得，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用低价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的，所以一般具有高性能价格比。 13.1.2 智能传感器的作用 （1）提高测量精度　 1）利用微型计算机进行多次测量和求平均值的办法可削弱随机误差的影响； 2）利用微型计算机进行系统误差补偿； 3）利用辅助温度传感器和微型计算机进行温度补偿； 4）利用微型计算机实现线性化，可以减少非线性误差； 5）利用微型计算机进行测量前的零点调整、放大系数调整和工作中周期调整零点、放大系数。 （2）增加功能 1）利用记忆功能获取被测量的最大值和最小值； 2）利用计算功能对原始信号进行数据处理，可获得新的量值； 3）用软件的办法完成硬件功能，经济并减小体积； 4）对数字显示可有译码功能； 5）可用微型计算机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。 13.1.3 智能传感器的设计 （1）智能压力传感器的结构设计 智能压力传感器由半导体力敏元件、放大器、转换开关、双积分A/D转换器、单片机、接口电路、IEEE-488标准接口、存储器和部分外围电路构成。 13.1.4 智能传感器的实现 （1）集成化实现 采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体材料硅作为基本材料来制作敏感元件，将信号调理电路、微处理器单元等集成在一块芯片上构成的. （2）非集成化实现 将传统传感器(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。 （3）混合实现 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几块芯片上，并装在一个外壳里。 集成化敏感单元包括弹性敏感元件及变换器；信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、A/D转换器等；微处理器单元包括数字存储（EPROM、ROM、RAM）、I/O接口、微处理器、D/A转换器等。 13.1.5 智能传感器的应用实例 （1）