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