智能传感器文档格式.docx
- 文档编号:15078294
- 上传时间:2022-10-27
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:221.79KB
智能传感器文档格式.docx
《智能传感器文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《智能传感器文档格式.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第三层次,智能传感器——具有创新思维能力的聪明传感器。
第三代传感器是网络传感器,其功能特征是着重于目标,动态结构,网络智能。
14.1智能传感器
目前国内外学者普遍认为,智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的,它充分利用微处理器的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。
智能传感器相对于传统传感器具有如下特点:
1•自补偿能力。
通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。
2•自校准功能。
操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。
3•自诊断功能。
接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的部件。
4•数值处理功能。
可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。
5•双向通信功能。
微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处理传
感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。
6•信息存储和记忆功能。
7•数字量输出功能。
输出数字信号,可方便地和计算机或接口总线相连。
14.1.1基本原理
传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、A/D转换等)、数据处理、数据显示以及自校、自检、自补偿等
功能,图14-1是智能传感器的原理框图。
图14-1智能传感器原理框图
微处理器是智能传感器的核心,它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。
由于微处理器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制造的难度,提高传感器的性能,降低成本。
需要指出的是,除微处理器以外,智能传感器相对于传统传感器的另一显著特征是其信号调理电路。
被测的物理量转换成相应的电信号后,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、转换,再送入计算机(微处理器)中进行处理。
智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可以分为集成式、混合式和模块式三种形式。
集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。
这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。
将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上,则构成混合式的智能/聪明传感器(HybridIntelligent/SmartSensor),目前这类结构较多。
初级的智能
传感器也可以有许多互相独立的模块组成,如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内,则费用较高,体积较大,但在目前的技术水平下,仍不失为一种实用的结构形式。
14.1.2发展趋势
智能传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学、材料科学互相结合的综合密集型技术。
目前各国科学家正在按下列技术途径开发研究:
1•利用新型材料研制基本传感器。
基本传感器是智能传感器的基础,它的制作及其性能对整个智能传感器影响甚大。
除硅材料具有优良的物理特性,能够方便地制成各种集成传感器。
此外还有功能陶瓷、石英、记忆合金等都是制作传感器的优质材料。
2•利用新的加工技术。
近年来利用微加工技术日趋成熟,可以加工高性能的微结构传感器、ASIC制作技术,也可用于制造智能传感器。
3•采用新的测量原理和方法。
谐振式传感器输出数字量,可以直接和微机及接口总线连接,不用A/D转换器。
另外,光纤传感器、化学传感器、生物传感器新型传感器,为智能传感器提供新的信息来源。
虽然智能传感器领域已有很多成功的实例,但在视觉等感知能力、形象思维以及联想记忆等方面遇到了不可克服的困难。
特别是基于知识的智能传感器,在不同环境下的自学习、自组织和自适应能力很差。
在稍微复杂一点的环境系统中,一些人类感官轻易就可完成的问题,智能传感器却无能为力。
14.2传感器网络
随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高,特别是Internet的不断普及和
Intranet在企业中日益增多,将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有必要和可能。
“智能传感器网络”概念由此而产生。
“智能传感器网络”技术致力于研究智能传感
器的网络通信功能,将传感器技术,通信技术和计算机技术融合,从而实现信息的“采集”、“传输”和“处理”真正统一和协同。
“智能传感器网络”是使智能传感器的处理单元实现网络通信协议,从而构成一个分布式“智能传感器网络”系统。
在该网络中,传感器成为一个可存取的节点,在该网络上可以对智能传感器数据、信息远程访问和对传感器功能在线编程。
可以看出,智能传感器网络的研究将对工业控制、智能建筑、远程医疗和教学等领域带来重大的影响。
它将改变传统的布线方式和信息处理技术,不仅可以节约大量现场布线,而且实现现场信息共享。
14.2.1有线传感器网络
典型的传感器网络结构如图14-2所示,主控计算机通过传感器总线控制器与传感器
总线上的多个节点通信并实现上层监控和决策功能,每个节点包含一个或多个传感器执行器以及总线接口模块,节点间的通信方式可以是对等的(Peer-to-Peer)或主从的
(Master-Slave)。
图14-2传感器网络结构示意图
智能传感器网络并非一个全新的概念,如果将网络的概念广义化,可以将智能传感
器网络的发展分为三个阶段:
1•第一代传感器网络
第一代传感器网络是由传统传感器组成的,点到点输出的测控系统,采用二线制4〜20mA电流、1〜5V电压标准,这种方式在目前工业测控领域中广泛运用。
它的最大缺点是布线复杂,抗干扰性差,以后将会被逐渐淘汰。
2•第二代传感器网络
第二代传感器网络是基于智能传感器的测控网络,信号传输方式和第一代基本相同,但随着现场采集信息量不断扩大,传感器智能化不断提高,人们逐渐认识到通信技术是智能传感器网络发展的关键因素。
其中数据通信标准RS-232、RS-422、RS-485等通信标
准的应用大大促进了智能传感器的应用。
3•第三代智能传感器网络
第三代智能传感器网络即基于现场总线(FieldBus)和智能传感器网络。
据现场总线基金会(FieldBusFoundation)的定义,现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双向的通信网络。
现场总线的不断发展和基于现场总线的智能传感器的广泛使用,使智能传感器网络进入局部测控网络阶段。
这些局部测控网络通过网关和路由器实现与Internet/Intranet网络相连。
现场总线种类很多,通信标准也多种多样,其中有几项关键技术对智能传感器网络的发展有重要意义。
控制器局域网(controlareanetwork,简称CAN),是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的,是一种有效支持分布式实时控制的串行通讯网络。
由于其具有卓越的性能和极高的可靠性,被公认为是几种最有前途的现场总线之一。
目前,国际电工委员会和现场总线基金会正致力于现场总线的通信标准的统一,但由于商业和技术两方面的原因,通信标准统一在短期内难以实现。
14.2.2无线传感器网络
无线传感器网络是由大量的、具有通信与计算能力的微小型节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的自治探测网络。
它是一种超大规模、无人值守、资源严格受限的分布式系统,采用多跳对等的通信方式,其网络拓扑结构动态变化,具有自组织、自适应等智能属性。
美国国防高级研究计划局(DARPA)
在开发“智能微尘”项目时,确定了传感器网络的概念,即传感器网络是由大量微小的、成本低廉和自我供电的设备布设而成的网络,这些设备具有传感、计算并与其他设备相互通信的功能,通过收集本地信息来获得对物理环境的综合判断。
无线传感器网络是军民两用的战略性信息系统。
在民事应用上,可用于环境科学、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化改造等各个领域。
在军事应用上,无线传感器网络的随机快速布设、自组织、环境适应性强以及容错能力使其在己方兵力与装备部署监控、战场侦察、核/生
物/化学攻击预警、电子对抗、海洋环境监测以及关键基础设施防护等领域具有广阔的应用前景,如图14-3所示。
图14-3无线传感器网络的应用
无线传感器网络与雷达、红外设备、ISR卫星等通用传感器相比,在军事应用上具有以下特点:
⑴布设快速、灵活
军用无线传感器网络通常要部署在战场或者其他有敌意的对抗环境中,采用传统的人工布设可能会带来人员伤亡。
同时,无线传感器网络节点数量很大,未来可能会达到成千上万个,这种超大规模、大区域的部署也不适合采用人工布设方式。
而无线传感器网络一方面具有自组织、自适应的特点,另一方面节点已经可以做到很小,采取加固手段后能够具有较强的抗震性。
因此,无线传感器网络的布设与雷达或红外装备的部署方式明显不同,除了人工布设外,还可以采用飞行器空投、机器人布设等方式,按照作战人员的要求,随机、快速地布设在需要长期或临时监控的地区。
节点到达地面后,能够自组织建立起动态的拓扑结构并开始工作,无需人工介入。
这种快速、灵活的布设方式保证了无线传感器网络成为一种非常灵活的侦察手段。
图14-4为无线传感器网络体系结
构图。
图14-4无线传感器网络体系结构图
⑵抵近目标探测
无线传感器网络节点体积小,功率低,不易被发现,具有较强的隐蔽性,可以在敌
方目标附近布设,尤其在传统传感器不易使用的城市作战环境中使用,作用更加突出。
而且,由于距离目标较近,可以克服环境噪声对系统性能的影响,有助于改善探测性能。
例如士兵将网络节点布设在建筑物内,从而掌握建筑物内敌方兵力和弹药的部署情况,可以使士兵在不以身涉险的同时做到有的放矢,提高了士兵的生存能力和杀伤力。
在电子对抗领域,将电子侦察节点布设在敌方目标附近,可准确地定位出那些低截获/低可探
测性目标的位置及其信息网络,为后续的网络化电子攻击提供必要的数据。
⑶网络节点数量大、多模式
无线传感器网络节点成本低廉,未来单个节点的价格有望低于1美元。
单个节点受
资源限制,功能也十分有限。
通常,磁传感器的探测距离为25m,正确识别概率小于50%;
震动传感器的探测距离为350m,正确识别概率在50%~60%之间;
声传感器的探测距离为500m,正确识别概率也是在50%~60%之间。
从这组数据中可以看出,单个节点功能有限,不能单独完成对目标的测量、识别和跟踪,这就需要布设大量的节点构成网络来协作完成对目标跟踪和精确定位。
而且,由于节点数量巨大,单个节点即使受到破坏等原因造成失效后,也不会影响
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 智能 传感器