【正文】 167。4．強(qiáng)的自適應(yīng)性由于智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況、與高/上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送數(shù)率。因此，有多項(xiàng)功能保證了智能傳感器的高可靠性與高穩(wěn)定性。如：通過自動(dòng)校零去除零點(diǎn)；與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比以自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定；自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理以消除偶然誤差的影??；……從而保證了智能傳感器有高的精度。根據(jù)需要和可能，將系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)分別集成化，以不同的組成方式集成在多塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)，把各個(gè)組成部分集成在一個(gè)芯片上。是最快捷的途徑和方式。四、 智能傳感器的組成1．原理圖2．功能簡(jiǎn)圖3．可能的結(jié)構(gòu)方案4．實(shí)現(xiàn)的途徑1)非集成實(shí)現(xiàn)。還具有多維檢測(cè)、特征檢測(cè)、圖像顯示、圖像識(shí)別等功能，具有分析記憶、模式識(shí)別、自學(xué)習(xí)甚至思維能力。增加了自我診斷、自我校正等自我調(diào)節(jié)功能，具有就地處理、適應(yīng)環(huán)境的能力。僅具有改善非線性誤差、消除噪聲影響、提高精度的功能。根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展，將傳感器智能化按其功能分成以下幾個(gè)階段。二、 智能傳感器的發(fā)展階段智能化傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(若光計(jì)算機(jī)問世，則轉(zhuǎn)換成光信號(hào))，記憶并序儲(chǔ)所需數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和作統(tǒng)計(jì)處理，再變換成需要的數(shù)據(jù)形式輸出，得到有用的信息。需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”；另一種是指?jìng)鞲衅髂軌蚺湮⑻幚砥?。智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起。第5章 智能傳感器167。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為規(guī)則信號(hào)，并已知其周期時(shí)，可采用同步迭加平均法(或稱同步加算平均法)將埋沒在干擾中的被測(cè)信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。當(dāng)φ=0時(shí)，輸出為最大。當(dāng)被測(cè)信號(hào)夾雜并淹沒在干擾信號(hào)中時(shí)，如果已知被測(cè)信號(hào)的頻率或周期，則可采用最簡(jiǎn)單最有效的同步檢波法來(lái)選擇信號(hào)。例如，莫爾條紋信號(hào)的調(diào)制，可消除溫度等低頻干擾的影響。例如，在傳感器上裝防振橡膠，可消除機(jī)械振動(dòng)噪聲對(duì)傳感器的影響，這里的防振橡膠就是機(jī)械式濾波器。四、濾波方式它是利用被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)在頻率域內(nèi)的差別，即它們的頻率范圍不同，對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇的一種方式。設(shè)x1為被測(cè)量，其變量為?x1，x2為其他變量(即干擾量)，其變量為?x2，則被測(cè)量和干擾變量共同作用的函數(shù)為f(x1+?x1,x2+?x2)，只有干擾變量作用的函數(shù)為f(x1,x2+?x2)。二、補(bǔ)償方式它是利用被測(cè)量和干擾變量共同作用的函數(shù)量和只有干擾變量作用的函數(shù)是之差或之比來(lái)消除干擾變量影響的一種方式。并將熱電偶插入保護(hù)管內(nèi)，避免由于環(huán)境條件和周圍氣氛影響，使材料成分隨時(shí)間變化為零。一、固定方式它是把被測(cè)量x1以外的變量固定為定值，或采用控制方法使其為定值。因此，為了得到輸出與被測(cè)量一一對(duì)應(yīng)，在傳感器設(shè)計(jì)中，應(yīng)以結(jié)構(gòu)形式使其對(duì)信號(hào)具有選擇機(jī)能。例如用熱電偶測(cè)溫，設(shè)被測(cè)溫度為x1，基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度為x2，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為y1，兩種材料純度為uu2，它們隨時(shí)間變化量分別為du1/dt、du2/dt，可見xdu1/dt、du2/dt等都對(duì)熱電偶變換精度有所影響。設(shè)傳感器的輸入變量為：xx…、xn；傳感器內(nèi)部變量為uu…、ur；傳感器的輸變量為yy…、ym，則傳感器的輸入變量與輸出變量之間關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：yi=fix1,x2,?,xn,u1,u2,?,ur式中i＝1，2，m。3傳感器對(duì)信號(hào)的選擇傳感器的基本機(jī)能是采集與變換被測(cè)信號(hào)。為了獲得一定的輸出電信號(hào)值，要求傳感器必須具有較高的靈敏度。為減小其負(fù)荷效應(yīng)，要求傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的能量授受越小越好。二、傳感器與流體被測(cè)對(duì)象的聯(lián)接利用傳感器測(cè)量流體的某些參數(shù)(如流速、溫度、流量、濃度等)時(shí)，傳感器必須安裝在盛有流體的容器里或有流體流動(dòng)的管道上。接觸型與非接觸型聯(lián)接方式的比較列于表中。后一種方法的傳感器有超聲波探頭、核輻射探測(cè)器、某些光纖傳感器、電容式傳感器、電渦流式傳感器等。2．非接觸型如果被測(cè)對(duì)象是高溫或高速回轉(zhuǎn)的物體，或操作時(shí)具有危險(xiǎn)性，或被測(cè)對(duì)象很小，傳感器無(wú)法安裝，或負(fù)荷效應(yīng)較大又不易補(bǔ)償?shù)仍颍箓鞲衅鞑荒芘c被測(cè)對(duì)象相接觸，為此采用非接觸聯(lián)接方式。否則必須采取一定措施予以補(bǔ)償。接觸型的聯(lián)接使被測(cè)對(duì)象承受傳感器給予的負(fù)荷，其結(jié)果是使被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)或特性不可避免地發(fā)生或多改少的變化(即負(fù)荷效應(yīng))，難以得到精確的測(cè)量結(jié)果。167。綜合上述傳感器的各種構(gòu)成方法及它們的組合，則可利用有限的敏感元件(包活轉(zhuǎn)換元件)設(shè)計(jì)出多種性能的傳感器，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的測(cè)量。其例子有差動(dòng)電容力平衡式加速度傳感器、熱線熱反饋式流速傳感器等。其特點(diǎn)是傳感器的敏感元件(或轉(zhuǎn)換元件)同時(shí)用作反饋元件，使傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，因此亦稱為平衡式傳感器，如圖 (h)所示。當(dāng)用壓電元件測(cè)量壓力時(shí)，如果其加速度效應(yīng)的影響不可忽略，則需采用兩個(gè)壓電元件反極性安裝構(gòu)成差動(dòng)型，以補(bǔ)償加速度的影響，同時(shí)提高了傳感器的靈敏度，但它屬于能量變換型傳感器。五、差動(dòng)結(jié)構(gòu)型為了提高傳感器的靈敏度和線性度，減小或消除環(huán)境等因素的影響，傳感器常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，即用兩個(gè)性能完全相同的敏感元件同時(shí)感受相同的環(huán)境量和方向相反的被測(cè)量，如圖(g)所示。又如，電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)成參比補(bǔ)償型時(shí)，則將其兩個(gè)(或兩個(gè)以上)敏感元件(一個(gè)為工作片，另一個(gè)為補(bǔ)償片)同時(shí)接到電橋電路的相鄰兩臂，就能對(duì)溫度、電源電壓等變化的影響起到補(bǔ)償或消除作用。四、參比補(bǔ)償型為了消除環(huán)境條件變化(如溫度變化，電源電壓波動(dòng)等)的影響，傳感器采用兩個(gè)性能完全相同的敏感元件，如圖(f)所示，其中一個(gè)敏感元件感受被測(cè)量和環(huán)境條件量，另一個(gè)只感受環(huán)境條件量而作為補(bǔ)償用，以達(dá)到消除或減小環(huán)境干擾的影響，這種組合形式稱為參比補(bǔ)償型。前者例子有壓電式加速度傳感器、L氨基酸酶?jìng)鞲衅鞯??？衫玫闹虚g變換物理量是指那些容易轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的物理量，見表。例如利用彈性體作為力、壓力等敏感元件，再通過應(yīng)變片和電橋輸出電信號(hào)，就能測(cè)量出壓電元件所不能測(cè)出的小壓力。電路參數(shù)型傳感器有電阻應(yīng)變式、電感位移式、電渦流位移式、電容位移式等傳感器以及氣敏電阻、濕敏電沮、光敏電阻、熱敏電阻等傳感器。其特點(diǎn)是：敏感元件對(duì)輸入非電信號(hào)進(jìn)行阻抗變換；電源向包含有敏感元件的轉(zhuǎn)換電路提供能量，從而輸出電壓或電流，因此屬于能量控制(或稱調(diào)制)型傳感器；輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量。能量控制基本型的特點(diǎn)是：需外加電源；輸出能量可大于被測(cè)對(duì)象所輸人的能量。3．能量控制基本型如圖所示，能量控制基本型也只由敏感元件構(gòu)成，但需用外加電源才能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電壓等電量輸出。所采用的電源或磁場(chǎng)稱為輔助能源或偏壓源，如圖所示。因此屬于能量變換型的傳感器，也稱為無(wú)源型傳感器；它是利用熱平衡或傳輸現(xiàn)象中的一次效應(yīng)構(gòu)成的，由于一次效應(yīng)存在逆效應(yīng)，當(dāng)敏感元件輸入信號(hào)時(shí)，其輸出將產(chǎn)生逆效應(yīng)而影響輸入，對(duì)此對(duì)被測(cè)對(duì)象有負(fù)荷效應(yīng)；輸出端所輸出的能量不可能大于被測(cè)對(duì)象的能量。典型例子有基于熱電效應(yīng)的熱電偶、基于光生伏特效應(yīng)的光電池、基于壓電效應(yīng)的壓電式力傳感器和固體電解質(zhì)氣體傳感器等。1．能量變換基本型如圖所示，它是只有敏感元件的最簡(jiǎn)單形式的傳感器。一、基本型基本型是一種只用敏感元件構(gòu)成的傳感器。但為了滿足各種參數(shù)的檢測(cè)，除了需要研制新型敏感元件，增加元件品種以及改善其性能外，還需用正確的構(gòu)成傳感器的方法，即用敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路之間的不同組合方法，去達(dá)到檢測(cè)各種參數(shù)的目的。因此，把轉(zhuǎn)換電路作為傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。目前，由于空間的限制或技術(shù)等原因，轉(zhuǎn)換電路一般不和敏感元件、轉(zhuǎn)換元件裝在一個(gè)殼體內(nèi)，而是裝入電箱中。還有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組戊，如電容式位移傳感器。有些傳感器只有敏感元件，如熱電偶，它感受被測(cè)溫差時(shí)直接輸出電動(dòng)勢(shì)。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量，如位移、應(yīng)變、應(yīng)力、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)換為電學(xué)量(包括電路參數(shù)量、電壓、電流等)。1 傳感器的構(gòu)成方法當(dāng)前，由于電子技術(shù)、微電子技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使電學(xué)量最具有便于處理、便于測(cè)量等特點(diǎn)，因此傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成，輸出為學(xué)量。不同的傳感器對(duì)測(cè)量的影響是不同的，但只要傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象影響越小，負(fù)載對(duì)傳感器輸出的影響越小，就可實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。那么傳輸?shù)臒崃鲗⑹贡粶y(cè)物體的溫度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤差。三、能量變換與誤差傳感器從被測(cè)對(duì)象索取能量進(jìn)行變換時(shí)，在某種程度上傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤差。這時(shí)，傳感器輸入端的示強(qiáng)變量為被測(cè)壓力P，示容變量是由膜片變形而產(chǎn)生的腔的體積變化dV，而與輸入端相對(duì)應(yīng)的輸出端的示強(qiáng)變量和示容變量是電壓dU和電流I，如圖(b)所示，因此由被測(cè)對(duì)象施加于傳感器的能量為氣體力學(xué)能量PdV，傳感器輸出的能量是由外加電源供給并受被測(cè)壓力控制的電能IdU。兩者均為示強(qiáng)變量，且一一對(duì)應(yīng)，而輸入端的熱流與輸出端的電流則是示容變量，如圖中(b)所示，因此熱電偶就是將熱流與溫度差的組合轉(zhuǎn)換成電流與電壓的組合，這時(shí)由被測(cè)對(duì)象施加于熱電偶的能量是熱能，熱電偶輸出的能量是電能，熱電偶在變換信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行了能量變換。如果將傳感器輸人端的被測(cè)量和輸出端的輸出量用示容變量和示強(qiáng)變量表示，如圖中(a)所示，那么傳感器就是將示容變量與示強(qiáng)變量由一種組合轉(zhuǎn)換成另一種組合。二、傳感器能量變換示容變量與示強(qiáng)變量組合之積是與某一種能量相對(duì)應(yīng)的。所謂示容變量(或稱流通變量)是表示能容納多少的量或表示物質(zhì)形態(tài)的量，例如長(zhǎng)度、面積、體積、質(zhì)量、位移、速度、電荷等都是與空間的分布成比例，也即容納多少的量，因此叫示客變量。(2)對(duì)反映某一信息的各種信號(hào)，在不同的環(huán)境條件下，尋求最佳的信號(hào)拾取、變換等方法和手段，尋求最佳傳感器。三、傳感技術(shù)的廣義內(nèi)容從信息科學(xué)的角度，傳感技術(shù)的廣義內(nèi)容應(yīng)該是：(1)發(fā)現(xiàn)與各種自然信息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)表現(xiàn)形式，以及信息與這些信號(hào)之間的定性、定量關(guān)系，以開辟新的傳感技術(shù)領(lǐng)域。信息轉(zhuǎn)換效率η可由下式確定η=I0Ii式中 I0——傳感器的輸出信息 Ii——傳感器的輸入信息。所以，傳感器的能量變換效率不但不重要，而且，為了不致影響被測(cè)對(duì)象的本來(lái)狀態(tài)，要求從被測(cè)對(duì)象上獲取的能量越小越好。(能量控制型)上述兩種情況說(shuō)明，傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的信息授受中總是伴隨著能量的授受。例如，采用一般光電式傳感器測(cè)量物體的位置，它是利用傳感器發(fā)出的光照射被測(cè)物體，根據(jù)被測(cè)物休的反射光量的變化便可測(cè)出物體的位置。例如，應(yīng)用熱電偶測(cè)量溫度，將熱電偶與被測(cè)對(duì)象接觸，這時(shí)熱量便從被測(cè)對(duì)象傳向熱電偶，直至熱平衡，熱電偶得到與被測(cè)溫度有關(guān)的熱量并將它轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量電路，最后顯示出溫度值。傳感器所轉(zhuǎn)換的被測(cè)量往往是所傳遞信息中的一種參量。又如，某人身體不適，醫(yī)生認(rèn)為他病了，還必須通過測(cè)量其體溫、血壓，檢查心肺，進(jìn)行各種化驗(yàn)等檢查手段來(lái)判斷他患病這一信息的可靠性及準(zhǔn)確量值，即確定息何種疾病及病情輕重程度。二、 傳感器傳遞的信息與能量的關(guān)系在生產(chǎn)和科學(xué)研究的計(jì)量與測(cè)試中，對(duì)被測(cè)對(duì)象不僅要求作出定性的評(píng)價(jià)，而且要求對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行定量的描述。這時(shí)，傳感器并非獲取被測(cè)對(duì)象的能量，而是獲取經(jīng)被測(cè)對(duì)象信色調(diào)制的外加能源的能量。這種情況下，表面上能量流的方向與信息傳遞的方向是不一致的，有時(shí)是相對(duì)的，但實(shí)際上由外加電源通過轉(zhuǎn)換電路供給的能量并不載有信息，僅用于激勵(lì)無(wú)源對(duì)象，這時(shí)進(jìn)入傳感器的信息并不取決于用來(lái)激勵(lì)(“照射”)被測(cè)對(duì)象的外加全部能量流，而僅取決于在被測(cè)對(duì)象發(fā)生變化時(shí)所引起的能量流的變化量，例如用雷達(dá)測(cè)量飛行目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到飛行目標(biāo)將反射，即外加能量流與信息是面對(duì)面相迎的，但發(fā)射的電磁波(外加的能量流)并不載有飛行目標(biāo)(信息)，僅用于“照射”飛行目標(biāo)，至于飛行目標(biāo)的信息則是由飛行目標(biāo)反射回來(lái)的弱電磁波所運(yùn)載，雷達(dá)(傳感器)所接收到的是飛行目標(biāo)所引起的能量流的變化量，而飛行目標(biāo)的反射能力(即被測(cè)量)決定了反射電磁波能量與雷達(dá)發(fā)射電磁波能量之比。當(dāng)測(cè)量某些表征能量值的參數(shù)，如力、壓力、溫度等時(shí)，傳感器(如壓電式傳感器、熱電偶)從被測(cè)對(duì)象直接獲取能量，這時(shí)能量流的方向是與信息傳遞的方向一致。也就是測(cè)量對(duì)象應(yīng)具有足夠的負(fù)熵，才能將所需的能量輸至傳感器。被傳送的信息的量并不取決于其能量的絕對(duì)值，而是取決于其能量與其他能量流(為干擾)的比值。其中，信息是系統(tǒng)傳輸和處理的對(duì)象，它載荷于數(shù)據(jù)、信號(hào)之中，并由經(jīng)過整理的有一定規(guī)則的能量流傳輸。負(fù)熵是系統(tǒng)規(guī)則性的量度，它反映了系統(tǒng)作功的能力或包含信息的能力。因此，信息無(wú)規(guī)則狀態(tài)是概率最大的狀態(tài)，而高度規(guī)則性的狀態(tài)卻是小概率的。那些無(wú)規(guī)則的隨機(jī)性的物質(zhì)和能量是沒有確定性可言，也就不可能攜帶信息。(2)信息是載荷于能量流傳輸?shù)?3)信息在傳輸過程中要消耗能量，維持信息傳輸必須供給能量(4)信息傳輸?shù)姆较蚺c攜帶信息的能量流方向是一致的(5)測(cè)量過程中，被測(cè)對(duì)象應(yīng)具有足夠的負(fù)熵，才能保證有效測(cè)量信息在傳