《智能传感器系统》课件第1章.ppt

1、第1章 概述 第 1 章 概 述 1.1传感器技术发展的重要性传感器技术发展的重要性1.2智能传感器发展的历史背景智能传感器发展的历史背景1.3智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点1.4智能传感器概念与传感器系统智能传感器概念与传感器系统1.5智能传感器实现的途径智能传感器实现的途径1.6现场总线智能变送器现场总线智能变送器/传感器经典实例简介传感器经典实例简介第1章 概述 1.1 传感器技术发展的重要性传感器技术发展的重要性 （1）近几十年来传感器技术总是一个时代技术发展进步的瓶颈。传感器、执行器、计算机是组成近代自动化系统的三大环节。在工业自动化技术发展时代，传感器是瓶颈。因此，在

2、微处理器开始普及的20世纪80年代，掀起了“传感器热”，日本把传感器列为20世纪80年代10大技术之首，美国把传感器技术列为20世纪90年代22项关键技术之一，甚至有“谁掌握了传感器，谁就能掌握一个时代”的说法。第1章 概述 当今，我们正处于信息化时代，传感器技术是信息获取科学与技术的核心技术，信息获取科学与技术又是构成信息技术的三大支柱之一，是信息的源头和基础。但是传感器目前仍是信息技术发展的瓶颈，信息获取技术（传感/检测技术）大大落后于信息处理技术（计算机技术）与信息传输技术（通信、网络技术），所以传感器仍然居于推动科学技术进步发展的关键与基础的地位，是众多科学家、技术工作者攻坚的热点。第

3、1章 概述（2）传感器具有广阔的市场和强烈的社会需求。传感器的销售值反映一个国家科技发达与社会进步的程度。20世纪80年代，日本、西欧市场传感器销售值年增长率为30%40%，英国传感器销售额1990年比1980年增长24倍。近十几年来发达国家传感器的产量及市场需求年增长率平均在10%以上。这是因为它是：第1章 概述 工业生产的倍增器。通常一部高档轿车需要200300个传感器，一架飞机需要3600个传感器，一个发电站需要近万个传感器，一个钢厂需要2万个传感器 正是由于以传感器为前端的测量仪器系统保证了庞大的发电厂、化工厂、钢铁厂等的稳定生产、产品的质量和效率，从而才有巨额的产值、效益与市场的倍增

4、。而这些带传感器的仪器仪表系统仅占企业固定资产10%15%，因此它们对于工业生产具有“四两拨千斤”的拉动作用。第1章 概述 由于传感器的使用，使生产工艺过程的控制和产品性能的检测有了保证，所以它是提高产品竞争力的强有力的手段，是获得经济效益的有效途径。据有关资料，全美电站的相关数据表明，如果主汽流量精度改善1%，电站的燃烧成本（热效率）将会改善1%，每年可节约3亿美元；若传感器及其测量仪表可利用率提高1%，则每年可节约30亿美元；美国的电站采用了先进的传感器和控制技术后，使全美经济每年获益达110亿美元之多。第1章 概述 科学研究的“先行官”。伟大的科学家门捷列夫说过：“没有测量就没有科学”。

5、诺贝尔奖设立至今，众多得奖科学家都是借助于先进仪器的诞生才获得重大的科学发现。例如，正是因为有了改进的仪器仪表，才使人类基因的测试提前3年完成。人类进一步对地下、海洋空间、宇宙星球的探索都离不开传感器及其仪器仪表系统，而且还需研制在这些极端条件下可正常工作的传感器。第1章 概述 军事上的“战斗力”。现代武器装备几乎都配备了相关的检测传感器及其控制仪器仪表。确认证据的“物化法官”。在产品质检、环境污染监测、违禁药物检测、指纹识别、与金属利器识别等方面，传感器及其仪器仪表是确认证据的科学依据。安全的屏障。煤矿瓦斯监测与安全预警需要高灵敏度、高稳定性、快速响应的气体传感器；气体液体传输，如我国的“西

6、气东输”管道，需要高精度的油气计量传感器；国家领空、领海、边境安全等都需要大面积、广域传感检测系统。第1章 概述 传染病预警、环境保护、可持续发展的战略保障。SARS、禽流感等突发性流行病的快速诊断需要具有快速分析能力的生物传感器；大气环境监测（SO2、NOx、CO2、微尘等），水质监测（COD、BOD等），以及电磁辐射、噪声、室内有害气体（甲醛等）等的监测无不需要相应的传感器及其仪器仪表系统。所以社会需要它！海陆空、吃穿住，传感器无处不在，也必须无处不在。第1章 概述 1.2 智能传感器发展的历史背景智能传感器发展的历史背景 作为获取信息工具的传感器，位于信息系统的最前端。其特性的好坏、输出

7、信息的可靠性对整个系统质量至关重要。因此，传感器的性能必须适应系统使用的要求。回顾自动化系统对传感器的要求，对了解智能传感器提出的背景是很有益处的。自动化系统对传感器最基本的，而且又是最急切的要求是：降低现行传感器的价格性能比。第1章 概述 我们知道，每种现代自动化过程，都包括有如图1-1所示的三种主要功能块：执行器、计算机（或微处理器）及传感器。传感器时时检测“对象”的状态及其相应的物理参量，并及时馈送给计算机；计算机相当于人的大脑，经过运算、分析、判断，根据“对象”状态偏离设定值的方向与程度，对执行器下达修正动作的命令；执行器相当于人的手脚，按大脑的命令对“对象”进行操作。如此反复不止，以

8、使“对象”在允许的误差范围内维持在所设定的状态。第1章 概述 图1-1 自动化（控制）系统框图第1章 概述 透视人类自动化的历史进程，我们看到：首先，人们发展了执行器：通过制造人造工具执行器，如水磨，以扩大机械动力；待蒸汽机出现，导致了“工业革命”。然后，计算机出现，通过扩展计算机程序的“智能”，产生了“信息革命”。现在，人们正在通过应用传感器来扩展“感觉”，去获得信息数据，以便校正自动化过程中的偏差，并能根据各种情况的变化作出实时、正确的处理。第1章 概述 在控制环路中，只有当三个功能块都经济耐用时，才可能实现工业现场的许多工作不是由人工去做，而是由自动化机械或机器人来做，甚至家务工作也可如

9、此。这种标志人类生活主要变化的时代就叫“自动化时代”。我们正处于“自动化时代”的发展期，但是传感器技术发展的落后阻碍了自动化的进程。第1章 概述 从图1-2中我们可以看到，若以1970年的价格性能比为1，则1990年的价格性能比是：执行器（以电动机为例）为1/10，计算机为1/1000，传感器为1/3。其中，以计算机的价格性能比下降幅度最为惊人。这是由于半导体集成电路工艺的迅速发展，使大规模集成电路芯片制作成本大幅度降低。相对而言，近30年来计算机性能价格比的提高更是遥遥领先，而传感器的价格性能仍居高不下，与其它两个功能块的发展形势极不适应。第1章 概述 图1-2 传感器、计算机及执行器的价格

10、性能比第1章 概述 然而，传统的传感器技术已达到其技术极限。它的价格性能比不可能再有大的下降。它在以下几方面存在严重不足：因结构尺寸大，故时间(频率)响应特性差；输入输出特性存在非线性，且随时间而漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；信噪比低，易受噪声干扰；存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。第1章 概述 随着自动化领域不断扩展，需要测量的参量日益增加，而且一些特殊领域进而需要传感器小型化和轻量化。如在线监测，除了温度、压力、流量等热工参量外，还迫切需要监测机械振动参量以及化学成分与物理成分，在线监测电站每一个燃烧器的煤粉量和一次风量，等等，不可胜数。特别是自动控制系统的飞速发展，对传感器进

11、一步提出了数字化、智能化、标准化的紧迫需求。第1章 概述 生产过程自动化在经历了20世纪50年代和60年代的集中控制，70年代的分散型控制系统(DCS)之后，为适应多点多参数日益复杂的大型控制系统的需要，80年代以来出现了基于现场总线的开放型控制系统(FCS)。它是对分散型控制系统(DCS)的继承、完善和进一步发展，是继DCS之后自动化领域的又一次重大变革。现场总线是连接测控系统中各智能装置(包括智能传感器)的双向数字通信网络。其主要特点分述如下。第1章 概述 1.传输数字信号 用数字信号取代原来的420 mA标准模拟信号，提高可靠性和抗干扰能力。这就要求传感器由可输出420 mA标准信号的变

12、送器改变为带数字总线接口并输出数字信号。所有现场传感器，通过数字总线接口都方便地挂接在一条环形现场总线上。这样可以大大削减现场与控制室(高上位计算机)之间一对一的连接导线，节约初期安装费用，大大简化整个系统的布线和设计。这种节约对一个大型、多点测量系统是很有意义的，譬如：第1章 概述 一个电站 需要5000台传感器及其仪表；一个钢铁厂需要20 000台传感器及其仪表；大型石油化工厂需要6000台传感器及其仪表；大型发电机组需要3000台传感器及其仪表；一部汽车需要30100台传感器；一架飞机需要3600台传感器；第1章 概述 2.标准化 总线采用统一标准，使系统具有开放性。不同厂家的产品，在硬

13、件、软件、通信规程、连接方式等方面互相兼容、互换联用，既方便用户使用，又易于安装维修。不少大公司都推出了自己的现场总线标准。国际化的统一标准的工作正在加紧进行中。第1章 概述 3.智能化 采用智能与控制职能分散下放到现场装置的原则，现场总线网络的每一节点处安装的现场仪表应是“智能”型的，即安装的传感器应是“智能传感器”。在这种控制系统中，智能型现场装置是整个控制管理系统的主体。这种基于现场总线的控制系统，要求必须使用智能传感器，而不是一般传统的传感器。第1章 概述 现场总线中的智能传感器，通常称为智能变送器。这种智能传感器带有标准数字总线接口，能够自己管理自己，它将所检测到的信号经过变换处理后

14、，以数字量形式通过现场总线与高/上位计算机进行信息通信与传递，有的也同时兼有420 mA标准模拟信号输出。所以，智能传感器是应现代自动化系统发展的需要而提出来的，同时也是传感技术克服自身落后向前发展的必然趋势。第1章 概述 1.3 智能传感器的功能与特点智能传感器的功能与特点1.3.1 智能传感器的功能目前还没有关于传感器智能化功能的明确定义，一般来说，可以从以下几方面概括其功能：（1）在自我完善能力方面，具有改善静态性能，提高静态测量精度的自校正、自校零、自校准功能；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功能；具有抑制交叉敏感，提高系统稳定性的多信息融合功能。第1章 概述 （2

15、）在自我管理与自适应能力方面，具有自检验、自诊断、自寻故障、自恢复功能；具有判断、决策、自动量程切换与控制功能。（3）在自我辨识与运算处理能力方面，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辨识与模式识别功能；具有数据自动采集、存储、记忆与信息处理功能。（4）在交互信息能力方面，具有双向通信、标准化数字输出以及拟人类语言符号等多种输出功能。第1章 概述 1.3.2 智能传感器的特点智能传感器的特点与传统传感器相比，智能传感器的特点简述如下。1.精度高智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如通过自动校零去除零点，与标准参考基准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

16、等系统误差的校正，通过对采集的大量数据进行统计处理以消除偶然误差的影响等，从而保证了智能传感器的高精度。第1章 概述 2.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而引起的系统特性的漂移，如温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移；在被测参数变化后能自动改换量程；能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集到的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理(报警或故障提示)。因此，有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。第1章 概述 3.高信噪比与高分辨力由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，将有用信号提取出来；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辨能力，故智能传感器具有高信噪比与高分辨力。第1章 概述 4.强自适应性智能传感器具有判断、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、与高/上位计算机的数据传送速率，使系统工作在最优低功耗状态和优化传送效率。第1章 概述 5.较低的价格性能比智能传感器所具有的上