第7章智能傳感器及應(yīng)用傳感器是人類(lèi)了解世界的工具，它們能精確檢測(cè)我們感興趣的各種物理量，為控制和決策提供依據(jù)。然而在信息時(shí)代，人類(lèi)已經(jīng)難以獨(dú)立處理如爆炸般涌現(xiàn)的信息了，我們希望傳感器能夠更加智能，比如能夠獨(dú)立完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果報(bào)告以及信息共享等。因此，智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。學(xué)習(xí)完本章后，你將能夠：了解智能傳感器起源及其基本概念和結(jié)構(gòu)了解智能傳感器的功能及特點(diǎn)了解智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方法和途徑認(rèn)識(shí)幾種智能傳感產(chǎn)品及其應(yīng)用掌握對(duì)電子設(shè)備的功能分析，理解其采用的智能化技術(shù)7.1智能傳感器概述【智能傳感器】【智能小車(chē)】7.1.1智能傳感器的起源智能傳感器（Intelligentsensor或Smartsensor）概念最初是由美國(guó)宇航局在研制宇宙飛船過(guò)程中提出并形成的，于1978年研發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品。宇宙飛船上需要用大量的傳感器，不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)很難同時(shí)處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，于是提出把CPU計(jì)算處理單元分散化，從而產(chǎn)生出智能化傳感器。例如，美國(guó)航天飛機(jī)（如圖7-1所示）的各大系統(tǒng)均使用了大量傳感器，航天飛機(jī)一次發(fā)射飛行過(guò)程中所用的傳感器的總量達(dá)到3500只（運(yùn)載火箭的用量為2500只，航天飛機(jī)上為1000只)，我國(guó)神舟六號(hào)載人飛行時(shí)的船、箭所用的測(cè)控用傳感器總量達(dá)千余臺(tái)套，所用各類(lèi)傳感器的原理與國(guó)外基本相同。其主要功能為：1）監(jiān)視飛行器各分系統(tǒng)與部件在飛行過(guò)程中的工作狀態(tài)。運(yùn)載火箭的箭上系統(tǒng)有動(dòng)力系統(tǒng)（固、液體發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料貯箱、泵、活門(mén)、增壓系統(tǒng)、管路等）、控制系統(tǒng)、附加系統(tǒng)、推進(jìn)劑利用系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)等。在載人飛行器中（航天飛機(jī)、飛船）則有故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)、艙內(nèi)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)、逃逸救生系統(tǒng)、飛船艙外活動(dòng)（EVA）與再入登陸系統(tǒng)（陸地或水面）。在所有系統(tǒng)中，都離不開(kāi)儀表傳感器對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。2）監(jiān)視飛行器自身的工作狀態(tài)與相對(duì)位置等運(yùn)動(dòng)信息，向飛行器上的測(cè)控系統(tǒng)提供有用信息。3）向載人飛行器的測(cè)、控系統(tǒng)中的故障檢測(cè)、環(huán)境控制逃逸救生、飛船艙外活動(dòng)與再入登陸等系統(tǒng)提供有用信息（含生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)量等）。（a）（b）（c）圖7-1美國(guó)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)，（a）發(fā)射，（b）太空飛行，（c）結(jié)構(gòu)為保證整個(gè)飛行過(guò)程的安全可靠，不僅要求傳感器精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，而且要求具有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自診斷、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自適應(yīng)及遠(yuǎn)程通信等功能。而傳統(tǒng)的傳感器因其功能單一、體積大，性能和工作容量已不能滿足這樣的要求，智能傳感器便隨之應(yīng)運(yùn)而生。早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后，由接口送到微處理機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心，把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微計(jì)算機(jī)存貯器及接口電路集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測(cè)量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高，使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式，使用方便和操作簡(jiǎn)單、具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測(cè)量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能等。7.1.2智能傳感器的定義自動(dòng)化領(lǐng)域所取得的一項(xiàng)最大進(jìn)展就是智能傳感器的發(fā)展與廣泛使用，極大地促進(jìn)了制造、裝備產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代，其典型代表為：數(shù)控立式加工中心（如圖7-2（a）所示）、自動(dòng)化生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人（如圖7-2（b）、（c）所示），設(shè)備中使用的位移、壓力、溫度、狀態(tài)等不同類(lèi)型的傳感器至少超過(guò)60只，如此量大的信號(hào)檢測(cè)只能采用智能傳感器完成。但究竟什么是“智能”傳感器？目前眾說(shuō)紛紜，以下是來(lái)自6個(gè)傳感器廠家的專(zhuān)家對(duì)這一術(shù)語(yǔ)的表述：Honeywell工業(yè)測(cè)量與控制部產(chǎn)品經(jīng)理TomGriffiths的認(rèn)為：“一個(gè)良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅(qū)動(dòng)的傳感器與儀表套裝，并且具有通信與板載診斷等功能，為監(jiān)控系統(tǒng)和操作員提供相關(guān)信息，以提高工作效率及減少維護(hù)成本?！盙EFanuc自動(dòng)化公司控制器產(chǎn)品經(jīng)理BillBlack認(rèn)為：“智能傳感器的優(yōu)勢(shì)，是能從過(guò)程中收集大量的信息以減少宕機(jī)時(shí)間及提高質(zhì)量?！盡TS傳感器公司TempoSonics（磁致伸縮位移傳感器）產(chǎn)品經(jīng)理DavidEdeal提出：“分布式智能的基本前提是，在適當(dāng)位置和時(shí)間擁有有關(guān)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件的狀態(tài)的全部知識(shí)，以進(jìn)行‘最優(yōu)的’過(guò)程控制決策?！盋ognex公司Checker機(jī)器視覺(jué)部產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理JohnKeating表述，“對(duì)于一種真正的‘智能’（機(jī)器視覺(jué)）傳感器，它應(yīng)該不需要使用者懂得機(jī)器視覺(jué)。”Edeal表示：智能傳感器必須具備通信功能?！白钇鸫a，除了滿足最基本應(yīng)用的反饋信號(hào)，‘智能’傳感器必須能傳輸其它信息?！監(jiān)mron電子有限公司戰(zhàn)略創(chuàng)意總監(jiān)DanArmentrout表示，“智能傳感器，必須首先能監(jiān)視自身及周?chē)沫h(huán)境，然后再?zèng)Q定是否對(duì)變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償或?qū)ο嚓P(guān)人員發(fā)出警告。”（a）（b）（c）圖7-2（a）數(shù)控立式加工中心，（b）汽車(chē)工廠使用的產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人，（c）NEXTAGE工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的技術(shù)研究和發(fā)展，專(zhuān)家們普遍認(rèn)為，智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的各種功能，而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、自調(diào)整以及人機(jī)通訊等多種功能。它是微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般數(shù)控立式加工中心、智能機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)都是由多個(gè)傳感器集合而成，采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的綜合效率。7.1.3智能傳感器的結(jié)構(gòu)80年代初期，將信號(hào)處理電路（濾波、放大、調(diào)零）與傳感器設(shè)計(jì)在一起，輸出4～20mA電流或0～5V電壓，構(gòu)成當(dāng)時(shí)意義的“智能傳感器”，稱(chēng)之為“第一代智能傳感器”。80年代到90年代中后期，將單片微處理器嵌入傳感器中，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、修正、校準(zhǔn)，同時(shí)由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這種類(lèi)型的傳感器不但有硬件，還可通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，輸出為數(shù)字信號(hào)。我們稱(chēng)之為“第二代智能傳感器”?！艾F(xiàn)場(chǎng)總線”概念提出后，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)提出了新要求，要求實(shí)現(xiàn)全數(shù)字、開(kāi)放式的雙向通信，測(cè)量和控制信息的交換主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)完成，數(shù)據(jù)交換可通過(guò)Intranet等網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器的軟件設(shè)計(jì)占主要地位，通過(guò)軟件將傳感器內(nèi)部各個(gè)敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起。我們稱(chēng)之為“第三代智能傳感器”。進(jìn)入21世紀(jì)后，由于MEMS技術(shù)、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術(shù)、低能耗的無(wú)線射頻（RF）技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，使得開(kāi)發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有：一個(gè)用于感知外界環(huán)境物理量的敏感組件（如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等），一個(gè)用于處理敏感組件采集信息的計(jì)算模塊，一個(gè)用于通信的無(wú)線電收發(fā)模塊，一個(gè)為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱(chēng)之為“第四代智能傳感器”或“智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器”。智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖7-3（a）所示。圖7-3智能傳感器結(jié)構(gòu)原理框圖從仿生學(xué)的角度來(lái)理解：將機(jī)器系統(tǒng)類(lèi)比成人體系統(tǒng)，來(lái)劃分各系統(tǒng)（如圖7-4（a）所示）。傳感部件（相當(dāng)于眼、耳等感覺(jué)器官）接受被測(cè)量信號(hào)（相當(dāng)于光、聲等外部信號(hào)），然后傳遞給控制部件（相當(dāng)于大腦），由控制部件進(jìn)行處理后將處理結(jié)果輸出給執(zhí)行部件（相當(dāng)于口、肢體等），并由執(zhí)行部件做出相應(yīng)的動(dòng)作（參見(jiàn)“1.1人體與傳感器”）。如圖7-4（b）所示的現(xiàn)代人形機(jī)器人集成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：傳感器技術(shù)（信息采集）——感覺(jué)器官通信技術(shù)（信息傳輸）——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）——大腦智能傳感器將“感知”和“認(rèn)知”結(jié)合起來(lái)，起到人體的“五感”功能的作用，可感知各種現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)判斷、推理、鑒別功能，最終完成各種動(dòng)作。（a）（b）圖7-4（a）仿生學(xué)中機(jī)器系統(tǒng)與人體系統(tǒng)類(lèi)比圖，（b）現(xiàn)代人形機(jī)器人觀察與思考智能洗衣機(jī)：日常生活中的家用電器逐漸在向智能化發(fā)展，其組成結(jié)構(gòu)全部采用傳感器、處理模塊、驅(qū)動(dòng)控制和執(zhí)行部件等幾大部分構(gòu)成。如圖7-5所示為小天鵝智能滾筒洗衣機(jī)，LCD屏顯示功能如下：在洗滌過(guò)程中，洗衣進(jìn)行到哪個(gè)步驟，相應(yīng)的指示燈(預(yù)洗、洗滌、漂洗、脫水)就會(huì)閃爍。在操作[預(yù)約]程序后，[預(yù)約]將會(huì)亮起，顯示預(yù)約時(shí)間，即從[XX]小時(shí)后開(kāi)始洗衣。在洗衣過(guò)程開(kāi)始后，[剩余]將會(huì)亮起，所顯示的時(shí)間表示在[XX]小時(shí)間后完成洗衣。當(dāng)選擇童鎖功能后，將會(huì)亮起。當(dāng)門(mén)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，將會(huì)亮起。在熄滅時(shí)，方可開(kāi)門(mén)。程序按鍵功能如下：[程序選擇]根據(jù)用戶不同的需求，選擇不同的洗滌程序，有助于衣服更干凈更有效的洗滌。分別有：棉麻，快洗，牛仔，羊毛，化纖，絲綢，單排水，漂洗+脫水，單脫水，單洗滌，高溫自潔，活性酶，童裝，污漬，有色，內(nèi)衣，停止。[啟動(dòng)／暫停]具有啟動(dòng)與暫停的功能。連續(xù)按該鍵，本機(jī)即在啟動(dòng)-暫停之間切換。[中途添衣]用于在洗滌過(guò)程中添加衣物。按下該鍵后，洗衣機(jī)將會(huì)暫停洗衣過(guò)程，自動(dòng)解鎖，用戶添加完衣物關(guān)好門(mén)后，按[啟動(dòng)／暫停]鍵繼續(xù)洗滌。[超凈漂洗]選擇此功能，可以對(duì)衣物增加一次漂洗，適用于要求洗滌劑殘留很少的衣物。[水量選擇]用戶可以根據(jù)衣物多少調(diào)節(jié)洗滌和漂洗的水量。[轉(zhuǎn)速]用于調(diào)節(jié)洗衣機(jī)脫水時(shí)的轉(zhuǎn)速，連續(xù)按該鍵，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速數(shù)值。[溫度]用于調(diào)節(jié)洗滌時(shí)的水溫，連續(xù)按該鍵，可以選擇不同的水溫或不加熱。[預(yù)約]用于預(yù)約洗衣，連續(xù)按該鍵，可在0～24小時(shí)間切換，預(yù)約時(shí)間表示從[XX]小時(shí)后開(kāi)始洗衣。[預(yù)洗]用于對(duì)衣服進(jìn)行預(yù)洗，該程序適用于較臟的衣服使用。（a）（b）圖7-5（a）智能滾筒洗衣機(jī)，（b）顯示、控制面板請(qǐng)根據(jù)智能洗衣機(jī)提供的程序及功能，分析其中運(yùn)用了哪些傳感器并如何實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)與控制?7.2智能傳感器的功能與特點(diǎn)【智能傳感器】【智能傳感器】7.2.1智能傳感器的主要功能智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有了極大的提高，是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用微處理器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1）具有自動(dòng)調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能。智能傳感器不僅能夠自動(dòng)檢測(cè)各種被測(cè)參數(shù)，還能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自動(dòng)完成標(biāo)定工作。2）具有邏輯判斷和信息處理能力，能對(duì)被測(cè)量進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理（對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、線性化，還可以對(duì)溫度、靜壓力等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋?）具有自診斷功能。智能傳感器通過(guò)自檢軟件，能對(duì)傳感器和系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行定期或不定期的檢測(cè)，診斷出故障的原因和位置并做出必要的響應(yīng)。4）具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過(guò)微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測(cè)量功能。5）閃存（FlashE2PROMMemory）和掉電保護(hù)電路的運(yùn)用，使其具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和記憶功能，能隨時(shí)存取檢測(cè)數(shù)據(jù)。6）具有雙向通信功能，能通過(guò)各種標(biāo)準(zhǔn)總線接口、無(wú)線協(xié)議等直接與微型計(jì)算機(jī)及其它傳感器、執(zhí)行器通信。因此可以說(shuō)，智能傳感器除了能檢測(cè)物理、化學(xué)量的變化之外，還具有測(cè)量信號(hào)調(diào)理（如濾波、放大、A／D轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)輸出等能力，它幾乎包括了儀器儀表的全部功能?？梢?jiàn)，智能傳感器的功能已經(jīng)延伸到儀器的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng)，性能將日趨完善，它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、信息處理技術(shù)（如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等）、數(shù)字信號(hào)處理（digitalsignalprocessor，DSP）技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，使傳感器具有更高級(jí)的智能。7.2.2智能傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器有如下特點(diǎn)：1）精度高智能傳感器可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)誤差，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(guò)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響等，保證了智能傳感器有較高的精度。2）可靠性與高穩(wěn)定性強(qiáng)智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化引起系統(tǒng)特性的漂移，如：溫度變化而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度的漂移；在被測(cè)參數(shù)變化后能自動(dòng)改換量程；能實(shí)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗(yàn)，分析、判斷所采集到的數(shù)據(jù)的合理性，并給出異常情況的應(yīng)急處理方案（報(bào)警或故障提示）。3）高信噪比與高分辨率由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)分析等處理，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，從而將有用信號(hào)提取出來(lái)；通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響，從而保證在多參數(shù)狀態(tài)下對(duì)特定參數(shù)測(cè)量的分辨能力，故智能傳感器具有很高的信噪比與分辨率。4）自適應(yīng)性強(qiáng)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、優(yōu)化與上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率，并保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)。5）性能價(jià)格比高智能傳感器不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣追求傳感器本身的完善，對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試來(lái)獲得，而是通過(guò)與微處理器／微計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用低價(jià)的集成電路工藝和MEMS工藝，以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以具有很高的性能價(jià)格比。6）超小型化、微型化隨著微電子技術(shù)的迅速推廣，智能傳感器正朝著小和輕的方向發(fā)展，以滿足航空、航天及國(guó)防需求，同時(shí)也為一般工業(yè)和民用設(shè)備的小型化、便攜發(fā)展創(chuàng)造了條件，汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展便是一例。如圖7-6所示為一種智能硅壓力傳感器芯片的布局示意圖，在一個(gè)封裝中，把一只微機(jī)械壓力傳感器與模擬用戶接口、8位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR）、微處理器（摩托羅拉69HC08）、存儲(chǔ)器和串行接口（SPI）等集成在一個(gè)芯片上。這種智能壓力傳感器的技術(shù)和市場(chǎng)都已成熟，已廣泛用于汽車(chē)（機(jī)動(dòng)車(chē)）所需的各式各樣的壓力測(cè)量和控制單元中，諸如各種氣壓計(jì)、噴嘴前集流腔壓力、廢氣排氣管、燃油、輪胎、液壓傳動(dòng)裝置等。（a）（b）圖7-6（a）一種智能硅壓力傳感器芯片的布局示意圖，（b）硅壓力傳感器芯片7）低功耗降低功耗對(duì)智能傳感器具有重要的意義。這不僅可簡(jiǎn)化系統(tǒng)電源及散熱電路的設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)智能傳感器的使用壽命，還為進(jìn)一步提高智能傳感器芯片的集成度創(chuàng)造了有利條件。智能傳感器普遍采用大規(guī)?；虺笠?guī)模CMOS電路，使傳感器的耗電量大為降低，有的可用疊層電池甚至扭扣電池供電，待機(jī)模式可將智能傳感器的功耗降至更低。觀察與思考智能手機(jī)中的傳感器科技的發(fā)展給人們的工作和生活帶來(lái)了更多的便利，數(shù)碼相機(jī)、MP3、MP4、掌上電腦等體積小、功能強(qiáng)的電子設(shè)備隨處可見(jiàn)，而其中的手機(jī)更是到了幾乎不可缺少的地步。隨著技術(shù)進(jìn)步，人們對(duì)手機(jī)的要求也越來(lái)越高，各種智能手機(jī)應(yīng)運(yùn)而生（如圖7-8所示）。手機(jī)之所以智能，離不開(kāi)各種各樣的傳感器?，F(xiàn)在智能手機(jī)中比較常見(jiàn)的傳感器有：距離傳感器，主要控制屏幕點(diǎn)亮和熄滅。如打電話時(shí)耳朵靠近手機(jī)，手機(jī)屏幕會(huì)自動(dòng)熄滅，耳朵離開(kāi)時(shí)又點(diǎn)亮，起到節(jié)電的作用，同時(shí)避免誤操作。光線傳感器：通過(guò)識(shí)別外界光線的強(qiáng)弱讓屏幕亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)。重力感應(yīng)器：在iOS、Android平臺(tái)中，很多游戲都運(yùn)用到重力感應(yīng)器，比如極品飛車(chē)系列、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)系列等等，它們帶給用戶新鮮的體驗(yàn)。加速度感應(yīng)器：當(dāng)手機(jī)下落是，感應(yīng)到加速度，就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉手機(jī)和存儲(chǔ)卡，以保護(hù)手機(jī)。（a）（b）（c）（d）（e）圖7-7（a）聯(lián)想K860，（b）中興V987，（c）華為U9508，（d）HTCNewOne，（e）三星GalaxyS4氣壓傳感器：用于測(cè)量測(cè)量實(shí)時(shí)的氣壓、海拔高度。如登山的時(shí)候可以在山腳下將海拔設(shè)為零，通過(guò)壓差計(jì)算可以隨時(shí)看到自己已經(jīng)爬了多高的山。圖像傳感器：用于手機(jī)拍照、攝像。加上圖像識(shí)別軟件，可以實(shí)現(xiàn)名片識(shí)別、面部識(shí)別功能。指紋識(shí)別傳感器：目前市場(chǎng)上主要有接觸式傳感器（touchsensor）和滑動(dòng)式傳感器（slidesensor）。傳感器會(huì)采集指紋數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行快速分析和認(rèn)證。例如在電子商務(wù)中，指紋識(shí)別認(rèn)證可免去用戶多重繁瑣的密碼操作，簡(jiǎn)化流程又具備更高的安全級(jí)別。三軸加速度傳感器：根據(jù)重力感應(yīng)產(chǎn)生的加速度來(lái)推算出手機(jī)相對(duì)于水平面的傾斜度。手機(jī)中的甩歌功能、微信中的搖一搖、賽車(chē)游戲中的漂移觸發(fā)都是利用它實(shí)現(xiàn)的。電子羅盤(pán)：通過(guò)地球磁場(chǎng)來(lái)感知方位，緊急情況下可以當(dāng)作指南針使用，感知東南西北的方向。三軸陀螺儀：是利用角動(dòng)量守恒原理，判別物體在空間中的相對(duì)位置、方向、角度和水平的變化。著名游戲“現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)3”就是靠陀螺儀來(lái)進(jìn)行瞄準(zhǔn)射擊的。請(qǐng)根據(jù)上述智能手機(jī)信息和智能手機(jī)使用過(guò)程中的感受，說(shuō)明智能手機(jī)中運(yùn)用了哪些傳感器并如何實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)與控制?7.3智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑【智能傳感器】目前智能傳感器的實(shí)現(xiàn)主要途徑有三種方法：非集成化實(shí)現(xiàn)。初級(jí)的智能傳感器是由許多互相獨(dú)立的模塊組成，如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理電路模塊、數(shù)據(jù)電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結(jié)構(gòu)內(nèi)則組成模塊式智能傳感器；集成化實(shí)現(xiàn)。利用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)；混合實(shí)現(xiàn)。根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元，以不同的組合方式集成在二塊或三塊芯片上，并封裝在一個(gè)殼體中，實(shí)現(xiàn)混合集成。7.3.1非集成化智能傳感器1.非集成化智能傳感器非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)處理電路、帶數(shù)據(jù)總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)（如圖7-8所示）。圖7-8非集成化智能傳感器組成框圖信號(hào)處理電路用來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的輸出信號(hào)，即將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入微處理器，再由微處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線接口掛接在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線上，這是實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)的最快途徑與方式。圖7-9（a）為RP6系列智能壓力/差壓變送器，是VIRVO公司在金屬電容式壓力變送器基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字芯片技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代產(chǎn)品。傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換原理上采用隔離數(shù)字電容電路替代傳統(tǒng)模擬信號(hào)放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路，并利用數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)對(duì)溫度、靜壓進(jìn)行補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度，降低溫度漂移；具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，高可靠性，自診斷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。圖7-9（b）為E+H智能型壓力變送器，是德國(guó)恩德斯豪斯公司采用陶瓷—抗過(guò)載金屬傳感器結(jié)合微處理器、HistoROM/M-DAT記憶模塊、通用壓力和差壓電子模塊研制的智能型產(chǎn)品，通過(guò)4～20mA帶HART通信、PROFIBUSPA或FF通信可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行方便且安全的菜單引導(dǎo)操作，具有擴(kuò)展診斷功能。模塊化設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品能夠適用于各種工業(yè)場(chǎng)合。如圖7-9（c）為SMART公司生產(chǎn)的智能型藍(lán)寶石壓力傳感器，是在原有傳統(tǒng)式非集成化電容式變送器基礎(chǔ)上附加一塊帶數(shù)字總線接口的微處理器插板后組裝而成。同時(shí)，開(kāi)發(fā)配備可進(jìn)行通信、控制、自校正、自補(bǔ)償、自診斷等智能化軟件，從而形成智能傳感器。（a）（b）（c）圖7-9（a）RP6智能壓力-差壓變送器，（b）E+H智能壓力傳感器，（c）SMART智能型藍(lán)寶石壓力傳感器2.傳感器的智能化換個(gè)角度，非集成化智能傳感器也稱(chēng)為傳感器的智能化，特指?jìng)鞲衅髋c微處理器分為兩個(gè)獨(dú)立部分（如圖7-8所示），微處理器是智能式傳感器的核心。傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的硬件電路處理后，以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)入微處理器，微處理器根據(jù)其內(nèi)存中駐留的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，以及信息輸送等功能，從而使傳感器獲得智能。為了使智能式傳感器真正具有智能，控制功能應(yīng)包括鍵盤(pán)控制功能、量程自動(dòng)切換功能、多路與多路通道切換功能、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報(bào)警功能、自診斷與自校正功能。如圖7-10所示為美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1460壓阻式傳感器專(zhuān)用單片集成處理芯片。MAX1460器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四大主要部分：模擬前端、數(shù)字處理器、輸出接口和測(cè)試接口。1）模擬前端由PGA&誤差校正、溫度傳感器、多路開(kāi)關(guān)和16位A/D轉(zhuǎn)換器組成。PGA&誤差校正為具有誤差校正功能的可編程放大器。其中的可編程放大器PGA可由二位數(shù)碼（D1D0）來(lái)設(shè)置增益，對(duì)外接的硅壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行放大；誤差校正功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)整，由三位數(shù)碼（D2D1D0）控制一個(gè)失調(diào)校正電路，使失調(diào)校正信號(hào)落在ADC的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其控制字來(lái)自片內(nèi)的配置E2PROM寄存器。溫度傳感器為獲得的硅壓力傳感器信號(hào)提供溫度補(bǔ)償，一般可使補(bǔ)償后的傳感器誤差降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。多路開(kāi)關(guān)（MUX）將已進(jìn)行偏置調(diào)整設(shè)置的片內(nèi)溫度傳感器的輸出信號(hào)與片外傳感器的輸出信號(hào)依次導(dǎo)入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。16位A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)16位雙積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其動(dòng)態(tài)范圍為-VDD～+VDD。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)幅值在±85%VDD范圍內(nèi)時(shí)，有很高的模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度。2）數(shù)字處理模塊及溫度補(bǔ)償MAX1460內(nèi)有一個(gè)低功耗的16位數(shù)字信號(hào)處理器（digitalsignalprocessor，DSP），因而可以按照用戶確定的校正方程對(duì)模擬前端送來(lái)的量化后的輸入信號(hào)S和溫度信號(hào)T進(jìn)行融合計(jì)算，對(duì)輸入信號(hào)S進(jìn)行溫度補(bǔ)償后再給予輸出。3）輸出模塊輸出模塊含12位并行數(shù)字輸出口D11～D0、12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC、運(yùn)算放大器OPAMP等。經(jīng)過(guò)校正的數(shù)字信號(hào)可以直接從12位并行數(shù)據(jù)口輸出，也可以經(jīng)過(guò)12位DAC的數(shù)/模轉(zhuǎn)換后再?gòu)哪M輸出口輸出。除此之外，用戶可以利用運(yùn)放OPAMP來(lái)構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，以對(duì)DAC的輸出進(jìn)行濾波。5）測(cè)試接口對(duì)MAX1460的測(cè)試可以通過(guò)芯片的測(cè)試接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。接口信號(hào)主要有片選信號(hào)（CS1和CS2）、啟動(dòng)信號(hào)（START）、測(cè)試使能信號(hào)（TEST）、復(fù)位信號(hào)（RESET）、串行數(shù)據(jù)信號(hào)（SDIO，SDO）和轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)（EOC）。測(cè)試者可以按照給定的操作時(shí)序來(lái)通過(guò)此接口對(duì)芯片進(jìn)行配置、寫(xiě)入校正系數(shù)（以確定校正方程）以及讀出經(jīng)DSP補(bǔ)償校正的結(jié)果。圖7-10MAX1460傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)內(nèi)部框圖7.3.2集成化智能傳感器1.集成化智能傳感器集成化智能傳感器是21世紀(jì)最具代表性的高新科技成果之一，也是當(dāng)今國(guó)際科技界研究的熱點(diǎn)。集成化智能傳感器主要是指利用集成電路工藝和MEMS微機(jī)技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在同一塊芯片上（或二次集成在同一外殼內(nèi)），它內(nèi)嵌了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口，使傳感器之間或傳感器與外部具有信號(hào)提取、信號(hào)處理、邏輯判斷、雙向通信、決策、量程切換、自檢、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷、計(jì)算等功能。和經(jīng)典的傳感器相比，集成智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、響應(yīng)速度快、可靠性高、精度高，以及功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)（參見(jiàn)3.3.5集成壓力傳感器）。如圖7-11所示為ADIS16405三軸陀螺儀、磁力計(jì)和加速計(jì)慣性檢測(cè)系統(tǒng)。該傳感器結(jié)合了ADI公司的iMEMS?與混合信號(hào)處理技術(shù)，提供校準(zhǔn)的數(shù)字慣性檢測(cè)；SPI接口和輸出寄存器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了方便的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和配置控制，通過(guò)SPI端口可以訪問(wèn)下列嵌入式傳感器：X、Y和Z軸角速度（相對(duì)首向檢測(cè)），X、Y和Z軸線性加速度，相對(duì)于地球磁場(chǎng)的X、Y和Z軸姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，電源，以及輔助模擬輸入。慣性傳感器在各個(gè)軸上執(zhí)行精密對(duì)準(zhǔn)，并對(duì)失調(diào)和靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。嵌入式控制器可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)MEMS傳感器的所有主要影響?？删幊烫匦院?jiǎn)化了系統(tǒng)集成：系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)偏置校準(zhǔn)、數(shù)字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監(jiān)控，以及輔助數(shù)字輸入/輸出。模塊的尺寸約為23×23×23mm3，并提供方便的柔性連接器系統(tǒng)?？捎糜跓o(wú)人航天器（Unmannedaerialvehicles）、海上航行平臺(tái)控制（Platformcontrol）、數(shù)字陀螺儀（Digitalcompassing）、導(dǎo)航儀（Navigation）等，（a）（b）圖7-11ADIS16405微機(jī)械高精密三軸陀螺儀、加速計(jì)、磁力計(jì)，（a）實(shí)物圖，（b）功能框圖2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及微米、納米技術(shù)的問(wèn)世，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)日臻完善，集成電路器件的集成度越來(lái)越高。它已成功地使各種數(shù)字電路芯片、模擬電路芯片、微處理器芯片、存儲(chǔ)器電路芯片等的價(jià)格性能比大幅度下降。反過(guò)來(lái)，它又促進(jìn)了微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，形成了與傳統(tǒng)傳感器制作工藝完全不同的現(xiàn)代智能集成傳感器?，F(xiàn)代智能集成傳感器具有如下主要特點(diǎn)：1）微型化微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進(jìn)血管用于測(cè)量血液流動(dòng)情況，裝在飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面用于測(cè)量氣體的流速和壓力。美國(guó)最近研究成功的微型加速度計(jì)可以使火箭或飛船制導(dǎo)系統(tǒng)的質(zhì)量從幾千克下降至幾克。2）結(jié)構(gòu)一體化壓阻式壓力（差）傳感器是最早實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。采用微機(jī)械加工和集成化工藝，采用硅杯整體一次成形技術(shù)，先在硅杯受力區(qū)刻蝕電阻變換器，然后在硅杯非受力區(qū)制作處理電路、微處理器單元，甚至微執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)不同程度的，乃至整個(gè)系統(tǒng)的一體化。3）精度高與分立結(jié)構(gòu)相比，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性等指標(biāo)將大大改善，時(shí)間漂移將大大減小，因而精度提高。同時(shí)后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路與敏感元件一體化后可大大減小由引線長(zhǎng)度帶來(lái)的寄生參量的影響，這對(duì)電容式傳感器更有特別重要的意義。4）多功能微米級(jí)敏感元件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個(gè)傳感器，如美國(guó)霍尼韋爾公司在20世紀(jì)80年代初期生產(chǎn)的ST-3000型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了可感受壓力、壓差及溫度三個(gè)參量的敏感元件，形成了具有三種功能（可測(cè)壓力、壓差和溫度）的集成智能傳感器（如圖7-12所示）。ST-3000系列智能壓力、差壓變送器由傳感部件、變換部件和現(xiàn)場(chǎng)通訊器組成。傳感部件是硅杯，在硅杯上除制作了感受壓力（差壓）的應(yīng)變電阻外，還同時(shí)制作出溫度敏感元件和靜壓敏感元件，即把差壓、溫度、靜壓三個(gè)傳感器中的敏感元件，都集成在一起組成帶補(bǔ)償電路的傳感器，將差壓、溫度、靜壓這三個(gè)被測(cè)量轉(zhuǎn)換成三路電信號(hào)，分時(shí)采集后送入微處理器。這樣不僅增加了傳感器的功能，而且可以采用多信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提高了傳感器的穩(wěn)定性與精度。圖7-12ST-3000系列智能壓力（差）變送器原理結(jié)構(gòu)圖5）陣列式微米技術(shù)已經(jīng)可以在1cm2大小的硅芯片上制作幾千個(gè)壓力傳感器陣列。例如，豐田中央研究所半導(dǎo)體研究室用微機(jī)械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計(jì)式面陣觸覺(jué)傳感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1,024（32×32）個(gè)敏感觸點(diǎn)（橋），基片四周還制作了信號(hào)處理電路，其元件總數(shù)約16,000個(gè)。敏感元件構(gòu)成陣列后，配合相應(yīng)的圖像處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。這時(shí)的智能傳感器就達(dá)到了它的最高級(jí)形式。計(jì)算機(jī)／微處理器解耦運(yùn)算、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，有利于消除傳感器的時(shí)變誤差和交叉靈敏度的不利影響，提高傳感器的可靠性、穩(wěn)定性與分辨能力。目前已成為研究熱點(diǎn)的氣敏傳感器陣列，有望實(shí)現(xiàn)氣體種類(lèi)判別和混合氣體成分分析與濃度測(cè)量。6）全數(shù)字化通過(guò)微機(jī)械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)。其固有諧振頻率可以設(shè)計(jì)成某種物理參量（如溫度或壓力）的單值函數(shù)。因此可以通過(guò)檢測(cè)其諧振頻率來(lái)檢測(cè)被測(cè)物理量。這是一種諧振式傳感器，直接輸出數(shù)字量（頻率）。它的性能極為穩(wěn)定、精度高，無(wú)須A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便地進(jìn)行連接。這對(duì)于減小芯片體積、簡(jiǎn)化集成工藝，均十分有利。7）使用方便，操作簡(jiǎn)單集成化智能傳感器沒(méi)有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通信線，可以減少至4條，因此，接線極其簡(jiǎn)便。它還可以自動(dòng)進(jìn)行整體自校，無(wú)須用戶長(zhǎng)時(shí)間地反復(fù)多環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)與校驗(yàn)。智能含量越高的智能傳感器，它的操作使用就越簡(jiǎn)便，用戶只需編制簡(jiǎn)單的主程序就可方便地進(jìn)行應(yīng)用。7.3.3智能傳感器的混合實(shí)現(xiàn)混合實(shí)現(xiàn)是指根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)處理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里。如圖7-13所示為混合實(shí)現(xiàn)的幾種方式。集成化敏感單元包括彈性敏感元件及變換器；信號(hào)處理電路包括多路開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大器、基準(zhǔn)、A／D轉(zhuǎn)換器等；微處理器單元包括數(shù)字存儲(chǔ)（E2PROM、RAM）、I／O接口、微處理器、D／A轉(zhuǎn)換器等。在圖7-13（a）中，三塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。在圖7-13（b）、（c）、（d）中，兩塊集成化芯片封裝在一個(gè)外殼里。圖7-13（a）、（c）中的（智能）信號(hào)處理電路，具有部分智能化功能，如自校零、自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。7.3.4實(shí)現(xiàn)智能的其他途徑智能傳感器的“智能”主要體現(xiàn)在強(qiáng)大的信息處理功能上，在技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)途徑有：1）采用新的檢測(cè)原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。采用新的檢測(cè)原理，通過(guò)微機(jī)械精細(xì)加工工藝設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)，使之能真實(shí)地反映被測(cè)對(duì)象的完整信息。例如3D加速度傳感器和3D軸陀螺儀就是利用這種方式實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的。2）應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)。利用人工智能材料的自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)、自完善、自調(diào)節(jié)和自學(xué)習(xí)特性，制造智能傳感器。人工智能材料種類(lèi)繁多，例如半導(dǎo)體陶瓷、記憶合金、氧化物薄膜等。圖7-13混合集成原理圖3）采用軟件化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。傳感器與微處理器相結(jié)合的智能傳感器，利用計(jì)算機(jī)軟件編程的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的信息處理功能主要包括以下方面：運(yùn)用軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)非線性校正、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等，提高傳感器的精度、重復(fù)性等；用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波，如快速傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、小波變換等技術(shù)，簡(jiǎn)化硬件、提高信噪比、改善傳感器動(dòng)態(tài)特性；運(yùn)用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等，使傳感器具有更高智能即分析、判斷、自學(xué)習(xí)的功能。4）通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)。單個(gè)傳感器在某一采樣時(shí)刻只能獲取一組數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量少，經(jīng)過(guò)處理得到的信息只能用來(lái)描述環(huán)境的局部特征，且存在著交叉敏感度的問(wèn)題。多傳感器系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)傳感器獲得更多種類(lèi)和數(shù)量的傳感數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到多種信息能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行更加全面和準(zhǔn)確的描述。5）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)。智能傳感器與有線或無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，形成網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多點(diǎn)檢測(cè)發(fā)展；從被動(dòng)檢測(cè)向主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展；從就地測(cè)量向遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)控發(fā)展。拓展提高智能手表：科技進(jìn)步創(chuàng)造出新的高科技產(chǎn)品，引導(dǎo)新的消費(fèi)需求，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技相輔相成的發(fā)展。近期的消費(fèi)電子產(chǎn)品報(bào)道，眾多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在規(guī)劃下一代智能產(chǎn)品，有多家廠商計(jì)劃近期推出全新智能終端——智能手表。如圖7-14所示，上海果殼電子有限公司將推出BambookSmartWatch，蘋(píng)果的iWatch有消息傳聞和圖片顯示，意大利的BlueSky公司近日推出了基于Android系統(tǒng)的I'mWatch系列手表，三星傳出了智能手表GalaxyAltius圖片。（a）（b）（c）（d）圖7-14（a）BambookSmartWatch，（b）蘋(píng)果iWatch，（c）安卓智能手表，（d）三星智能手表智能手表具備通話功能并支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)藍(lán)牙連接Android及iOS系統(tǒng)智能手機(jī)，在手表實(shí)現(xiàn)包括語(yǔ)音、音樂(lè)播放、導(dǎo)航、時(shí)間管理、收發(fā)email、查看天氣預(yù)報(bào)、瀏覽相冊(cè)、健康測(cè)試，物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制等等網(wǎng)民所需的多種功能。特別是健康傳感器和監(jiān)測(cè)器功能的加入，實(shí)現(xiàn)了人體生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)提高人們的健康生活水平具有積極影響。請(qǐng)通過(guò)各種渠道、方式收集智能手表的技術(shù)資料，并與智能手機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，主題討論智能電子產(chǎn)品與智能傳感器之間的關(guān)聯(lián)。7.4智能傳感器實(shí)例簡(jiǎn)介【智能傳感器】7.4.1智能傳感器與航天工業(yè)智能傳感器系統(tǒng)始于人類(lèi)的航空航天事業(yè)。在此，對(duì)我國(guó)最新發(fā)射的“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星、神舟九號(hào)載人航天逃逸救生系統(tǒng)和美國(guó)肯尼迪空間飛行中心在健康管理綜合系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用超大規(guī)模智能傳感器系統(tǒng)的情況作一介紹，由此領(lǐng)略智能傳感器應(yīng)用的廣闊前景。1.“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星2007年10月24日18時(shí)05分，搭載著我國(guó)首顆探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)的長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心三號(hào)塔架點(diǎn)火發(fā)射。18時(shí)08分左右，嫦娥一號(hào)飛過(guò)重慶上空。18時(shí)30分，星箭成功分離，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星進(jìn)入繞地軌道，北京航天飛行控制中心隨后宣布，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)確入軌，此次發(fā)射圓滿成功（如圖7-15所示）。（a）（b）圖7-15（a）嫦娥一號(hào)成功發(fā)射，（b）嫦娥一號(hào)登月艙首先，介紹一個(gè)熱門(mén)詞——有效載荷（pay-load），是指除了操縱運(yùn)載工具所必需的負(fù)載之外，運(yùn)載工具所攜帶的負(fù)載，特別是指飛機(jī)或航天飛行器上所搭乘的、實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)所必需的載荷，通常由乘客或者是執(zhí)行科學(xué)任務(wù)的儀器裝備組成。例如：衛(wèi)星中直接執(zhí)行特定衛(wèi)星任務(wù)的儀器、設(shè)備或分系統(tǒng)。返回式衛(wèi)星返回艙的有效載荷有多光譜掃描儀、紅外掃描儀、合成孔徑雷達(dá)、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、超光譜成像儀以及遙感信息的數(shù)傳設(shè)備。通信衛(wèi)星的有效載荷有通信轉(zhuǎn)發(fā)器和天線。導(dǎo)航衛(wèi)星的有效載荷有衛(wèi)星時(shí)鐘、導(dǎo)航數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)注入接收機(jī)。偵察衛(wèi)星的有效載荷有可見(jiàn)光膠片型相機(jī)、可見(jiàn)光CCD相機(jī)、雷達(dá)信息信號(hào)接收機(jī)（信道化接收機(jī)、測(cè)向接收機(jī)）和天線陣及大幅面測(cè)量相機(jī)等。衛(wèi)星有效載荷因不同的航天任務(wù)而異，在現(xiàn)階段主要是進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的儀器和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備?！版隙鹨惶?hào)”衛(wèi)星有效載荷將包括微波探測(cè)儀分系統(tǒng)、空間環(huán)境探測(cè)分系統(tǒng)、有效載荷數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)等。有效載荷的組成如圖7-16所示；分系統(tǒng)主要儀器設(shè)備的科學(xué)研究目標(biāo)如表7-1所列。圖7-16“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星有效載荷組成表7-1主要儀器設(shè)備的科學(xué)研究目標(biāo)有效載荷科學(xué)目標(biāo)CCD立體相機(jī)獲取月球表面三維影像激光高度計(jì)干涉式成像光譜儀分析月球表面有用元素及物質(zhì)類(lèi)型的含量和分布γ射線譜儀、X射線譜儀X射線譜儀微波探測(cè)儀評(píng)估月壤厚度高能粒子探測(cè)器探測(cè)地—月空間環(huán)境太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器2.載人航天逃逸救生系統(tǒng)國(guó)外航天技術(shù)發(fā)展的歷史證明，威脅航天員的故障大多發(fā)生在火箭發(fā)射階段，解決火箭發(fā)射故障的逃逸救生技術(shù)，是一項(xiàng)世界性難題。載人航天器在大氣層中的飛行包括發(fā)射、上升、下降和著陸，每個(gè)階段都有可能發(fā)生緊急情況，需要應(yīng)急救生。上升階段最大的危險(xiǎn)來(lái)源于推進(jìn)火箭，最嚴(yán)重的后果是火箭爆炸，因此最有效的方式是“逃離”危險(xiǎn)區(qū)域。載人航天器救生系統(tǒng)方案，就是在航天器的安全得不到保證的應(yīng)急情況下，為拯救航天員生命而設(shè)計(jì)的安全救生措施及設(shè)備，它應(yīng)滿足飛行各階段（發(fā)射、上升、軌道飛行、下降和著陸）的要求。載人航天逃逸救生系統(tǒng)，學(xué)名叫逃逸塔，它承擔(dān)著在火箭發(fā)射過(guò)程中萬(wàn)一發(fā)生危及航天員生命安全的意外緊急情況，確保航天員瞬間逃生、安全返回的任務(wù)；同時(shí)在發(fā)射順利時(shí)它還必須點(diǎn)火工作脫離箭體讓飛船得以繼續(xù)飛行，因此，在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中逃逸塔備受矚目。如圖7-17為中國(guó)神舟九號(hào)載人宇宙飛船發(fā)射，載人航天逃逸救生系統(tǒng)，也叫逃逸塔，在飛船的頂部，塔高8米，從遠(yuǎn)處看像是火箭上的避雷針。它的任務(wù)是在火箭起飛前900秒到起飛后160秒時(shí)間段內(nèi)，也就是飛行高度在0公里至110公里時(shí)，萬(wàn)一火箭發(fā)生故障，它的頂端的11個(gè)火箭推進(jìn)器可以拽著整流罩里的返回艙（宇航員艙）和軌道艙與火箭分離，并降落在安全地帶，幫助飛船上的航天員脫離險(xiǎn)境。當(dāng)宇航員進(jìn)入載人宇宙飛船后，上千只智能傳感器對(duì)宇宙飛船和發(fā)射推進(jìn)火箭進(jìn)行自動(dòng)自主實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)向指揮控制中心上傳信息。在發(fā)射前后的1060秒時(shí)間內(nèi)，一旦出現(xiàn)意外情況并判斷為緊急避險(xiǎn)時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)逃逸塔救生。逃逸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由五種固體發(fā)動(dòng)機(jī)及整流罩的上半部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)分布在位于火箭頭部的逃逸系統(tǒng)和上部整流罩上，上部逃逸塔內(nèi)有11臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，從上至下為分離發(fā)動(dòng)機(jī)、偏航俯仰發(fā)動(dòng)機(jī)、主逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)、高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)和高空分離發(fā)動(dòng)機(jī)，前三種組合負(fù)責(zé)39公里高度以下的逃逸工作，后三種組合在39至110公里高度內(nèi)發(fā)揮作用。采用逃逸塔救生具有多種優(yōu)點(diǎn)：一是適用范圍大，從飛船發(fā)射前到直至110公里高度的范圍內(nèi)均可發(fā)揮作用；二是整艙逃逸，人員安全有保障，航天員在座艙內(nèi)，受爆炸沖擊波、碎片和熱輻射的影響較??；三是逃逸過(guò)載小，一般可控制在較小范圍，對(duì)航天員更安全；四是發(fā)射臺(tái)逃逸性能好，其飛行高度可達(dá)1500米左右，飛行距離近1000米，可遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)。（a）（b）圖7-17（a）神舟九號(hào)飛船發(fā)射升空，（b）神舟九號(hào)飛船與逃逸塔分離3.健康管理綜合系統(tǒng)近年來(lái)，有效載荷研究進(jìn)展迅速，特別是在美國(guó)、歐洲、日本以及中國(guó)等國(guó)家，每磅有效載荷的費(fèi)用大幅下降，據(jù)稱(chēng)已減少到大約12000美元／1b。美國(guó)的NASA宣布，計(jì)劃要通過(guò)研發(fā)采用新技術(shù)，將這個(gè)數(shù)字再降低1／10以上。健康管理綜合系統(tǒng)ISHM（IntegratedSystemHealthManagement）就是其中的新技術(shù)之一，它通過(guò)降低運(yùn)載工具和地面支持系統(tǒng)的運(yùn)行、處理和維護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)有效載荷耗費(fèi)的減少。ISHM是一個(gè)健康監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng)，從傳感器、執(zhí)行器自動(dòng)自主地采集信息，使用嵌入的信息資料等專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行處理，綜合采集的新信息及其先驗(yàn)知識(shí)并以此為依據(jù)組建成健康系統(tǒng)，在實(shí)際失效發(fā)生以前，做出失效預(yù)報(bào)并進(jìn)行修正，避免可能付出的昂貴代價(jià)。顯然，獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是ISHM系統(tǒng)的關(guān)鍵，由傳感器及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)構(gòu)成了ISHM的基礎(chǔ)，因此系統(tǒng)廣泛采用Smart傳感器。要求Smart傳感器能夠提供：好數(shù)據(jù)（評(píng)估并證實(shí)數(shù)據(jù)的有效性，即確認(rèn)數(shù)據(jù)）；經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償）；傳感器健康狀態(tài)（性能惡化和失效檢測(cè)）；嵌入自修復(fù)能力（自校準(zhǔn)和自重建）；傳感器組網(wǎng)能力（有線、無(wú)線）；高可靠性和長(zhǎng)的校準(zhǔn)周期；能夠自動(dòng)自主運(yùn)行，減少人的干預(yù)（降低可維護(hù)性成本）。系統(tǒng)之所以廣泛使用Smart傳感器，主要是基于以下三點(diǎn)：1）Smart傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：能確保數(shù)據(jù)的有效性。由于傳感器嵌入了校準(zhǔn)、失效檢測(cè)以及校正的方法和知識(shí)，故使之具備了健康自我監(jiān)測(cè)的能力。確保了數(shù)據(jù)的可用性。這是由其作用所決定的：它是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的傳感器系統(tǒng)，提供了改變測(cè)試路徑的能力；有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力；具有自我重建的能力。增強(qiáng)了可靠性。主要是縮短了校準(zhǔn)的時(shí)間以及具有自我重建的能力。數(shù)據(jù)的信息量豐富。2）Smart傳感器特性優(yōu)異，主要有：能自我辨識(shí)（組態(tài)控制）；嵌入智能（包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字化、時(shí)間標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)同步、復(fù)雜信號(hào)的處理能力以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等）；健康的自我評(píng)估，即數(shù)據(jù)的有效性和可用性，具有自動(dòng)校準(zhǔn)和自重建的能力；健康管理能力?？梢圆捎媒】惦娮訑?shù)據(jù)表的方法，即對(duì)健康參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)在Smart傳感器內(nèi)，可以有效地協(xié)助確定傳感器的健康狀態(tài)。3）Smart傳感器的網(wǎng)絡(luò)化能力：Smart傳感器被置于網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)使上述的優(yōu)勢(shì)和特性得到了進(jìn)一步的發(fā)揮、擴(kuò)展和增強(qiáng)；通信被延伸至傳感器——系統(tǒng)之間，傳感器不僅可以發(fā)送／接收來(lái)自系統(tǒng)的信息，還可以與網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)傳感器建立通信；傳感器數(shù)據(jù)、體系結(jié)構(gòu)配置、健康和處理等狀態(tài)信息，可以很容易地在傳感器之間以及傳感器和系統(tǒng)之間得到交換；系統(tǒng)對(duì)通信失效的容限放寬了，這是由于當(dāng)初始路徑出故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持改變路徑。如圖7-18（a）～（e）所示，反映了肯尼迪空間中心ISHM系統(tǒng)中Smart傳感器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置，圖中均詳細(xì)說(shuō)明了相應(yīng)的功能、配置和作用。（a）傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（b）特定過(guò)程信息智能傳送服務(wù)部（c）傳感器信息中間傳送服務(wù)（d）傳感器的Smart功能（e）Smart傳感器嵌入信息和網(wǎng)絡(luò)功能圖7-18ISHM系統(tǒng)中Smart傳感器系統(tǒng)的總體與分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.4.2汽車(chē)輪胎智能壓力傳感器汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)（TirePressureMonitoringSystem，TPMS）主要用于在汽車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車(chē)安全，是駕車(chē)者、乘車(chē)人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)制定法律，確認(rèn)TPMS是汽車(chē)的標(biāo)配產(chǎn)品。TPMS的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由五個(gè)部分組成：具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測(cè)和信號(hào)處理ASIC芯片組合的智能傳感器SoC（SystemonChip；稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)芯片）；4-8位單片機(jī)（MCU）；RF射頻發(fā)射芯片；鋰亞電池；天線。如圖7-19（a）所示TPMS汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)及安裝示圖，分別由內(nèi)置式胎壓模塊、上位接收機(jī)模塊（固定在汽車(chē)底盤(pán)）和顯示模塊（安裝駕駛臺(tái)）組成，內(nèi)置式胎壓模塊替代輪胎氣嘴直接安裝在鋁合金輪轂上。圖7-19（b）為外置式胎壓監(jiān)測(cè)模塊，該模塊可直接安裝在輪胎氣嘴上。胎壓模塊監(jiān)測(cè)胎內(nèi)氣壓，再通過(guò)射頻信號(hào)傳送上位接收機(jī)，經(jīng)顯示模塊實(shí)時(shí)顯示每個(gè)輪胎內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力，當(dāng)輪胎氣壓不正常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，保障行車(chē)安全。（a）（b）圖1-19（a）汽車(chē)胎壓監(jiān)視系統(tǒng)，（b）氣帽式胎壓監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖如圖7-20所示分別為美國(guó)GE公司TPMS傳感器NPX2和德國(guó)Infineon公司TPMS傳感器SP30。TPMS汽車(chē)胎壓智能傳感器是采用硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和包含溫度傳感器、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI口、傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼等功能的數(shù)字信號(hào)處理ASIC芯片。具有掩膜可編程性，可利用客戶專(zhuān)用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS傳感器、ASIC電路和MCU（MicroControlUnit，微控制單元）芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的，在封裝的上方留有一個(gè)壓力、溫度導(dǎo)入孔，將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上，將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。為了便于TPMS接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有32位獨(dú)特的ID碼，它可產(chǎn)生4億個(gè)不重復(fù)的號(hào)碼。TPMS汽車(chē)胎壓智能傳感器芯片包含一個(gè)8位RISC單片機(jī)、用于安置系統(tǒng)固化程序的4KEROM或FLASH、用于存放客戶應(yīng)用程序的4KROM、用于存儲(chǔ)傳感器校準(zhǔn)參數(shù)和用戶自定義數(shù)據(jù)的128ByteEEPROM、RAM、定時(shí)調(diào)制器、中斷控制器、RC振蕩器、低噪音放大器LNA、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、輸入/輸出I/O接口、電源管理和看門(mén)狗、斷續(xù)定時(shí)器、LF發(fā)射接口等。SP30內(nèi)部功能框圖和NPX2內(nèi)部功能框圖分別如圖7-21和7-22所示。（a）（b）圖7-20（a）美國(guó)GE公司TPMS傳感器NPX2，（b）德國(guó)Infineon公司TPMS傳感器SP30圖7-21SP30內(nèi)部功能框圖圖7-22NPX2內(nèi)部功能框圖7.4.3智能電網(wǎng)與光纖電流傳感器1.智能電網(wǎng)智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和能源電力技術(shù)相結(jié)合，并與電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)，它能夠抵御攻擊，提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量，容許火力、水力、太陽(yáng)能、風(fēng)力等不同發(fā)電形式的接入。2009年5月，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了《建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)》規(guī)劃，將在2020年形成“五縱六橫”特高壓輸電骨干網(wǎng)架，全面建成堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的主要特征：1）堅(jiān)強(qiáng)。在電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)和故障時(shí)，仍能保持對(duì)用戶的供電能力，而不發(fā)生大面積停電事故；在自然災(zāi)害、極端氣候條件下或外力破壞下仍能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行；具有確保電力信息安全的能力。2）自愈。具有實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)的安全評(píng)估和分析能力，強(qiáng)大的預(yù)警和預(yù)防控制能力，以及自動(dòng)故障診斷、故障隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù)的能力。3）兼容。支持可再生能源的有序、合理接入，適應(yīng)分布式電源和微電網(wǎng)的接入，能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交互和高效互動(dòng)，滿足用戶多樣化的電力需求并提供對(duì)用戶的增值服務(wù)。4）經(jīng)濟(jì)。支持電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)和電力交易的有效開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，降低電網(wǎng)損耗，提高能源利用效率。5）集成。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，采用統(tǒng)一的平臺(tái)和模型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和精益化管理。6）優(yōu)化。優(yōu)化資產(chǎn)的利用，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。2.光纖電流傳感器2010年初，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱(chēng)航天科工）三院33所承擔(dān)了“全光纖電流傳感器”的研制任務(wù)，項(xiàng)目組突破了環(huán)圈和光路的溫度敏感性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將其成功應(yīng)用于河北省邯鄲市賈河口村110kV智能變電站（如圖7-23），為國(guó)家智能電網(wǎng)工程掃清了一處重要障礙。如圖7-24所示，全光纖電流互感器主要由三部分組成：1）光纖傳感環(huán)，光纖傳感環(huán)位于一次端，可套在變壓器出線絕緣子根部，或者套在罐式斷路器外殼外部。采用反射式Sagnac干涉原理和Faraday磁光效應(yīng)傳感一次電流。一套傳感光纖環(huán)可同時(shí)感應(yīng)測(cè)量電流和保護(hù)電流信號(hào)。2）光纖傳輸系統(tǒng)，以鎧裝光纜形式聯(lián)接光纖傳感環(huán)和合并單元。它將合并單元發(fā)出的光信號(hào)輸送到一次電流傳感器端，同時(shí)將電流傳感器返回的信號(hào)送至合并單元進(jìn)行處理。3）合并單元，合并單元置于控制室，包括電流互感器的光源、光探測(cè)器等光學(xué)元件，還包括對(duì)一次電流信號(hào)電路處理系統(tǒng)。合并單元的電路處理系統(tǒng)接收并處理三相電流信號(hào)，按規(guī)定的通信協(xié)議（IEC60044-8或IEC61850-9-1/2）將電流信號(hào)輸出供二次設(shè)備使用。全光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量和繼電保護(hù)的需求，具有極高的安全性，頻率響應(yīng)范圍寬、適用面廣、綠色環(huán)保、符合電力計(jì)量數(shù)字化及自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)等特點(diǎn)。圖7-23全光纖電流傳感器在智能電網(wǎng)的應(yīng)用圖7-24全光纖電流互感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖拓展提高智能電池傳感器2011年2月28日，飛思卡爾半導(dǎo)體（FREESCALESemiconductor）宣布推出MM912J637智能電池傳感器IBS（IntelligentBATTERYSensor），用于測(cè)量車(chē)載鉛酸電池電壓、電流及溫度等參數(shù)并計(jì)算電池狀態(tài)（如圖7-25所示）。飛思卡爾模擬混合信號(hào)及動(dòng)力部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理GavinWoods透露：“隨著電動(dòng)車(chē)與混合動(dòng)力車(chē)電子組成不斷提升，以及起動(dòng)—停車(chē)系統(tǒng)的涌現(xiàn)，持續(xù)精確監(jiān)控汽車(chē)電池狀態(tài)愈顯重要，尤其是在惡劣的汽車(chē)內(nèi)部工作環(huán)境下。我們?yōu)闃I(yè)內(nèi)提供首創(chuàng)的全自動(dòng)電池參數(shù)精確監(jiān)控低成本解決方案，相關(guān)數(shù)據(jù)能夠與其他車(chē)輛系統(tǒng)及司機(jī)共享，在需要掌控電池狀態(tài)時(shí)讓司機(jī)得以安心?！痹撈骷捎昧?6位雙積分模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、可編程增益放大器PGA、可編程喚醒電流定時(shí)器等技術(shù)，能夠?qū)﹄姵仉妷?、差分電流和溫度等?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與精確測(cè)量，讓司機(jī)充分掌控電池狀態(tài)，從而減少元件故障，確保車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性水平。圖7-25MM912J637智能電池傳感器請(qǐng)通過(guò)各種渠道、方式獲取MM912J637智能電池傳感器及其相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)信息，主題討論智能電源管理的應(yīng)用。你的手機(jī)具有智能電源管理功能嗎？如果有，其好處是什么？7.5項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)：智能小車(chē)巡線【智能小車(chē)、巡線傳感器】一項(xiàng)目名稱(chēng)智能小車(chē)巡線。二實(shí)訓(xùn)目標(biāo)1.了解智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)、組成及工作原理。2.熟練掌握智能電子產(chǎn)品的安裝、電氣連接等技術(shù)方法。3.掌握智能儀器儀表電路的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試方法，特別是多傳感器的組合調(diào)試。4.掌握智能傳感器的軟件功能實(shí)現(xiàn)算法與程序設(shè)計(jì)。5.掌握多路紅外光電巡線器的電路、工作原理和組合檢測(cè)技術(shù)。6.掌握電機(jī)的PWM波轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制與驅(qū)動(dòng)技術(shù)。7.掌握單片機(jī)數(shù)字信號(hào)采樣、狀態(tài)識(shí)別處理、輸出控制和調(diào)整技術(shù)。8.掌握通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢各種電子元器件技術(shù)資料的方法并能使用相應(yīng)器件。三實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及器材1.實(shí)訓(xùn)內(nèi)容智能小車(chē)在狹小空間的探測(cè)、危險(xiǎn)環(huán)境的巡測(cè)、廠房庫(kù)房的貨物定線運(yùn)輸?shù)葘?shí)用化前景，以及將來(lái)在日常生活中的應(yīng)用，促進(jìn)了各種引導(dǎo)線路徑環(huán)境的智能小車(chē)研究，并取得了階段性的技術(shù)成果。針對(duì)單一路徑識(shí)別的智能小車(chē)控制模型，通過(guò)紅外光電檢測(cè)模塊獲取路徑識(shí)別信號(hào)，建立模糊控制模型與算法，當(dāng)小車(chē)相對(duì)于引導(dǎo)線發(fā)生左右偏移時(shí)，控制方向舵機(jī)或兩輪差速轉(zhuǎn)向，調(diào)整并消除偏移，使智能小車(chē)運(yùn)行方向與引導(dǎo)線方向幾乎保持一致，始終保持在軌道內(nèi)行進(jìn)，已有多種成功案例。（a）（b）（c）（d）（e）圖7-26智能小車(chē)巡線項(xiàng)目組件實(shí)物圖如圖7-26所示，為某型號(hào)智能小車(chē)模塊組件：四驅(qū)小車(chē)底盤(pán)、單片機(jī)控制模塊、紅外光電巡線器和L293N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，將其組裝為一臺(tái)完整的8路紅外光電巡線四驅(qū)智能小車(chē)（如圖7-27所示），并在規(guī)定的場(chǎng)地線路上完成行駛?cè)蝿?wù)?；疽螅翰捎?路紅外光電巡線檢測(cè)模式，進(jìn)行白線或黑線行駛檢測(cè)，為小車(chē)行駛提供狀態(tài)和判斷數(shù)據(jù)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別驅(qū)動(dòng)左、右兩組直流電機(jī)，通過(guò)兩組直流電機(jī)差速行駛