智能傳感器系統(tǒng)

前言

　　自1999年本書第一版問世以來，智能傳感器系統(tǒng)以及與之伴隨的智能傳感器技術(shù)均以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。因此，著者對(duì)智能傳感器一書再版的內(nèi)容做了大幅度調(diào)整。　　作為實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)重要基石的集成化技術(shù)，更是發(fā)展迅猛異常，不但已有與不同種類傳感器適配的、不同集成度的調(diào)理電路芯片商品，更有含微處理器的單片全系統(tǒng)集成的器件芯片商品大量流行于市。本版書中割舍了與這些集成調(diào)理電路、典型集成電路元件制造工藝有關(guān)的集成技術(shù)，割舍了現(xiàn)代傳感器技術(shù)中與制作典型微結(jié)構(gòu)以及微機(jī)械工藝主要技術(shù)有關(guān)的內(nèi)容，這部分內(nèi)容其他相關(guān)專著會(huì)比我們闡述得更為清楚。我們重點(diǎn)介紹這些不同集成度、適配不同類型傳感器的集成調(diào)理電路以及單片全系統(tǒng)集成器件芯片的技術(shù)性能、指標(biāo)與其使用方法，為讀者構(gòu)建自己的智能傳感器系統(tǒng)提供一種新的思路與新的途徑?！　≈悄軅鞲衅鳎兯推魅匀皇乾F(xiàn)場(chǎng)控制總線（FCS）系統(tǒng)中的主要角色。其發(fā)展勢(shì)頭與發(fā)展規(guī)模隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展更加波瀾壯闊?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是智能傳感器最大的工業(yè)實(shí)用舞臺(tái)，在智能傳感器實(shí)用化進(jìn)程中具有首屈一指的重要作用。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的智能傳感器／變送器，本版書割舍了在使用安裝中涉及的有關(guān)具體技術(shù)問題的介紹；相應(yīng)的智能化功能，如刻度轉(zhuǎn)換與非線性自校正、自校零與自校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、PID控制等，均放在有關(guān)章節(jié)中統(tǒng)一介紹；其智能化通信功能，由于與現(xiàn)場(chǎng)總線流行的各種通信協(xié)議密切相關(guān)，相關(guān)的技術(shù)培訓(xùn)班可以更好地解決使用中所需具備的具體技術(shù)問題，故本版書中不再介紹。書中增加了在網(wǎng)絡(luò)化與通信功能發(fā)展中，重要性日益凸現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)智能傳感器系統(tǒng)。　　賦予傳感器系統(tǒng)以“智能”的智能傳感器技術(shù)，隨著信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展而快速地發(fā)展著。智能傳感器工作者辛勤而有成效的工作，使那些經(jīng)典的和新興的信息處理技術(shù)相繼不斷地被挖掘、移植與引入到智能傳感器系統(tǒng)這一新的領(lǐng)域中來，成為實(shí)現(xiàn)智能化功能新的有效技術(shù)手段。本書力求反映這種形勢(shì)。書中涉及的每一種信息處理技術(shù)都已有相應(yīng)的專著論述，本書無力仿效它們?nèi)ブv述理論本身，而是本著拿來為我所用的宗旨，著重介紹應(yīng)用這些理論實(shí)現(xiàn)智能化功能的基本原理與方法，為使用智能化技術(shù)奠定基礎(chǔ)?！　”緯奶厣憩F(xiàn)在每章之后的示例中。全書的示例都以提高傳感器穩(wěn)定性、消除交叉敏感的影響這一智能化功能作為目標(biāo)，而且均針對(duì)壓阻式壓力傳感器來介紹不同信息處理手段。所需的信息處理知識(shí)都在相應(yīng)章節(jié)基礎(chǔ)知識(shí)部分提供，無需借助其他專著，其目的在于介紹它們作為智能化技術(shù)工具入門的基本思路，為讀者舉一反三、擴(kuò)大應(yīng)用的廣度與深度留以廣闊的空間和無限的余地。傳感器的種類數(shù)不勝數(shù)，新的信息處理技術(shù)也將層出不窮，期望廣大讀者善于捕捉與挖掘。

內(nèi)容概要

本書在第一版的基礎(chǔ)上對(duì)智能傳感器系統(tǒng)及相應(yīng)智能化技術(shù)進(jìn)行了與時(shí)俱進(jìn)的全面闡述，重點(diǎn)突出三個(gè)方面：一是概述智能傳感器系統(tǒng)硬件的兩種實(shí)現(xiàn)形式，即傳感器（經(jīng)典的或現(xiàn)代的）經(jīng)不同集成度調(diào)理電路芯片與CPU相結(jié)合的虛擬儀器形式以及與MPU相結(jié)合的微計(jì)算機(jī)/微處理器形式；二是全面概述了基本智能化功能軟件模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并依次介紹了多種經(jīng)典和新興的信息處理技術(shù)作為智能化技術(shù)工具的原理與方法，同時(shí)又注意介紹其軟件模塊在兩種形式智能傳感器系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)；三是介紹新型的模糊與無線網(wǎng)絡(luò)智能傳感器系統(tǒng)。 本書內(nèi)容豐富、新穎，反映了該領(lǐng)域前沿的最新技術(shù)，既具先進(jìn)性又具實(shí)用性；文字簡(jiǎn)潔、深入淺出，避免了深?yuàn)W的理論闡述與生澀的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，但不失說理性，便于自學(xué)。 本書可作為高等院校研究生教材，也可作為進(jìn)行科學(xué)研究、工程實(shí)驗(yàn)的科研工作者及工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章　概述　1.1　傳感器技術(shù)發(fā)展的重要性　1.2　智能傳感器發(fā)展的歷史背景　1.3　智能傳感器的功能與特點(diǎn)　　1.3.1　智能傳感器的功能　　1.3.2　智能傳感器的特點(diǎn)　1.4　智能傳感器概念與傳感器系統(tǒng)　1.5　智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑　　1.5.1　非集成化實(shí)現(xiàn)　　1.5.2　集成化實(shí)現(xiàn)　　1.5.3　混合實(shí)現(xiàn)　　1.5.4　智能傳感器的幾種形式　　1.5.5　改善傳感器系統(tǒng)性能的多傳感器智能化技術(shù)　1.6　現(xiàn)場(chǎng)總線智能變送器/傳感器經(jīng)典實(shí)例簡(jiǎn)介　　1.6.1　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）中的傳感器與儀表　　1.6.2　經(jīng)典實(shí)例簡(jiǎn)介　參考文獻(xiàn)第2章　智能傳感器系統(tǒng)中的經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)　2.1　傳感器系統(tǒng)的基本特性與技術(shù)指標(biāo)　　2.1.1　靜態(tài)特性與靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)　　2.1.2　動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)　2.2　幾種變換器工作原理　　2.2.1　基于壓阻效應(yīng)的電阻變換器　　2.2.2　基于電容效應(yīng)的電容變換器　　2.2.3　基于固有頻率變化效應(yīng)的諧振式變換器　2.3　集成化壓力傳感器與加速度傳感器　　2.3.1　壓阻式壓力傳感器　　2.3.2　電容式壓力傳感器　　2.3.3　諧振式壓力傳感器　　2.3.4　加速度傳感器　2.4　提高傳感器性能的技術(shù)途徑　　2.4.1　合理選擇結(jié)構(gòu)、參數(shù)與工藝　　2.4.2　基于差動(dòng)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的差動(dòng)技術(shù)　　2.4.3　補(bǔ)償　　2.4.4　多信號(hào)測(cè)量法　參考文獻(xiàn)第3章　智能傳感器系統(tǒng)的組建與集成調(diào)理電路芯片介紹　3.1　智能傳感器系統(tǒng)的基本組成形式　　3.1.1　傳感器　　3.1.2　信號(hào)調(diào)理　　3.1.3　數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換　　3.1.4　計(jì)算機(jī)及其I/O接口設(shè)備　3.2　基于虛擬儀器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示功能　　3.2.1　數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）的基本性能指標(biāo)　　3.2.2　數(shù)據(jù)采集卡的安裝　　3.2.3　I/O接口設(shè)備Lab　PCI　6024E數(shù)據(jù)采集卡簡(jiǎn)介　　3.2.4　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡軟件驅(qū)動(dòng)前的參數(shù)設(shè)置　　3.2.5　[示例3-1]基于DAQ與PC實(shí)現(xiàn)虛擬儀器式的數(shù)據(jù)采集與顯示　3.3　電阻電橋式傳感器的單片集成調(diào)理電路——MAX1450芯片　　3.3.1　MAX1450芯片的引腳功能與結(jié)構(gòu)框圖　　3.3.2　MAX1450的基本功能與補(bǔ)償校準(zhǔn)功能　3.4　適配壓阻式傳感器的單片集成調(diào)理電路——MAX1460芯片　　3.4.1　結(jié)構(gòu)框圖　　3.4.2　功能與原理簡(jiǎn)介　3.5　適配變壓器式傳感器的單片集成調(diào)理電路——AD698芯片簡(jiǎn)介　　3.5.1　LVDT變壓器式傳感器簡(jiǎn)介　　3.5.2　AD698的結(jié)構(gòu)框圖與工作原理　　3.5.3　主要參數(shù)設(shè)置與使用方法　3.6　適配電容式傳感器的集成調(diào)理電路——CAV414芯片　　3.6.1　CAV414的結(jié)構(gòu)框圖　　3.6.2　工作原理與引腳連接　　3.6.3　[示例3-2]基于CAV414的電容式變送器的構(gòu)成　3.7　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——單片集成接口芯片ADuC812　　3.7.1　簡(jiǎn)介　　3.7.2　結(jié)構(gòu)框圖與組成模塊的功能　　3.7.3　主要參數(shù)特點(diǎn)　　3.7.4　應(yīng)用舉例——溫度的測(cè)量與顯示系統(tǒng)　3.8　溫度傳感器系統(tǒng)——全系統(tǒng)單片集成芯片MAX6625　　3.8.1　MAX6625結(jié)構(gòu)框圖及引腳排列　　3.8.2　主要功能與技術(shù)指標(biāo)　　3.8.3　工作原理　　3.8.4　MAX6625的操作與使用　　3.8.5　MAX6625器件的編程舉例　3.9　XTR101　4～20mA回路變送器芯片　　3.9.1　簡(jiǎn)介　　3.9.2　結(jié)構(gòu)框圖及引腳功能　　3.9.3　主要參數(shù)　　3.9.4　應(yīng)用方法舉例　3.10　適配橋路式傳感器的信號(hào)調(diào)理電路——ZMD31050芯片　　3.10.1　簡(jiǎn)介　　3.10.2　功能框圖與引腳排列　　3.10.3　主要參數(shù)　　3.10.4　應(yīng)用舉例　3.11　雙軸加速度傳感器系統(tǒng)——全系統(tǒng)單片集成芯片ADXL202　　3.11.1　簡(jiǎn)介　　3.11.2　結(jié)構(gòu)框圖與功能　　3.11.3　主要參數(shù)特點(diǎn)　　3.11.4　使用說明及典型應(yīng)用舉例　參考文獻(xiàn)第4章　基本智能化功能與其軟件實(shí)現(xiàn)第5章　多元回歸分析法及其在智能傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第6章　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其在智能傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第7章　支持向量機(jī)技術(shù)在智能傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第8章　粒子群優(yōu)化算法與其在智能傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第9章　主成分分析及其在智能傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第10章　小波分析及其在智能傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第11章　線性相位濾波器與自適應(yīng)濾波器第12章　模糊智能傳感器系統(tǒng)第13章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　由于傳感器的使用，使生產(chǎn)工藝過程的控制和產(chǎn)品性能的檢測(cè)有了保證，所以它是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的強(qiáng)有力的手段，是獲得經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。據(jù)有關(guān)資料，全美電站的相關(guān)數(shù)據(jù)表明，如果主汽流量精度改善1％，電站的燃燒成本（熱效率）將會(huì)改善1％，每年可節(jié)約3億美元；若傳感器及其測(cè)量?jī)x表可利用率提高1％，則每年可節(jié)約30億美元；美國(guó)的電站采用了先進(jìn)的傳感器和控制技術(shù)后，使全美經(jīng)濟(jì)每年獲益達(dá)110億美元之多?！　、诳茖W(xué)研究的“先行官”。偉大的科學(xué)家門捷列夫說過：“沒有測(cè)量就沒有科學(xué)”。諾貝爾獎(jiǎng)設(shè)立至今，眾多得獎(jiǎng)科學(xué)家都是借助于先進(jìn)儀器的誕生才獲得重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。例如，正是因?yàn)橛辛烁倪M(jìn)的儀器儀表，才使人類基因的測(cè)試提前3年完成。人類進(jìn)一步對(duì)地下、海洋空間、宇宙星球的探索都離不開傳感器及其儀器儀表系統(tǒng)，而且還需研制在這些極端條件下可正常工作的傳感器?！　、圮娛律系摹皯?zhàn)斗力”?，F(xiàn)代武器裝備幾乎都配備了相關(guān)的檢測(cè)傳感器及其控制儀器儀表?！　、艽_認(rèn)證據(jù)的“物化法官”。在產(chǎn)品質(zhì)檢、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、違禁藥物檢測(cè)、指紋識(shí)別、假鈔與金屬利器識(shí)別等方面，傳感器及其儀器儀表是確認(rèn)證據(jù)的科學(xué)依據(jù)?！　、莅踩钠琳稀Ｃ旱V瓦斯監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警需要高靈敏度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)的氣體傳感器；氣體液體傳輸，如我國(guó)的“西氣東輸”管道，需要高精度的油氣計(jì)量傳感器；國(guó)家領(lǐng)空、領(lǐng)海、邊境安全等都需要大面積、廣域傳感檢測(cè)系統(tǒng)?！　、迋魅静☆A(yù)警、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略保障。SARS、禽流感等突發(fā)性流行病的快速診斷需要具有快速分析能力的生物傳感器；大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)（SO2、NOx、CO2、微塵等），水質(zhì)監(jiān)測(cè)（COD、BOD等），以及電磁輻射、噪聲、室內(nèi)有害氣體（甲醛等）等的監(jiān)測(cè)無不需要相應(yīng)的傳感器及其儀器儀表系統(tǒng)?！　∷陨鐣?huì)需要它！海陸空、吃穿住，傳感器無處不在，也必須無處不在。

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