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均以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。因此，著者對智能傳感器一書再版的內容做了大幅度調整?！　∽鳛閷崿F智能傳感器系統(tǒng)重要基石的集成化技術，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理電路、典型集成電路元件制造工藝有關的集成技術，割舍了現代傳感器技術中與制作典型微結構以及微機械工藝主要技術有關的內容，這部分內容其他相關專著會比我們闡述得更為清楚。我們重點介紹這些不同集成度、適配不同類型傳感器的集成調理電路以及單片全系統(tǒng)集成器件芯片的技術性能、指標與其使用方法，為讀者構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。　　智能傳感器／變送器仍然是現場控制總線（FCS）系統(tǒng)中的主要角色。其發(fā)展勢頭與發(fā)展規(guī)模隨著自動化技術的發(fā)展更加波瀾壯闊。現場總線控制系統(tǒng)是智能傳感器最大的工業(yè)實用舞臺，在智能傳感器實用化進程中具有首屈一指的重要作用。對于現場總線控制系統(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具體技術問題的介紹；相應的智能化功能，如刻度轉換與非線性自校正、自校零與自校準、溫度補償、PID控制等，均放在有關章節(jié)中統(tǒng)一介紹；其智能化通信功能，由于與現場總線流行的各種通信協(xié)議密切相關，相關的技術培訓班可以更好地解決使用中所需具備的具體技術問題，故本版書中不再介紹。書中增加了在網絡化與通信功能發(fā)展中，重要性日益凸現的無線網絡智能傳感器系統(tǒng)。　　賦予傳感器系統(tǒng)以“智能”的智能傳感器技術，隨著信息處理技術的飛速發(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，使那些經典的和新興的信息處理技術相繼不斷地被挖掘、移植與引入到智能傳感器系統(tǒng)這一新的領域中來，成為實現智能化功能新的有效技術手段。本書力求反映這種形勢。書中涉及的每一種信息處理技術都已有相應的專著論述，本書無力仿效它們去講述理論本身，而是本著拿來為我所用的宗旨，著重介紹應用這些理論實現智能化功能的基本原理與方法，為使用智能化技術奠定基礎?！　”緯奶厣憩F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，而且均針對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都在相應章節(jié)基礎知識部分提供，無需借助其他專著，其目的在于介紹它們作為智能化技術工具入門的基本思路，為讀者舉一反三、擴大應用的廣度與深度留以廣闊的空間和無限的余地。傳感器的種類數不勝數，新的信息處理技術也將層出不窮，期望廣大讀者善于捕捉與挖掘。

內容概要

本書在第一版的基礎上對智能傳感器系統(tǒng)及相應智能化技術進行了與時俱進的全面闡述，重點突出三個方面：一是概述智能傳感器系統(tǒng)硬件的兩種實現形式，即傳感器（經典的或現代的）經不同集成度調理電路芯片與CPU相結合的虛擬儀器形式以及與MPU相結合的微計算機/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現技術，并依次介紹了多種經典和新興的信息處理技術作為智能化技術工具的原理與方法，同時又注意介紹其軟件模塊在兩種形式智能傳感器系統(tǒng)中的實現；三是介紹新型的模糊與無線網絡智能傳感器系統(tǒng)。 本書內容豐富、新穎，反映了該領域前沿的最新技術，既具先進性又具實用性；文字簡潔、深入淺出，避免了深奧的理論闡述與生澀的數學推導，但不失說理性，便于自學。 本書可作為高等院校研究生教材，也可作為進行科學研究、工程實驗的科研工作者及工程技術人員的參考書。

書籍目錄

第1章　概述　1.1　傳感器技術發(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　　1.3.1　智能傳感器的功能　　1.3.2　智能傳感器的特點　1.4　智能傳感器概念與傳感器系統(tǒng)　1.5　智能傳感器實現的途徑　　1.5.1　非集成化實現　　1.5.2　集成化實現　　1.5.3　混合實現　　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　1.6　現場總線智能變送器/傳感器經典實例簡介　　1.6.1　現場總線控制系統(tǒng)（FCS）中的傳感器與儀表　　1.6.2　經典實例簡介　參考文獻第2章　智能傳感器系統(tǒng)中的經典傳感技術基礎　2.1　傳感器系統(tǒng)的基本特性與技術指標　　2.1.1　靜態(tài)特性與靜態(tài)技術指標　　2.1.2　動態(tài)特性與動態(tài)技術指標　2.2　幾種變換器工作原理　　2.2.1　基于壓阻效應的電阻變換器　　2.2.2　基于電容效應的電容變換器　　2.2.3　基于固有頻率變化效應的諧振式變換器　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途徑　　2.4.1　合理選擇結構、參數與工藝　　2.4.2　基于差動對稱結構的差動技術　　2.4.3　補償　　2.4.4　多信號測量法　參考文獻第3章　智能傳感器系統(tǒng)的組建與集成調理電路芯片介紹　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　信號調理　　3.1.3　數據采集與轉換　　3.1.4　計算機及其I/O接口設備　3.2　基于虛擬儀器平臺實現數據采集與顯示功能　　3.2.1　數據采集卡（DAQ）的基本性能指標　　3.2.2　數據采集卡的安裝　　3.2.3　I/O接口設備Lab　PCI　6024E數據采集卡簡介　　3.2.4　實現數據采集卡軟件驅動前的參數設置　　3.2.5　[示例3-1]基于DAQ與PC實現虛擬儀器式的數據采集與顯示　3.3　電阻電橋式傳感器的單片集成調理電路——MAX1450芯片　　3.3.1　MAX1450芯片的引腳功能與結構框圖　　3.3.2　MAX1450的基本功能與補償校準功能　3.4　適配壓阻式傳感器的單片集成調理電路——MAX1460芯片　　3.4.1　結構框圖　　3.4.2　功能與原理簡介　3.5　適配變壓器式傳感器的單片集成調理電路——AD698芯片簡介　　3.5.1　LVDT變壓器式傳感器簡介　　3.5.2　AD698的結構框圖與工作原理　　3.5.3　主要參數設置與使用方法　3.6　適配電容式傳感器的集成調理電路——CAV414芯片　　3.6.1　CAV414的結構框圖　　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成　3.7　數據采集系統(tǒng)——單片集成接口芯片ADuC812　　3.7.1　簡介　　3.7.2　結構框圖與組成模塊的功能　　3.7.3　主要參數特點　　3.7.4　應用舉例——溫度的測量與顯示系統(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結構框圖及引腳排列　　3.8.2　主要功能與技術指標　　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　簡介　　3.9.2　結構框圖及引腳功能　　3.9.3　主要參數　　3.9.4　應用方法舉例　3.10　適配橋路式傳感器的信號調理電路——ZMD31050芯片　　3.10.1　簡介　　3.10.2　功能框圖與引腳排列　　3.10.3　主要參數　　3.10.4　應用舉例　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　簡介　　3.11.2　結構框圖與功能　　3.11.3　主要參數特點　　3.11.4　使用說明及典型應用舉例　參考文獻第4章　基本智能化功能與其軟件實現第5章　多元回歸分析法及其在智能傳感器系統(tǒng)中的應用第6章　神經網絡技術與其在智能傳感器系統(tǒng)中的應用第7章　支持向量機技術在智能傳感器系統(tǒng)中的應用第8章　粒子群優(yōu)化算法與其在智能傳感器系統(tǒng)中的應用第9章　主成分分析及其在智能傳感器系統(tǒng)中的應用第10章　小波分析及其在智能傳感器系統(tǒng)中的應用第11章　線性相位濾波器與自適應濾波器第12章　模糊智能傳感器系統(tǒng)第13章　無線傳感器網絡參考文獻

章節(jié)摘錄

　　由于傳感器的使用，使生產工藝過程的控制和產品性能的檢測有了保證，所以它是提高產品競爭力的強有力的手段，是獲得經濟效益的有效途徑。據有關資料，全美電站的相關數據表明，如果主汽流量精度改善1％，電站的燃燒成本（熱效率）將會改善1％，每年可節(jié)約3億美元；若傳感器及其測量儀表可利用率提高1％，則每年可節(jié)約30億美元；美國的電站采用了先進的傳感器和控制技術后，使全美經濟每年獲益達110億美元之多?！　、诳茖W研究的“先行官”。偉大的科學家門捷列夫說過：“沒有測量就沒有科學”。諾貝爾獎設立至今，眾多得獎科學家都是借助于先進儀器的誕生才獲得重大的科學發(fā)現。例如，正是因為有了改進的儀器儀表，才使人類基因的測試提前3年完成。人類進一步對地下、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代武器裝備幾乎都配備了相關的檢測傳感器及其控制儀器儀表。　?、艽_認證據的“物化法官”。在產品質檢、環(huán)境污染監(jiān)測、違禁藥物檢測、指紋識別、假鈔與金屬利器識別等方面，傳感器及其儀器儀表是確認證據的科學依據?！　、莅踩钠琳稀Ｃ旱V瓦斯監(jiān)測與安全預警需要高靈敏度、高穩(wěn)定性、快速響應的氣體傳感器；氣體液體傳輸，如我國的“西氣東輸”管道，需要高精度的油氣計量傳感器；國家領空、領海、邊境安全等都需要大面積、廣域傳感檢測系統(tǒng)?！　、迋魅静☆A警、環(huán)境保護、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（SO2、NOx、CO2、微塵等），水質監(jiān)測（COD、BOD等），以及電磁輻射、噪聲、室內有害氣體（甲醛等）等的監(jiān)測無不需要相應的傳感器及其儀器儀表系統(tǒng)?！　∷陨鐣枰?！海陸空、吃穿住，傳感器無處不在，也必須無處不在。

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