傳感器技術(shù)的新發(fā)展：智能傳感器和多功能傳感器
發(fā)布時(shí)間：
2019-10-14
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傳感器像人的五官一樣,是獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但與飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)相比較,作為“五官”的傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上作為“大腦”的計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度。
隨著測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好,而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力,并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。國(guó)外有的文章稱傳統(tǒng)的傳感器為Dumb sensor(愚蠢的、笨啞的傳感器) [1 ] 。另外,為制造高性能的傳感器,光靠改進(jìn)材料工藝也很困難,需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合,彌補(bǔ)其性能的不足,計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革,微處理器(或微計(jì)算機(jī)) 和傳感器相結(jié)合,產(chǎn)生功能強(qiáng)大的智能傳感器。國(guó)外稱為Intelligent sensor (智能傳感器) 或Smart2sensor (靈巧的、機(jī)敏的、智能傳感器) 。另外,傳統(tǒng)的傳感器一般只能測(cè)量一個(gè)參數(shù),有些場(chǎng)合需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)的體積小的多功能傳感器。現(xiàn)在多國(guó)科學(xué)家已重視這一方向的開(kāi)拓,并已研制出一些多功能傳感器。
1、智能傳感器
智能傳感器是當(dāng)今國(guó)際科技界研究的熱點(diǎn),尚無(wú)統(tǒng)一的、確切的定義。本文不討論( In2telligent sensor 或Smart sensor) 兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的區(qū)別,統(tǒng)稱為智能傳感器。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī)) 相結(jié)合而構(gòu)成的,它充分利用計(jì)算機(jī)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,并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié),使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能傳感器的功能如下:
(1)自補(bǔ)償能力:通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
(2) 自校準(zhǔn)功能:操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。
(3) 自診斷功能:接通電源后,可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢,檢查傳感器各部分是否正常,并可診斷發(fā)生故障的部件。
(4) 數(shù)值處理功能:可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序,自動(dòng)處理數(shù)據(jù),如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,剔除異常值等。
(5) 雙向通信功能:微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán),微處理機(jī)不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。
(6) 信息存儲(chǔ)和記憶功能。
(7) 數(shù)字量輸出功能:輸出數(shù)字信號(hào),可方便的和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。
目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件,檢測(cè)物理量的變化,而智能傳感器則包括測(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)顯示等。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),它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、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) ,使傳感器具有更高級(jí)的智能,具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,可以完成圖象識(shí)別、特征檢測(cè)、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù)。
2、智能傳感器的結(jié)構(gòu)
智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計(jì)算機(jī)) 及相關(guān)電路組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所
傳感器技術(shù)的新發(fā)展：智能傳感器和多功能傳感器
圖1 智能傳感器原理框圖
傳感器將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),送到信號(hào)調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)是智能傳感器的核心,它不但可以對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理,還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務(wù),從而大大降低傳感器制造的難度,提高傳感器的性能,降低成本。
智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的,也可以是分離式,按結(jié)構(gòu)可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個(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,集成度高,體積小。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下還很難實(shí)現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路作在不同的芯片上,則構(gòu)成混合式的智能傳感器(Hybrid Smart2Sensor) 。目前這類結(jié)構(gòu)較多。初級(jí)的智能傳感器也可以有許多互相獨(dú)立的模塊組成,如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi),則組高,體積較大,但在目前的技術(shù)水平下,仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。
3、多功能傳感器
多功能傳感器能轉(zhuǎn)換兩種以上的不同物理量。例如,使用特殊的陶瓷把溫度和濕度敏感元件集成在一起,作成溫濕度傳感器;把檢測(cè)鈉離子和鉀離子的敏感元件集成在一個(gè)基片上,制成測(cè)量血液中離子成分的傳感器;將檢測(cè)幾種不同氣體敏感元件用厚膜制造工藝作在同一基片上,制成檢測(cè)H2S、C8H18 、NH3 、C20H20O 四種氣體的多功能傳感器;在同一硅片上制作應(yīng)變計(jì)和溫度敏感元件,制成同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的多功能傳感器,該傳感器還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。此外,日本學(xué)者還研制出其它多功能傳感器,如測(cè)量溫濕度和風(fēng)速,測(cè)量物體表面光潔度和溫度的傳感器。有些多功能傳感器是混合式的,分別制作幾個(gè)傳感器并組裝起來(lái)。多功能傳感器和微處理機(jī)、信號(hào)處理電路結(jié)合起來(lái),則組成多功能智能傳感器。
4、智能傳感器和多功能傳感器的應(yīng)用
智能傳感器最早應(yīng)用在航天領(lǐng)域。宇宙飛船中需要測(cè)量大量參數(shù),有反映運(yùn)行軌道的速度、加速度、姿態(tài)、方位等參數(shù),有反映宇航員生存環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、空氣成分等參數(shù),因此需要大量的傳感器。這些大量的原始數(shù)據(jù)若直接送到計(jì)算機(jī)中,無(wú)疑會(huì)增加主計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān),影響處理速度。為了提高效率和可靠性,采用分布處理的方法,即將這些數(shù)據(jù)先經(jīng)過(guò)各自的處理系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理,然后再傳送至主機(jī)進(jìn)行集中處理。這就是在美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)宇宙飛船時(shí)所開(kāi)發(fā)的智能傳感器。由于智能傳感器和多功能傳感器的功能強(qiáng),集成度高,體積小,因此可以大大減少傳感器的數(shù)量和連接電纜線的重量,這恰是導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器所需要的,所以它們?cè)诤娇蘸教祛I(lǐng)域中起著非常重要的作用。
在工業(yè)生產(chǎn)中,隨著生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展,采集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多,需要使用大量傳感器和計(jì)算機(jī)。特別是需要智能傳感器。
智能傳感器和多功能傳感器在機(jī)器人中有廣闊的應(yīng)用前景。如視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、接近覺(jué)傳感器等。特別是智能機(jī)器人,需要根據(jù)采集的信息進(jìn)行識(shí)別、判斷、決策。智能傳感器如同人的五官,可以使機(jī)器人具有感知功能。現(xiàn)在一些國(guó)家在研究開(kāi)發(fā)可以識(shí)別物體形狀的觸覺(jué)傳感器,分辨不同氣體的嗅覺(jué)傳感器。
隨著智能傳感器和多功能傳感器的發(fā)展,它們將在工業(yè)、科技、國(guó)防等各個(gè)部門得到更廣泛的應(yīng)用。
5、現(xiàn)狀與發(fā)展
目前,世界各國(guó)都在研制與開(kāi)發(fā)各種智能傳感器和多功能傳感器。其中最成功的是美國(guó)Honeywell 公司研制的DSTJ - 3000 智能壓差壓力傳感器在同一塊半導(dǎo)體基片上用離子注入法配置擴(kuò)散了壓差、靜壓和溫度三個(gè)敏感元件,整個(gè)傳感器還包括變換器、多路轉(zhuǎn)換器、脈沖調(diào)制、微處理器和數(shù)字量輸出接口等。另外還在PROM 中裝有該傳感器的特性數(shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。Par Scientific 公司研制1000 系列數(shù)字式石英智能傳感的器。日本日立研究所研制出可以識(shí)別四種氣體嗅覺(jué)傳感器。智能傳感器是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、材料科學(xué)互相結(jié)合的綜合密集型技術(shù)。目前各國(guó)科學(xué)家正在按下列技術(shù)途徑開(kāi)發(fā)研究:
(1) 利用新型材料研制基本傳感器。基本傳感器是智能傳感器的基礎(chǔ),它的制作及其性能對(duì)整個(gè)智能傳感器影響甚大。除硅材料具有優(yōu)良的物理特性,能夠方便地制成各種集成傳感器。此外還有功能陶瓷、石英、記憶合金等都是制作傳感器的優(yōu)質(zhì)材料。
(2) 利用新的加工技術(shù)。近年來(lái)利用微加工技術(shù)日趨成熟,可以加工高性能的微結(jié)構(gòu)傳感器、ASIC 制作技術(shù),也可用于制造智能傳感器。
(3) 采用新的測(cè)量原理和方法。諧振式傳感器輸出數(shù)字量,可以直接和微機(jī)及接口總線連接,不用A/ D 轉(zhuǎn)換器。另外,光纖傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器新型傳感器,為智能傳感器提供新的信息來(lái)源。
專業(yè)從事磁敏傳感器及智能儀表研發(fā)、制造的高技術(shù)企業(yè)
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