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傳感器技術的新發展:智能傳感器和多功能傳感器

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傳感器技術的新發展:智能傳感器和多功能傳感器

  • 分類:新聞動態
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  • 來源:
  • 發布時間:2019-10-14 15:52
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傳感器技術的新發展:智能傳感器和多功能傳感器

【概要描述】

  • 分類:新聞動態
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詳情
  傳感器像人的五官一樣,是獲取信息的重要工具。它在工業生產、國防建設和科學技術領域發揮著巨大的作用。但與飛速發展的計算機相比較,作為“五官”的傳感器遠遠趕不上作為“大腦”的計算機的發展速度。
  隨著測控系統自動化、智能化的發展,要求傳感器準確度高、可靠性高、穩定性好,而且具備一定的數據處理能力,并能夠自檢、自校、自補償。傳統的傳感器已不能滿足這樣的要求。國外有的文章稱傳統的傳感器為Dumb sensor(愚蠢的、笨啞的傳感器) [1 ] 。另外,為制造高性能的傳感器,光靠改進材料工藝也很困難,需要利用計算機技術與傳感器技術相結合,彌補其性能的不足,計算機技術使傳感器技術發生了巨大的變革,微處理器(或微計算機) 和傳感器相結合,產生功能強大的智能傳感器。國外稱為Intelligent sensor (智能傳感器) 或Smart2sensor (靈巧的、機敏的、智能傳感器) 。另外,傳統的傳感器一般只能測量一個參數,有些場合需要同時測量多個參數的體積小的多功能傳感器。現在多國科學家已重視這一方向的開拓,并已研制出一些多功能傳感器。
1、智能傳感器
智能傳感器是當今國際科技界研究的熱點,尚無統一的、確切的定義。本文不討論( In2telligent sensor 或Smart sensor) 兩個術語的區別,統稱為智能傳感器。
目前國內外學者普遍認為,智能傳感器是由傳統的傳感器和微處理器(或微計算機) 相結合而構成的,它充分利用計算機的計算和存儲能力,對傳感器的數據進行處理,并能對它的內部行為進行調節,使采集的數據最佳。智能傳感器的功能如下:
(1)自補償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償。
(2) 自校準功能:操作者輸入零值或某一標準量值后,自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。
(3) 自診斷功能:接通電源后,可對傳感器進行自檢,檢查傳感器各部分是否正常,并可診斷發生故障的部件。
(4) 數值處理功能:可以根據智能傳感器內部的程序,自動處理數據,如進行統計處理,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成閉環,微處理機不但接收、處理傳感器的數據,還可將信息反饋至傳感器,對測量過程進行調節和控制。
(6) 信息存儲和記憶功能。
(7) 數字量輸出功能:輸出數字信號,可方便的和計算機或接口總線相連。
目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統的傳感器只能作為敏感元件,檢測物理量的變化,而智能傳感器則包括測量信號調理(如濾波、放大、A/ D 轉換等) 、數據處理以及數據顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能??杉悄艽釁韉墓δ芤蜒由斕揭瞧韉牧煊?。
隨著科學技術的發展,智能傳感器的功能將逐步增強,它將利用人工神經網、人工智能、信息處理技術(如傳感器信息融合技術、模糊理論等) ,使傳感器具有更高級的智能,具有分析、判斷、自適應、自學習的功能,可以完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務。
2、智能傳感器的結構
智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計算機) 及相關電路組成,其結構框圖如圖1 所
傳感器技術的新發展:智能傳感器和多功能傳感器
圖1 智能傳感器原理框圖
傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號,送到信號調理電路中,進行濾波、放大、模-數轉換后,送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心,它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理,還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。由于計算機充分發揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務,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。
智能傳感器的結構可以是集成的,也可以是分離式,按結構可以分為集成式、混合式和??槭餃中問?。集成智能傳感器是將一個或多個敏感器件與微處理器、信號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水平下還很難實現。將傳感器和微處理器、信號處理電路作在不同的芯片上,則構成混合式的智能傳感器(Hybrid Smart2Sensor) 。目前這類結構較多。初級的智能傳感器也可以有許多互相獨立的??樽槌?如將微計算機、信號調理電路???、輸出電路???、顯示電路??楹痛釁髯芭湓諭豢翹迥?則組高,體積較大,但在目前的技術水平下,仍不失為一種實用的結構形式。
3、多功能傳感器
多功能傳感器能轉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;把檢測鈉離子和鉀離子的敏感元件集成在一個基片上,制成測量血液中離子成分的傳感器;將檢測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H2S、C8H18 、NH3 、C20H20O 四種氣體的多功能傳感器;在同一硅片上制作應變計和溫度敏感元件,制成同時測量壓力和溫度的多功能傳感器,該傳感器還可以實現溫度補償。此外,日本學者還研制出其它多功能傳感器,如測量溫濕度和風速,測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,分別制作幾個傳感器并組裝起來。多功能傳感器和微處理機、信號處理電路結合起來,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用
  智能傳感器最早應用在航天領域。宇宙飛船中需要測量大量參數,有反映運行軌道的速度、加速度、姿態、方位等參數,有反映宇航員生存環境的溫度、濕度、氣壓、空氣成分等參數,因此需要大量的傳感器。這些大量的原始數據若直接送到計算機中,無疑會增加主計算機的負擔,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,即將這些數據先經過各自的處理系統進行預處理,然后再傳送至主機進行集中處理。這就是在美國宇航局開發宇宙飛船時所開發的智能傳感器。由于智能傳感器和多功能傳感器的功能強,集成度高,體積小,因此可以大大減少傳感器的數量和連接電纜線的重量,這恰是導彈、衛星、宇宙飛船等飛行器所需要的,所以它們在航空航天領域中起著非常重要的作用。
  在工業生產中,隨著生產過程自動化的發展,采集的數據越來越多,需要使用大量傳感器和計算機。特別是需要智能傳感器。
智能傳感器和多功能傳感器在機器人中有廣闊的應用前景。如視覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器等。特別是智能機器人,需要根據采集的信息進行識別、判斷、決策。智能傳感器如同人的五官,可以使機器人具有感知功能。現在一些國家在研究開發可以識別物體形狀的觸覺傳感器,分辨不同氣體的嗅覺傳感器。
隨著智能傳感器和多功能傳感器的發展,它們將在工業、科技、國防等各個部門得到更廣泛的應用。
5、現狀與發展
目前,世界各國都在研制與開發各種智能傳感器和多功能傳感器。其中最成功的是美國Honeywell 公司研制的DSTJ - 3000 智能壓差壓力傳感器在同一塊半導體基片上用離子注入法配置擴散了壓差、靜壓和溫度三個敏感元件,整個傳感器還包括變換器、多路轉換器、脈沖調制、微處理器和數字量輸出接口等。另外還在PROM 中裝有該傳感器的特性數據,以實現非線性補償。Par Scientific 公司研制1000 系列數字式石英智能傳感的器。日本日立研究所研制出可以識別四種氣體嗅覺傳感器。智能傳感器是測量技術、半導體技術、計算技術、信息處理技術、微電子學、材料科學互相結合的綜合密集型技術。目前各國科學家正在按下列技術途徑開發研究:
(1) 利用新型材料研制基本傳感器?;敬釁魘侵悄艽釁韉幕?它的制作及其性能對整個智能傳感器影響甚大。除硅材料具有優良的物理特性,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質材料。
(2) 利用新的加工技術。近年來利用微加工技術日趨成熟,可以加工高性能的微結構傳感器、ASIC 制作技術,也可用于制造智能傳感器。
(3) 采用新的測量原理和方法。諧振式傳感器輸出數字量,可以直接和微機及接口總線連接,不用A/ D 轉換器。另外,光纖傳感器、化學傳感器、生物傳感器新型傳感器,為智能傳感器提供新的信息來源。

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