智能传感器.doc

智能传感器 从使用角度看 传感器的准确度、稳定性和可靠性是至关重要的。长期以来这方面的研究工作大多数都集中在硬件方面。如通过改进传感器芯片的制造工艺来提高芯片的质量及通过外电路补偿方法来改善传感器的线性度和稳定性。这些研究工作虽然使传感器的性能不断得到改善，但都没有根本性突破。近年来，随着计算机、微电子技术的迅速发展和广泛应用，特别是在传感技术中的应用，使传感器性能上了一个新台阶。一、智能传感器的定义与特征智能传感器(smart sensor)的概念最初是由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出并形成的，1978年研发出产品。宇宙飞船上需要用大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能化传感器。智能传感器是一种带微处理机兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器。智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的它充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理并能对它的内部行为进行调节使采集的数据最佳。微处理器是智能传感器的核心，它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。除微处理器以外，智能传感器相对于传统传感器应具有如下的特征：1、可以根据输入信号值进行判断和制定决策。2、可以通过软件控制做出多种决定。3、可以与外部进行信息交换，有输入输出接口。4、具有自检测、自修正和自保护功能。二、智能传感器的主要功能智能传感器的功能是通过比较人的感官和大脑的协调动作提出的，随着微电子技术及材料科学的发展，传感器在发展与应用过程中越来越多的与微处理器相结合，不仅具有视觉、触觉、听觉、味觉，还有了储存、思维和逻辑判断能力等人工智能。综合考虑智能传感器的诸多特征概括而言，智能传感器的主要功能有以下几点：1） 自补偿和计算许多工程技术人员多年来一直从事传感器温度漂移和非线性补偿工作，虽然每年都 有所进展，但都是修修补补没有根本性突破。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性朴偿开辟了新的道路这样，即使传感器加工不太精密，只要能保证传感器性能重复性好，通过传感器的计算功能也能获得较精确的测量结果。另外还可进行统计处理、能够重新标定某个敏感元件，使它重新有效。2） 自检、自校、自诊断功能普通传感器需要定期检验和标定，以保它的正常使用和足够的准确度，这些工作般要求将传感器从使用现场拆卸下来拿到试验室或检验部门进行。这样做是很不便的，特别是对使用于危险场所的传感器，这样做既费力又不经济。利用智能传感器，情况则大为改观。检验校正工作可以在线进行。它所要进行调整的参数主要是零位和增益。智能传感器中有微处理机，内存中有自校功能的软件，操作者只要输入零位和某已知参数，智能传感器的自枝软件就能将随时问变化的零位和增益校正过来。3） 复合敏感功能我们在测量液体质量流量时，要同时测量介质的温度、流速、压力和密度，然后经过计算才得到准确的质量流量值，智能传感器出现以前，这些参数都是采用分散的、各自独立的传感器测量，这样不但体积大，而且同步性差，时间、空间误差大。而智能传感器具有复合敏感功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如光强、波长、相位和偏振度等参数可反映光的运动特性；压力、真空度、温度梯度、热量、浓度、pH值等分别反映物质的力、热、化学特性。4） 强大的通讯接口功能由于用了微型机使其接口标准化，所以能够与上一级微型机进行接口的标准化，智能传感器输出的数据通过总线控制，为与其它数字控制仪表的直接通讯提供了方便，使智能传感器可作为集散控制系统的组成单元受中央计算机的控制。5） 现场学习功能利用嵌入智能和先进的编程特性相结合，工程师们已设计出了新一代具有学习功能的传感器，它能为各种场合快速而方便地设置最佳灵敏度。学习模式的程序设计使光电传感器能对被检测过程取样，计算出光信号阈值，自动编程最佳设置，并且能在工作过程中自动调整其设置，以补偿环境条件的变化。这种能力可以补偿部件老化造成的参数漂移，从而延长器件或装置的使用寿命和扩大其应用范围。6） 掉电保护功能由于微型计算机的RAM的内部数据在掉电时会自动消失，这给仪器的使用带来很大的不便。为此在智能仪器内装有备用电源，当系统掉电时，能自动把后备电源接入RAM，以保证数据不丢失。三、智能传感器的目前实现方法智能传感器是测量、半导体、计算机，信息处理，微电子学，材料科学互相结合的综合密集型技术。目前各国科学家正在努力进行开发和研究。目前，智能传感器的实现是沿着传感技术发展的3条途径进行的。1）非集成化实现非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的智能传感器系统。这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。自动化仪表生产厂家原有的一套生产工艺设备基本不变，附加一块带数字总线接口的微处理器插板组装而成，并配备能进行通讯、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而实现智能传感器功能。这是一种比较经济、快速建立智能传感器的途径。但将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度高，体积小，目前的技术水平还很难实现2）集成化实现这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。这样使智能传感器达到了微型化，小可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动的情况。使结构一体化，从而提高了精度和稳定性。敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。3）模块化实现要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题。根据需要与可能，可将系统各个集成化环节(如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口)以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。组成模块式智能传感器。这种传感器集成度不高，体积较大，但在目前的技术水平上，仍不失为一种实用的结构形式。四、智能传感器的发展方向1）模糊化模糊化智能传感器是近年来发展的一个新方向。它是在经典数值测量的基础上经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。模糊化智能传感器的“智能”表现在它可以模拟人类感知的全过程。它不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且具有学习推理的能力，具有适应测量环境变化的能力，并能够根据测量任务的要求进行学习推理。此外，它还具有与上级系统交换信息的能力，以及自我管理和调节的能力。2）微型集成化采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集成在一块芯片上。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。这种传感器具有微型化、结构一体化，精度高，多功能、阵列式全数化等特点。但是由于其集成难度大需要大批量的规模生产才能降低成本。以目前的技术水平，要低成本实现微型集成化的智能传感器系统还非常困难。但微型集成化的智能传感器系统在航天、导弹制导、精密控制等方面具有重大的应用价值。3）网络化随着网络时代的到来特别是Internet的迅速发展，信息化已进入崭新的阶段。网络化智能传感器即在智能传感技术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的“采集”。“传输”和处理，成为统一协调的一种新型智能传感器。网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，节省投资，易于系统维护，也使系统易于扩充。网络化智能传感器研究的关键技术是网络接口技术。网络化传感器必须符合某种网络协议，使现场测控数据能直接进入网络。由于目前工业现场存在多种网络标准，因此也随之发展起来了多种网络化智能传感器，具有各自不同的网络接口单元类型。目前主要有基于现场总线的智能传感器和基于以太网协议的智能传感器两大类。总结综上所述，智能传感器系统是一门涉及多种学科的综合技术，是当今世界正