智能传感器技术

关于智能传感器技术20引言

传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。

现代信息技术的三大支柱：

1.传感器技术（信息采集）——“感官”

2.通信技术（信息传输）——“神经”

3.计算机技术（信息处理）——“大脑”第2页,共37页，2024年2月25日，星期天3《我国将制定24项传感器国家新标准》中国信息产业网2015.05.20

随着新一轮工业革命的兴起，传感器产业市场前景不可估量。工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭源生指出，未来5年内，全球传感器年复合增长率预计将超过10%。2015年全球市场规模将达到1770亿美元，受可穿戴、智能制造技术发展加快和全球经济复苏等因素影响，市场需求可能出现更大幅度增长。与巨大的市场需求相比，现阶段我国市场主要应用的传感器绝大部分仍然依赖进口，主流市场产品依赖国外配套的情况尤为突出。与国外相比，我国企业在产品品质、工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争能力等方面仍不能与国外同类企业抗衡。同国际先进水平相比，新品研制仍落后5~10年，而产业化规模生产技术工艺则落后10~15年。第3页,共37页，2024年2月25日，星期天41常规传感器并非完美

1）能够被准确标定是所有传感器必备的优良特性。

然而，传感器一旦被实际使用，往往就很难甚至不能再对其进行手工标定。第4页,共37页，2024年2月25日，星期天52）没有性能始终不变的传感器！传感器性能会随时间发生变化，这种现象被称为漂移。和标定一样，有些情况比其他情况对漂移的容限要求更严格，除非我们通过某种方式来补偿漂移，否则传感器的性能就会随时间而发生变化，这些都是我们不希望发生的。3）工作环境的影响实际上，没有脱离环境因素的设备。当环境因素造成的影响比较小的时候，我们更倾向于简化系统从而不考虑这些，但传统的传感器似乎更乐于给使用者增加工作量。第5页,共37页，2024年2月25日，星期天64）信号调理电路这部分硬件的作用在于将所监控的物理量转化为其他系统可用的量。该电路往往是专用的或者是唯一的，这意味着通用性差。5）物理空间的限制一般来说，传感器距离监控系统越远，检查信号的质量越差。常规传感器通常需要在物理空间上靠近接收检测信号的监控系统，长长的信号传输线是让人讨厌的。第6页,共37页，2024年2月25日，星期天76）其他限制结构尺寸大，故时间（频率）响应特性差输入输出特性存在非线性信噪比低，容易受干扰存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高业界人员：我也早觉得有研发新型传感器的必要了←_←7）性价比第7页,共37页，2024年2月25日，星期天82智能传感器的定义及功能

2.1智能传感器的定义

目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。

所谓智能传感器，就是带微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断功能的传感器。

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智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。

需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况：

1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“集成智能传感器”或者“单片智能传感器”

2）传感器能够协同微处理器进行工作，即“传感器的智能化”。二者均属于智能传感器，虽然技术实现上有不同，但是对基本原理进行理解时不用区别。

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世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差压、静压和温度)与智能化的信号调理功能。最近，该公司还相继开发出ST3000－900/2000等系列的新产品，使之功能进一步完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在全世界的销量已突破50万只，深受广大用户的青睐。

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2.2智能传感器的功能

1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定功能。

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2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。

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3）具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。

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4）具有双向通信功能，能直接与微处理器（μP）或单片机（μC）通信。

第14页,共37页，2024年2月25日，星期天153智能传感器与传感系统的特点1）

高精度智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。第15页,共37页，2024年2月25日，星期天162）

宽量程智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载能力。例如，美国ADI公司：ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到1200°/s。

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3）

多参数、多功能

4）

自校准与自标定

第17页,共37页，2024年2月25日，星期天184智能传感器的应用

多路智能温度控制器智能微尘传感器

生物芯片第18页,共37页，2024年2月25日，星期天19图

Pentium4处理器芯片

4.1多路智能温度控制器Pentium4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器。最高主频目前已达3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高达5500万～7700万只晶体管，在芯片中还有内置数字温度传感器。第19页,共37页，2024年2月25日，星期天20随着Pentium4处理器运行速度的大幅度提高，其功耗也显著增加，必须采取更完善的散热保护措施。

2002年，美国ADI公司专门开发出适配Pentium4处理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电路，并已用于奔腾4计算机产品中。

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奔腾4计算机的散热控制电路如图4所示。该计算机中共使用了3台散热风扇。其中，风扇1专门给CPU散热，风扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。图4计算机的散热控制电路

第21页,共37页，2024年2月25日，星期天22微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃。

图5

检测CPU的温度第22页,共37页，2024年2月25日，星期天23配套软件日臻完善温度传感器＋专用计算机测试软件。第23页,共37页，2024年2月25日，星期天24第24页,共37页，2024年2月25日，星期天254.2

智能微尘传感器

智能微尘（SmartMicroDust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。

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目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微尘的外形及内部结构如图24所示。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射信息。a）肉眼所看到的智能微尘b）智能微尘的内部结构图24智能微尘的外形及内部结构

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智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传感器网络的工作。第27页,共37页，2024年2月25日，星期天28

4.3

生物芯片西门子公司最近研制出一种能辨别气体及其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭氧含量，监测火灾以及气体泄漏。第28页,共37页，2024年2月25日，星期天29

生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革命。生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉，信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上千倍。

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德国英飞凌（Infineon）公司最近开发出具有活神经细胞、能读取细胞所发出电子信息的“神经元芯片”，芯片上有16384个传感器，每个传感器之间的距离仅为8μm。当人体受到电击时，利用它可获取神经组织的活动数据，再将这些数据转换成彩色图片，见图26（b）。

图26第30页,共37页，2024年2月25日，星期天315.1智能传感器的发展1）超小型化、微功耗智能传感器正朝着短、小、轻、薄的方向发展，以满足航空、航天及国防尖端技术领域的急需，并且为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。5智能传感器的发展与局限第31页,共37页，2024年2月25日，星期天322）

总线技术智能传感器的总线技术现正逐步实现标准化、规范化。目前所采用的总线主要有以下六种：

★１－Wire总线★I2C总线★SMBus★SPI总线★MicroWire总线★USB总线第32页,共37页，2024年2月25日，星期天335.2智能传感器的局限

现在，我们不难得出智能传感器优于常规传感器的结论。但是，在可预见的未来，认为智能传感器会全面取代常规传感器的想法只是一种空想。原因在于部分情况下并不适合使用智能式的传感器，如以下情况：第33页,共37页，2024年2月25日，星期天34

无法在合理的时间内从用户身上赚回产品开发和制造成本某些中断用户无法或者不愿意提供智能设备运行或与之通信所需的基础条件某些用用环境的约束不允许增加实现智能和互联所需的硬件以上都是非常现实的问题，前两条完全和技术无关，但是只要不是土豪都是需要考虑的。前两条或许只是推迟智能化的进展速度，而第三种情况虽然少，却可能限制我们给传感器加一点智能。具体一点，环境可能是设备尺寸、温度、环境腐蚀性，因此尽管尽早将所测信号数字化可以显著提高系