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智能传感器的概念、结构、功能、特点及其应用

发布日期:2020-07-04 19:39

  集合而成,采集的信息需要计算机进行处理,而使用智能传感器就可将信息分散处理,从而降低成本。与一般传感器相比,智能传感器具有以下三个优点:通过软件技术可实现高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的编程自动化能力;功能多样化。

  自动化领域所取得的一项最大进展就是智能传感器的发展与广泛使用。但究竟什么是“智能”传感器?下面,来自6个传感器厂家的专家对这一术语进行了定义。据Honeywell工业测量与控制部产品经理Tom Griffiths的定义:“一个良好的智能传感器是由微处理器驱动的传感器与仪表套装,并且具有通信与板载诊断等功能,为监控系统和/或操作员提供相关信息,以提高工作效率及减少维护成本。”智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能,具有很高的线性度和低的温度漂移,降低了系统的复杂性、简化了系统结构。

  定义1:智能传感器是能够调节系统内部性能以优化外界数据获取能力的传感器系统。

  智能传感器系统是一门现代综合技术,是当今世界正在迅速发展的高新技术,至今还没有形成规范化的定义。早期,人们简单、 机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合, 认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。

  智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作,结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元,它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。

  1、信息存储和传输随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展,对智能单元要求具备通信功能,用通信网络以数字形式进行双向通信,这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益的设置、补偿参数的设置、内检参数设置、测试数据输出等。

  2、自补偿和计算功能多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作,但都没有从根本上解决问题。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补偿开辟了新的道路。这样,放宽传感器加工精密度要求,只要能保证传感器的重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算,采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿,从而能获得较精确的测量结果压力传感器。

  3、自检、自校、自诊断功能普通传感器需要定期检验和标定,以保证它在正常使用时足够的准确度,这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观,首先自诊断功能在电源接通时进行自检,诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正,微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。

  4、复合敏感功能我们观察周围的自然现象,常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式:直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能,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。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器,可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。复合力学传感器,可同时测量物体某一点的三维振动加速度(加速度传感器)、速度(速度传感器)、位移(位移传感器),等等。

  5、智能传感器的集成化----由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上,而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点:较高信噪比:传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送,就可大大改进信噪比。改善性能:由于传感器与电路集成于同一芯片上,对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准,又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。信号规一化:传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化,又通过模数转换成数字信号,微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化,如串行、并行、频率、相位和脉冲等。

  智能式传感器是一个以微处理器为内核扩展了外围部件的计算机检测系统。相比一般传感器,智能式传感器有如下显著特点:

  智能式传感器具有信息处理功能,通过软件不仅可修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、服度误差、零点误差、正反行程误并等)而且还可适当地补偿随机误差、降低噪声,大大提高了传感器精度。

  集成传感器系统小型化,消除了传统结构的某些不可靠因素,改善整个系统的抗干扰件能;同时它还有诊断、校淮和数据存储功能(对于智能结构系统还有自适应功能),具有良好的稳定性。

  在相同精度的需求下,多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比,性能价格比明显提高,尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。

  智能式传感器可以实现多传感器多参数综合测量,通过编程扩大测量与使用范围;有一定的自适应能力,根据检测对象或条件的改变,相应地改变量程反输出数据的形式;具有数字通信接口功能,直接送入远地计算机进行处理;具有多种数据输出形式(如Rs232串行输批,PIO并行输出,IEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等),适配各种应用系统。

  近20年来,我国智能交通系统的发展经历了体系框架制定、示范城市建设到目前各级城市全面展开智能交通系统建设的过程。时至今日,我国城市智能交通系统在城市交通管理、信息服务及发展决策等方面开始发挥越来越重要的作用,对于缓解日益严峻的道路交通拥堵状况起到了良好的支撑作用。在整个智能交通系统里,传感器就如同人的五官一样,发挥着不可替代的作用,并且在交通运输的各个领域有着广泛的作用。

  1、采用先进的微电子技术、计算机技术,研究开发出将传感器和微处理器结合、具有各种功能的单片集成化智能传感器,这是当前智能传感器的主要发展方向之一;

  2、针对传感器的材料,利用生物工艺和纳米技术,开发分子和原子生物传感器,这将为以后智能传感器的发展奠定基础;

  3、整合国内外芯片技术,结合敏感电子元件,研发出混合型集成智能传感器,这种传感器精度更高、成本更低、稳定性更好。

  我国在集成智能传感器领域已经取得了重大突破,国产传感器逐步打开了智能传感器的市场份额。

  智能传感器发展主要分为三个阶段,即数字化阶段、智能化补偿和校准阶段、智能化应用和网络阶段。达到第三阶段的传感器,拥有信号的检测和处理、逻辑判断、双向通信、闭环控制、自检和自诊断、智能校正和补偿、功能计算、网络通信等多种功能。但目前国内仅有少部分制造商达到这一阶段,未能大规模普及。

  传感器的另一个发展方向是微型化。在汽车电子化、智能化工程中,传统传感器的体积和重量大、成本高,应用受到限制,在此情况下,微型传感器应运而生。

  微型传感器不仅仅指传感器的体积小、质量轻。就单一的传感器而言,微传感器是指尺寸微小的传感器,如敏感元件的尺寸从微米级到毫米级、甚至达到纳米级,主要采用精密加工、微电子以及微机电系统技术,实现传感器尺寸的缩小。

  就集成的传感器而言,微传感器是指将微小的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上而形成的集成传感器;就传感器系统而言,微传感器是指传感系统中不但包括微传感器,还包括微执行器,可以独立工作,甚至由多个微传感器组成传感器网络,或者可实现异地联网;就市场占有率来讲,微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件,目前,微型传感器已在汽车应用和提高员工效率等方面积累了良好的应用经验。其次,由于微型传感器具有体积小、功能新、便于大批量生产、单件成本低等优势,其未来市场前景也非常光明。