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常見問題

智能傳感器:數字時代的驕子

文字:[大][中][小] 2015-1-9    瀏覽次數:1489    

  智能傳感器隨數字化時代誕生


  從微處理器帶來的數字化革命到虛擬儀器(VXI)的飛速發展,對傳感器的綜合精度、穩定可靠性和響應要求越來越高,傳統傳感器已不能適應多種測試要求,隨著微處理智能技術和微機械加工技術在傳感器上的應用,智能傳感器(Smart Sensor)誕生了。


  目前,國際傳感器領域已對"Smart Sensor"定義形成了基本共識,但中文譯法尚未形成定論,本文所用的"智能傳感器"一詞屬個人引用。智能傳感器從其功能來說是具有一種或多種敏感功能,能夠完成信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊,內部可實現自檢、自校、自補償、自診斷、具備以上部分功能或全部功能的器件。


  從使用的角度,傳感器的準確度、穩定性和可靠性是至關重要的。長期以來研究工作大都集中在硬件方面,雖然人們不斷利用新材料研制敏感器件,改進傳感器芯片的制造工藝方法來提高芯片的質量以及通過外電路補償方法來改善傳感器的線性度、穩定性和 輸出漂移,但都沒有根本性的突破。


  七十年代,微處理器舉世矚目的成就帶來了數字化的革命,對儀器儀表的發展起了巨大的推動作用。如九十年代的虛擬儀器(VXI)飛速發展,使以微型計算機為基礎的測控系統都需要傳感器來提供賴以作出實時決策的數據。隨著系統自動化程度的提高和復雜性的增加,對傳感器的綜合精度、穩定可靠性和響應要求越來越高。傳統的傳感器因其功能單一、性能不適應、不能滿足多種測試要求,為此人們利用微處理器智能技術用于傳感器。八十年代末期,人們又將微機械加工技術應用到傳感器,從而產生新概念傳感器"Smart Sensor"--智能傳感器。
  

  可實現的功能


  智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作,結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元,它的出現對原來硬件性能苛刻要求有所減輕,而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。


  1. 復合敏感功能 ---- 我們觀察周圍的自然現象,常見的信號有聲、光、電、熱、力、化學等。敏感元件測量一般通過兩種方式:直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能,能夠同時測量多種物理量和化學量,給出能夠較全面反映物質運動規律的信息。如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器,可同時測量介質的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&G IC Sensors公司研制的復合力學傳感器,可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移,等等。


  2. 自補償和計算功能 ---- 多年來從事傳感器研制的工程技術人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補償工作,但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣,放寬傳感器加工精密度要求,只要能保證傳感器的重復性好,利用微處理器對測試的信號通過軟件計算,采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償,從而能獲得較精確的測量結果。

  3. 自檢、自校、自診斷功能 ---- 普通傳感器需要定期檢驗和標定,以保證它在正常使用時足夠的準確度,這些工作一般要求將傳感器從使用現場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行。對于在線測量傳感器出現異常則不能及時診斷。采用智能傳感器情況則大有改觀,首先自診斷功能在電源接通時進行自檢,診斷測試以確定組件有無故障。其次根據使用時間可以在線進行校正,微處理器利用存在EPROM內的計量特性數據進行對比校對。


  4. 信息存儲和傳輸 ---- 隨著全智能集散控制系統(Smart Distributed System)的飛速發展,對智能單元要求具備通信功能,用通信網絡以數字形式進行雙向通信,這也是智能傳感器關鍵標志之一。智能傳感器通過測試數據傳輸或接收指令來實現各項功能。如增益的設置、補償參數的設置、內檢參數設置、測試數據輸出等。


  智能傳感器的集成化


  由于大規模集成電路的發展使得傳感器與相應的電路都集成到同一芯片上,而這種具有某些智能功能的傳感器叫作集成智能傳感器  集成智能傳感器的功能有三個方面的優點: 較高信噪比:傳感器的弱信號先經集成電路信號放大后再遠距離傳送,就可大大改進信噪比。 改善性能:由于傳感器與電路集成于同一芯片上,對于傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過自校單元定期自動校準,又可以采用適當的反饋方式改善傳感器的頻響。 信號規一化:傳感器的模擬信號通過程控放大器進行規一化,又通過模數轉換成數字信號,微處理器按數字傳輸的幾種形式進行數字規一化,如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。


  微機械加工技術與軟件


  智能傳感器的制造基礎是微機械加工技術,將硅進行機械、化學、焊接加工,再采用不同的封裝技術來封裝,近幾年又發展了一種LIGA工藝(深層X射線光刻電鍍成敏膜)用于制造傳感器。


  智能傳感器一般具有實時性很強的功能,尤其動態測量時常要求在幾微秒內完成數據采集、計算、處理和輸出。智能傳感器的一系列功能都是在程序支持下進行。如功能多少、基本性能、方便使用、工作可靠,大都在一定程度上依賴于軟件設計和其質量,這些軟件主要有五大類。包括標度換算、數字調零、非線性補償、溫度補償、數字濾波技術。

國內外的應用狀況


  十幾年前,美國Honeywell公司研制第一只智能傳感器。它是將硅敏感元件技術與微處理器的計算、控制能力結合在一起,建立了新的傳感器概念。目前智能傳感器多使用于壓力、力、振動沖擊加速度、流量、溫濕度的測量。如美國Honeywell公司的ST3000系列全智能變送器,德國Strohrmann公司的二維加速度傳感器等。


  目前智能傳感器系統本身都是數字式的,但其通信規定仍采用4~20 mA的標準模擬信號。國際上有關標準化研究機構正在積極推出國際規格的數字標準(現場總線)。在現在的過渡階段采用了HART協議(Highway Addressable Remote Transducer,尋址遠程傳感器數據線)。這是一種智能傳感器的通信協議,與現有的4~20mA的系統兼容,模擬與數字可以同時進行通信。這樣使不同生產廠家的產品具有通用性。


  我國智能傳感器的研究主要集中在專業研究所和大學,始于八十年代中期,八十年代末中國國防科技大學、北京航空航天大學、浙江大學等大專院校相繼報道了研究成果。九十年代初,國內幾家研究機構采用混合集成技術成功的研制出實用的智能傳感器,標志著我國智能傳感器的研究進入了國際行列,但是與國外的先進技術相比,我們還有較大差距。主要在:1、先進的計算、模擬和設計方法,2、先進的微機械加工技術與設備,3、先進的封裝技術于設備,4、可靠性技術研究等方面。所以加強技術的研究和引進先進設備,提高整體水平是我們今后努力的方向。


  今后幾年中,智能傳感器將擴展到化學、電磁、光學和核物理等領域,可以預見,越來越多的智能傳感器將會在我國國民經濟的各個領域發揮作用。
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