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    智能傳感器的結構應用與發展現狀

    來源:www.tianrunlvxin.com  |  發布時間:2022年06月09日
      隨著測控系統自動化、智能化的發展,傳統的傳感器已經不能滿足一定的數據處理能力以及自檢、自校、自補償的功能,多國科學家已在研發智能傳感器和多功能傳感器。
      智能傳感器
      隨著測控系統自動化、智能化的發展,要求傳感器準確度高、可行性高、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Dumbsensor(愚蠢的、笨啞的傳感器)。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Intelligentsensor(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?,F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(In2telligentsensor或Smartsensor)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,使采集的數據好。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??梢娭悄軅鞲衅鞯墓δ芤蜒由斓絻x器的領域。
      
      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。
      
      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、混合式和模塊式三種形式。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(HybridSmart2Sensor)。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模塊組成,如將微計算機、信號調理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內,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。為了更有效和可行性,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?,F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。
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