传感器的智能化发展趋势
摘要:智能传感器是传感技术发展的方向。介绍智能传感器的概念、功能、结构、特点以及它们的应用和发展趋势。
关键词:智能 传感器
传感器象人的五官一样,是获取信息的重要工具。它在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大的作用。但与飞速发展的计算机相比较,作为“五官”的传感器远远赶不上作为“大脑”的计算机的发展速度。
随着测控系统自动化、智能化的发展,要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好,而且具备一定的数据处理能力,并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。国外有的文章称传统的传感器为dumb sensor (愚蠢的、笨哑的传感器)。另外,为制造高性能的传感器,光靠改进材料工艺也很困难,需要利用计算机技术与传感器技术相结合,弥补其性能的不足,计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革,微处理器(或微计算机)和传感器相结合,产生功能强大的智能传感器。国外称为intelligent sensor (智能传感器)或smart-sensor (灵巧的、机敏的、智能传感器)。另外,传统的传感器一般只能测量一个参数,有些场合需要同时测量多个参数的体积小的多功能传感器。现在多国科学家已重视这一方向的开拓,并已研制出一些多功能传感器。
1 传感器的智能化
目前国内外学者普遍认为. 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。
传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、a/d转换等)、数据处理、数据显示以及自校自检自补偿等功能,图1是智能传感器的原理框图。
图1 智能传感器原理框图
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。需要指出的是,除微处理器以外,智能传感器相对于传统传感器的另一显著特征是其信号调理电路。被测的物理量转换成相应的电信号后,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、转换,再送入计算机(微处理器)中进行处理。与计算机技术的结合,使智能传感器相对于传统传感器具有如下功能:
①自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。
②操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。 ③自诊断功能:接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的不见。
④数值处理功能:可以根据智能传感器内部程序,自动处理数据,,如进行统计处理,剔除异常值等。
⑤双向通信功能:微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理器不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。
⑥信息存储和记忆功能。
⑦数字量输出功能:输出数字信号,可方便地和计算机或接口总线相连。
日前,世界各国都在研制和开发各类智能传感器,随着科学技术的不断发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神纤网络、人工智能、信息处理技术(如信息融合技术、
模糊理论等),使传感器具有更加高级的功能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,并可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。
随着计算机技术的飞速发展,智能传感器技术必将大放异彩。
2 智能传感器的发展状况
2.1 物理转化机理
由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正,得到一个线性度非常好的输出结果,从而消除了非线性传递对传感器应用的制约。该机理具有稳定性好、精确度高、灵敏度高的特点。利用同一硅片上集成的智能检测电路,可以迅速提取频率信号,使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。
2.2 数据融合理论
数据融合是集成智能传感器理论的重要领域,也是各国研究的热点,对于多个传感器组成的阵列,数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点,利用其互补性、冗余性,提高测量信息的精度和可靠性,延长系统的使用寿命。
2.3 cmos工艺兼容
目前,国外在研究二次集成技术的同时,集成智能传感器在工艺上的研究热点集中在研制与cmos 工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程,探求在制造工艺和微机械加工技术上有所突破。
2.4 传感器的微型化
集成智能传感器的微型化决不仅是尺寸上的缩微与减少,而且是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统,并在智能程度上与先进科技融合。其微型化主要基于以下发展趋势:尺寸上的缩微和性质上的增强性;各要素的集成化和用途上的多样化;功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。
3 智能传感器的应用
3.1 立信眼球
由爱立信微波技术公司研制的erieye (爱立信眼球)采用了智能传感器技术和一个用户界面友好的指挥和控制系统,可以快速获取准确和综合的信息。它是一种出色的雷达系统,可以在陆地和水面上分辨和跟踪海上及空中目标,通过仪器观测到的距离远远超过了地平线之外。
3.2 计算机视觉系统
在计算机视觉系统中,智能传感器不仅直接确定数据集的范围,还通过测量确保系统的安全。获得需要到达的地点信息,安置系统以得到高质量的信息。适应实践和环境的变化,甚至获得特殊的指令,控制器件的动作。
4 现状与发展
智能传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、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按下列技术途径开发研究:
(1)利用新型材料研制基本传感器。基本传感器是智能传感器的基础,它的制作及其性能对整个智能传感器影响甚大。除硅材料具有优良的物理特性,能够方便地制成各种集成传感器。此外还有功能陶瓷、石英、记忆合金等都是制作传感器的优质材料。
(2)利用新的加工技术。近年来利用微加工技术日趋成熟,可以加工高性能的微结构传感器、asic 制作技术,也可用于制造智能传感器。
(3)采用新的测量原理和方法。谐振式传感器输出数字量,可以直接和微机及接口总线连接,不用a/d转换器。另外,光纤传感器、化学传感器、生物传感器新型传感器,为智能传感器提供新的信息来源。■
参考文献
1.clarkson m. smart sensors. sensors, 1997, 14:14
3. ィンテリヅェントセンサシステムの现状と展望。