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智能传感器与传感器技术的发展

成都华芯智云科技有限公司    2020-07-28    行业专用传感器    浏览 704 次

    随着综合国力的不不断发展,传感器与传感器技术的发展水平也是衡量一个国家综合实力的重要标志,作为连接自然信息与人类感知的精确桥梁,其在采集、转换、传输各种信息过程中所处的核心地位,正在不断得到人们的关注和确认,可以说传感器和传感器技术几乎已经渗透到了人们生产、生活的所有领域。

    作为人类获取信息的工具,传感器是现代信息技术的重要组成部分。传统意义上的传感器输出的多是模拟量信号,本身不具备信号处理和组网功能,需连接到特定测量仪表才能完成信号的处理和传输功能。智能传感器能在内部实现对原始数据的加工处理,并且可以通过标准的接口与外界实现数据交换,以及根据实际的需要通过软件控制改变传感器的工作,从而实现智能化、网络化。由于使用标准总线接口,智能传感器具有良好的开放性、扩展性,给系统的扩充带来了很大的发展空间。

智能传感器

    智能传感器概念蕞早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来,并于1979年形成产品。宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面或飞船上的处理器发送温度、位置、速度和姿态等数据信息,即便使用一台大型计算机也很难同时处理如此庞大的数据。何况飞船又限制计算机体积和重量,因此希望传感器本身具有信息处理功能,于是将传感器与微处理器结合,就出现了智能传感器。

    智能传感器系统主要由传感器、微处理器及相关电路组成。传感器将被测的物理量、化学量转换成相应的电信号,送到信号调制电路中,经过滤波、放大、A/D转换后送达微处理器。微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析处理后,一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节,以实现对测量过程的调节和控制;另一方面将处理的结果传送到输出接口,经接口电路处理后按输出格式、界面定制输出数字化的测量结果。微处理器是智能传感器的核心,由于微处理器充分发挥各种软件的功能,使传感器智能化,大大提高了传感器的性能。

    智能传感器的特点:

    1.精度高:可通过自动校零去除零点,与标准参考基准实时对比自动进行整体系统标定、非线性等系统误差的校正,实时采集大量数据进行分析处理,消除偶然误差影响,保证智能传感器的高精度。

    2.高可靠性与高稳定性:能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化而引起的系统特性的漂移,如环境温度、系统供电电压波动而产生的零点和灵敏度的漂移;在被测参数变化后能自动变换量程,实时进行系统自我检验、分析、判断所采集数据的合理性,并自动进行异常情况的应急处理。

    3.高信噪比与高分辨力:由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能,通过数字滤波等相关分析处理,可去除输入数据中的噪声,自动提取有用数据;通过数据融合、神经网络技术,可消除多参数状态下交叉灵敏度的影响。

    4.强自适应性:具有判断、分析与处理功能,它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况、与高/上位计算机的数据传输速率,使系统工作在低功耗状态并优化传输效率。

    5.较高的性能价格比:智能传感器具有的高性能,不是像传统传感器技术那样通过追求传感器本身的完善、对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得的,而是通过与微处理器/微计算机相结合,采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的,所以具有较高的性能价格比。

    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的苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助来使传感器的性能大幅度提高。

    智能传感器技术发展及趋势

    1、高精度:随着自动化生产程度的提高,对传感器的要求也在不断提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

    2、高可靠性、宽温度范围:传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能,研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永J性的方向。发展新兴材料(如陶瓷)传感器将很有前途。

    3、微型化:各种控制仪器设备的功能越来越强,要求各个部件体积越小越好,因而传感器本身体积也是越小越好,这就要求发展新的材料及加工技术,目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的,体积较大、稳定性差、寿命也短,而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

    4、微功耗及无源化:传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源,在野外现场或远离电网的地方,往往是用电池供电或用太阳能等供电,开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向,这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前,低功耗损的芯片发展很快,如T12702运算放大器,静态功耗只有1.5安,而工作电压只需2~5V。

    5、智能化数字化:随着现代化的发展,传感器的功能已突破传统的功能,其输出不再是单一的模拟信号(如0~10mV),而是经过微电脑处理好后的数字信号,有的甚至带有控制功能,这就是所说的数字传感器。

    6、网络化:网络化是传感器发展的一个重要方向,网络的作用和优势正逐步显现出来。网络传感器必将促进电子科技的发展。

    数字化输出是智能传感器的典型特征之一,它不仅仅是模拟-数字转换实现简单的数字化,而是从机理上实现数字化输出。其中,谐振式传感器具有直接数字输出、高稳定性、高重复性、抗干扰能力强,分辨力和测量精度高等优点。传统写真式传感器的频率信号检测需要较复杂的设计,这限制了其的广泛应用和在工业领域内的发展。而现在只需在同一硅片上集成智能检测电路,就可以迅速提取频率信号从而使谐振式微机械传感器成为国际上传感器的研究热点。

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