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智能传感器的主要功能和应用发展

发布日期:2020-10-14 07:00

  墅蒸成功案例Application智能传感器的主要功能和应用发展 本刊记者姜书汉 摘要: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.它的出现使得原本对硬件性 能的苛刻要求有所降低, 而依靠软件来帮助传感器,可以使其性能大幅度提高. 关键词:智能传感器;嵌入式软件;补偿计算;自动校验 目前,国际传感器领域已对SmartSensor智能传感器的主要功能 定义形成了基本共识,但中文译法尚未形成定论,智能传感器的功能是通过模拟人 的感官和大 本文所用的智能传感器仅为引用.智能传感器脑的协调动作,结合长期以来测试 技术的研究和 从其功能来说是具有一种或多种敏感功能,能够实际经验而提出来的.是一个相对 独立的智能单 完成信号探测,变换处理,逻辑判断,功能计算元,它的出现对原来硬件性能的苛刻 要求有所减轻, 和双向通讯,内部可实现自检,自校,自补偿,自而靠软件帮助来使传感器的性能大 幅度提高.智 诊断以及具备以上部分功能或全部功能的器件.能传感器通常可以实现以下功能: 从使用的角度看,传感器的准确度,稳定性(1)复合敏感功能 和可靠性至关重要.长期以来研究工作大都集中我们观察周围的自然现象,常见的 信号有声, 在硬件方面,虽然人们不断利用新材料研制敏感器光,电,热,力和化学等.敏感元件 测量一般通 件,改进传感器芯片的制造工艺方法来提高芯片的过两种方式:直接和间接的测量. 而智能传感器 质量以及通过外电路补偿方法来改善传感器的线具有复合功能,能够同时测量多 种物理量和化学 性度,稳定性和输出漂移,但都没有根本性的突破.量,给出能够较全面反映物质运 动规律的信息.如 20 世纪 70 年代,微处理器举世瞩目的成就美国加利弗尼亚大学研制的复合液体 传感器,可 带来了数字化的革命,对仪器仪表的发展起到了巨同时测量介质的温度,流速,压 力和密度.美国 大的推动作用.如90 年代的虚拟仪器(VXI)飞速EG&GICSensors 公司研制的 复合力学传感器,可 发展,使以微型计算机为基础的测控系统都需要同时测量物体某一点的三维振动 加速度,速度,位 传感器来提供赖以作出实时决策的数据.随着系统移等. 自动化程度的提高和复杂性的增加,对传感器的(2)自补偿和计算功能 综合精度,稳定可靠性和响应要求越来越高.传多年来,从事传感器研制的工程技 术人员一 统的传感器因其功能单一,不能满足多种测试要直为传感器的温度漂移和输出非 线性作大量的补 求,为此,人们将微处理器的智能技术用于传感器.偿工作,但都没有从根本上解决 问题.而智能传感 八十年代末期,人们又将微机械加工技术应用到器的自补偿和计算功能为传感器 的温度漂移和非 传感器,从而产生新概念传感器SmartSensor,线性补偿开辟了新的道路.这样,放 宽传感器加工 或称为智能传感器.精密度要求,只要能保证传感器的重复l 生好,利用 /34 物联网2011/07 成功案例Applicati.n2 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,从而能获得较为精确的 测量结果. (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.采用智能传感器时,情况则大有改观.首 先是,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)信息存储和传输功能 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. 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 可以集成到同一芯片上,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:一是有较高的信噪比: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;二是可以 改善性能:由于传感器与电路集成于同一芯片,故对传感器的 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;其三是信号的规一化: 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. 微机械加工技术与软件 智能传感器的制造基础是微机械加工技术,将硅进行机 械,化学,焊接加工,再采用不同的封装技术来封装,近几 年又发展了一种LIGA 工艺(深层X 射线光刻电镀成敏膜)用 于制造传感器. 智能传感器一般都具有实时l 生很强的功能,尤其在动态 测量时,常要求在几微秒内完成数据采集,计算,处理和输出. 智能传感器的一系列功能都是在程序支持下进行.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 赖于软件设计和其质量,这些软件主要有五大类,其中包括 标度换算,数字调零,非线性补偿,温度补偿,数字滤波技术. 国内外应用情况 十几年前,美国Honeywell 公司研制第一只智能传感 器.它是将硅敏感元件技术与微处理器的计算,控制能力 结合在一起,建立了新的传感器概念.目前智能传感器多使 用于压力,力,振动冲击加速度,流量,温湿度的测量.如 美国Honeywell 公司的ST3000 系列全智能变送器,德国 Strohrmann 公司的二维加速度传感器等. 目前,智能传感器系统本身都是数字式的,但其通信规 定仍采用4~20mA 的标准模拟信号.国际上有关标准化研 究机构正在积极推出国际规格的数字标准(现场总线).在 现在的过渡阶段采用了HART 协议(HighwayAddressable RemoteTransducer,寻址远程传感器数据线).这是一种智 能传感器的通信协议,与现有的4~20mA 的系统兼容,模 拟与数字可以同时进行通信.这样使不同生产厂家的产品具 有通用性. 我国对智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大 学,始于20 世纪80 年代中期,80 年代末,中国国防科技大学, 北京航空航天大学,浙江大学等大专院校相继报道了研究成 果.90 年代初,国内几家研究机构采用混合集成技术成功的 研制出实用的智能传感器,标志着我国智能传感器的研究进 入了国际行列,但是与国外的先进技术相比,我们还有较大 差距,主要在:先进的计算,模拟和设计方法;先进的微机 械加工技术与设备;先进的封装技术于设备;可靠性技术研 究等方面.所以加强技术的研究和引进先进设备,提高整体 水平是我们今后努力的方向. 2011/07 物联网35\