智能传感器的结构及特点

来源:常见问题    发布时间:2023-11-24 23:38:24 点击:1次

  随着测控系统自动化、智能化的发展,传统的传感器已经不能够满足一定的数据处理能力及自检、自校、自补偿的功能,智能传感器和多功能传感器的研发和应用已经走向市场。本文从结构特点、应用领域、行业发展、技术趋势全面阐述智能传感器。

  传感器像人的五官一样,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。但与快速的提升的计算机相比较,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、稳定性高,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够满足这样的要求。

  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Intelligentsensor(智能传感器)或Smartsensor(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。

  智能传感器是当今国际科技界研究的热点,尚无统一的、确切的定义。本文不讨论(Intelligentsensor或Smartsensor)两个术语的区别,统称为智能传感器。

  目前国内外学者一致认为,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,它充分的利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据来进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。智能传感器的功能如下:

  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) 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不是正常,并可诊断出现故障的部件。

  可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。

  微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、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。

  90年代智能化测量技术有了进一步的提高,使传感器实现了微型化、结构一体化、阵列式、数字式,使用起来更便捷、简单易操作,并具有自诊断功能、记忆与信息处理功能、数据存贮功能、多参量测量功能、联网通信功能、逻辑思维以及判断功能。

  智能传感器大体上可以分三种类型:即具有判断能力的传感器;具有学习能力的传感器;具有创造能力的传感器。

  传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心,它不仅能对传感器测量数据来进行计算、存储、数据处理,还能够最终靠反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分的发挥各种软件的功能,能够实现硬件难以完成的任务,从而大幅度的降低传感器制造的难度,提高传感器的性能,降低成本。

  智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可大致分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路在不同的芯片上,则构成混合式的智能传感器(HybridSmart2Sensor)。

  由于环境的特殊性,农业项目大多都在田间进行,校正操作非常的不方便,人力成本也非常高,因此对传感器数据稳定性的要求非常高,智能传感器是最有效的一种传感器。

  在现代工业生产尤其是自动化生产的全部过程中,要用各种传感器来监视和控制生产的全部过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。可以说,没有了优良的智能传感器,工业自动化也就无从谈起。

  如今的机器人已具有类似人一样的肢体及感官功能,有某些特定的程度的智能,动作程序灵活,在工作时可以不依赖人的操纵,而这一切都少不了传感器的功劳,传感器是机器人感知外界的重要帮手。

  随着智能传感器的发展,医学智能传感器作为拾取生命体征信息的五官,它的作用日益显著,并得到普遍应用。如:在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面,智能传感器的作用无法替代,未来它在现代医学仪器设施中几乎无所不在。

  智能家居是未来的一大趋势,而智能家电将是很多家庭的必备产品,智能传感器未来在很多家电中均可应用,如电视剧、风扇、空调、洗衣机、晾衣机、冰箱、衣柜等,它是实现人与家电交流的基本器件,也是构成家居物联网的基础。

  传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识,突破起来十分困难,目前,在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争非常激烈的情况下,我国还没有突破传感器一些共性关键技术。

  由于我国企业技术实力的落后,行业发展规范尚未形成,导致国内传感器产品不配套且不成系列,重复生产、恶性竞争的现象的多发,使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重,产业化程度与品种和系列不成正比,只能长期依赖国外进口。

  目前我国传感器企业有1,600余家,但大都以小微企业为主,盈利能力不强,缺乏技术引领的有突出贡献的公司,最后导致资金、技术、企业布局、产业体系、市场等方面都变现出分散的状态,资源得不到有效集中,产业高质量发展也迟迟无法走向成熟。

  由于传感器行业发展处于起步阶段,资金、技术和产业基础都较为薄弱,加之涉及学科多,要求知识面广,新技术层出不穷,导致很难吸引到高品质人才投身其中。此外,我国人才教育培训机制的不完善、不合理,也导致行业面临人才缺乏问题。

  随着自动化生产程度的提高,对传感器的要求也在逐步的提升,必须研制出具有灵敏度较高、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。

  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久性的方向。发展新兴材料( 如陶瓷) 传感器将很有前途。

  各种控制仪器设施的功能越来越强,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作而成的硅加速度传感器体积很小、互换性可靠性都较好。

  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趋势,这样既能节约能源又能大大的提升系统寿命。目前,低功耗损的芯片发展非常迅速,如T12702 运算放大器, 静态功耗只有1.5 A, 而工作电压只需2~ 5V。

  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, 有些甚至带有控制功能, 这就是所说的数字传感器。

  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。

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