傳感器電子科技大學(xué)課件

智能傳感器12/16/2022智能傳感器12/10/20221一.智能傳感器發(fā)展的歷史背景二.智能傳感器的功能與特點三.智能傳感器概念與傳感器系統(tǒng)四.智能傳感器實現(xiàn)的途徑本章小結(jié)

目錄12/16/2022目錄12/10/20222自動化（控制）系統(tǒng)框圖一.智能傳感器發(fā)展的歷史背景12/16/2022自動化（控制）系統(tǒng)框圖一.智能傳感器發(fā)展的歷史背景12/13傳感器、計算機及執(zhí)行器的價格性能比12/16/2022傳感器、計算機及執(zhí)行器的價格性能比12/10/20224傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)已達到其技術(shù)極限，其價格性能比不可能再有大的下降，在以下幾方面存在嚴重的不足：結(jié)構(gòu)尺寸大，時間（頻率）響應(yīng)特性差；“輸入—輸出”特性存在非線性，且隨時間而漂移；參數(shù)易受環(huán)境條件變化的影響而漂移；信噪比低，易受噪聲干擾；存在交叉靈敏度，選擇性、分辨率不高。12/16/2022傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)已達到其技術(shù)極限，其價格性能比不可能5

現(xiàn)場總線是連接測控系統(tǒng)中各智能裝置（包括智能傳感器）的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，其主要特點是：

1、傳輸數(shù)字信號2、標準化3、智能化12/16/2022現(xiàn)場總線是連接測控系統(tǒng)中各智能裝置（包括智能傳感器6用數(shù)字信號取代原來的4～20mA標準模擬信號，進而提高可靠性和抗干擾能力。這就要求傳感器由可輸出4～20mA標準信號的變送器改變?yōu)閹?shù)字總線接口并輸出數(shù)字信號。所有現(xiàn)場傳感器，通過數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場總線上。這樣可以大大削減現(xiàn)場與控制室（高/上位計算機）之間一對一的連接導(dǎo)線，節(jié)約初期安裝費用，大大簡化整個系統(tǒng)的布線和設(shè)計。1、傳輸數(shù)字信號12/16/20221、傳輸數(shù)字信號12/10/20227這種節(jié)約對一個大型多點測量系統(tǒng)是很有意義的。譬如：一個電站需要5000臺傳感器及其儀表；一個鋼鐵廠 需要20000臺傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺傳感器及其儀表；大型發(fā)電機組 需要3000臺傳感器及其儀表；一部汽車 需要30至100臺傳感器；一架飛機 需要3600臺傳感器；…12/16/2022這種節(jié)約對一個大型多點測量系統(tǒng)是很有意義的。12/8總線采用統(tǒng)一標準，使系統(tǒng)具有開放性。不同廠家的產(chǎn)品，在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、互換聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維修。不少大公司都推出了自己的現(xiàn)場總線標準，國際化的統(tǒng)一標準的工作正在加緊進行中。2、標準化12/16/20222、標準化12/10/20229

采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場裝置的原則，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的每一節(jié)點處安裝的現(xiàn)場儀表應(yīng)是“智能”型的，即安裝的傳感器應(yīng)是“智能傳感器”。在這種控制系統(tǒng)中，智能型現(xiàn)場裝置是整個控制管理系統(tǒng)的主體。這種基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，要求必須使用智能傳感器，而不是一般傳統(tǒng)的傳感器。智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向。這種智能傳感器帶有標準數(shù)字總線接口，能夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與高/上位計算機進行信息通信與傳遞。3、智能化12/16/2022采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場裝置的原則，現(xiàn)場總線101、智能傳感器的功能

概括而言，智能傳感器的主要功能是：(1)具有自校零、自標定、自校正功能；(2)具有自動補償功能；(3)能夠自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；(4)能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障；(5)具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能；(6)具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能；(7)具有判斷、決策處理功能。二.智能傳感器的功能與特點

12/16/20221、智能傳感器的功能二.智能傳感器的功能與特點12/10112、智能傳感器的特點

與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器的特點是：（1）精度高（2）高可靠性與高穩(wěn)定性（3）高信噪比與高的分辨力（4）強的自適應(yīng)性（5）高的性能價格比

12/16/20222、智能傳感器的特點12/10/202212智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。早期，人們簡單、機械地強調(diào)在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結(jié)合，認為“傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

三.智能傳感器概念與傳感器系統(tǒng)

12/16/2022智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速13關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，目前也尚未統(tǒng)一。JohnBrignell和NellWhite認為：“IntelligentSensor”是英國人對智能傳感器的稱謂；而“SmartSensor”是美國人對智能傳感器的俗稱。JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“SmartSensor”和“IntegratedSmartSensor”。對“SmartSensor”的中文譯名有譯為“靈巧傳感器”的，也有譯為“智能傳感器”的。12/16/2022關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，目前也尚未統(tǒng)一。Joh14智能傳感器的定義《智能傳感器系統(tǒng)》書上的定義：

傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器（系統(tǒng)）。模糊傳感器也是一種智能傳感器（系統(tǒng)），將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器（系統(tǒng)）的一種方式。（《智能傳感器系統(tǒng)》，劉君華，西安電子科技大學(xué)出版社）《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》書上的定義：

所謂智能式傳感器就是一種帶微處理機的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。（《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》，劉迎春、葉湘濱等，國防工業(yè)出版社）.12/16/2022智能傳感器的定義《智能傳感器系統(tǒng)》書上的定義：12/10151、非集成化實現(xiàn)非集成式智能傳感器框圖四.智能傳感器實現(xiàn)的途徑

12/16/20221、非集成化實現(xiàn)非集成式智能傳感器框圖四.智能傳感器實現(xiàn)16模糊傳感器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖12/16/2022模糊傳感器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖12/10/2022172、集成化實現(xiàn)集成智能傳感器外形示意圖12/16/20222、集成化實現(xiàn)集成智能傳感器外形示意圖12/10/20218現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)（因為硅既有優(yōu)良的電性能，又有極好的機械性能），采用微米（1μm～1mm）級的微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級尺寸化。國外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)（ASIM）。由此制作的智能傳感器的特點是：（1）微型化（2）結(jié)構(gòu)一體化（3）高精度（4）多功能化（5）陣列化（6）全數(shù)字化（7）使用極其方便、操作極其簡單12/16/2022現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)（因為硅既有優(yōu)良的19

微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流動情況。裝在飛機或發(fā)動機葉片表面用以測量氣體的流速和壓力。美國最近研究成功的微型加速度計可以使火箭或飛船的制導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)量從幾公斤下降至幾克。（1）微型化12/16/2022微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流20壓阻式壓力（差）傳感器是最早實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的傳感器。1）傳統(tǒng)的做法是先宏觀機械加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后把二者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的“金屬杯”，再在膜片上粘貼電阻變換器（應(yīng)變片）而構(gòu)成壓力（差）傳感器，這就不可避免地存在蠕變、遲滯、非線性特性。2）采用微機械加工和集成化工藝，不僅“硅杯”一次整體成型，而且電阻變換器與“硅杯”是完全一體化的。進而可在“硅杯”非受力區(qū)制作調(diào)理電路和微處理器單元，甚至微執(zhí)行器，從而實現(xiàn)不同程度的乃至整個系統(tǒng)的一體化。（2）結(jié)構(gòu)一體化12/16/2022壓阻式壓力（差）傳感器是最早實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的傳感器。（21比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性指標將大大改善，時間漂移大大減小，精度提高。后續(xù)的信號調(diào)理電路與敏感元件一體化后，可以大大減小由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對電容式傳感器更有特別重要的意義。（3）高精度12/16/2022比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性指標將大大22微米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個傳感器。美國霍尼韋爾公司上世紀80年代初期生產(chǎn)的ST-3000型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了感受壓力、壓差及溫度三個參量的，具有三種功能（可測壓力、壓差、溫度）的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。不僅增加了傳感器的功能，而且可以通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提高傳感器的穩(wěn)定性與精度。（4）多功能化12/16/2022微米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功23微米技術(shù)已經(jīng)可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有幾千個壓力傳感器的陣列。豐田中央研究所半導(dǎo)體研究室用微機械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計式面陣觸覺傳感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1024個(32×32)敏感觸點（橋），基片四周還制作了信號處理電路，其元件總數(shù)約16000個。

敏感元件構(gòu)成陣列后，配合相應(yīng)圖像處理軟件，可以實現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。這時的智能傳感器就達到了它的最高級形式。（5）陣列化12/16/2022微米技術(shù)已經(jīng)可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有幾24通過微機械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固有諧振頻率可以設(shè)計成某種物理參量（如溫度或壓力）的單值函數(shù)。因此，可以通過檢測其諧振頻率來檢測被測物理量。這是一種諧振式傳感器，可以直接輸出數(shù)字量（頻率）。它的性能極為穩(wěn)定、精度高、不需A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便地接口，免去A/D轉(zhuǎn)換器，對于節(jié)省芯片面積、簡化集成化工藝，均十分有利。（6）全數(shù)字化12/16/2022通過微機械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固有諧振頻率可25它沒有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通訊線可以少至四條，因此，接線極其簡便。它還可以自動進行整體自校，無需用戶長時間地反復(fù)多環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)與校驗。智能含量越高的智能傳感器，它的操作使用越簡便，用戶只需編制簡單的使用主程序。這就如同傻瓜照相機的操作比不是傻瓜照相機的經(jīng)典式照相機要簡便得多一樣的道理。（7）使用極其方便，操作極其簡單12/16/2022它沒有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通訊線可以少26根據(jù)以上特點可以看出：通過集成化實現(xiàn)的智能傳感器，為達到高自適應(yīng)性、高精度、高可靠性與高穩(wěn)定性，其發(fā)展主要有以下兩種趨勢：其一：多功能化與陣列化，加上強大的軟件信息處理功能；其二：發(fā)展諧振式傳感器，加上軟件信息處理功能。例如：壓阻式壓差傳感器是采用微機械加工技術(shù)最先實用化的集成傳感器，但是它受溫度與靜壓影響，總精度只能達到0.1%。致力于改善它的溫度性能花費了近20余年時間卻無重大進展，因而有的廠家改為研制諧振式壓力傳感器。美國霍尼韋爾公司則發(fā)展多功能敏感元件（如：ST-3000型智能變送器），通過軟件進行多信息數(shù)據(jù)融合處理，改善了穩(wěn)定性，提高了精度。12/16/2022根據(jù)以上特點可以看出：通過集成化實現(xiàn)的智能傳感器，27

要在一塊芯片上實現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)，存在著許多困難的、棘手的難題：哪一種敏感元件比較容易采用標準的集成電路工藝來制作?選用何種信號調(diào)理電路，如精密電阻、電容、晶振等，不需要外接元件?由于直接轉(zhuǎn)換型A/D變換器電路太復(fù)雜，制作了敏感元件后留下的芯片面積有限，需要尋求其它“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換的型式，如：電壓/頻率變換器、占空比調(diào)制式、……。12/16/2022要在一塊芯片上實現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)，存在著許多困難的28由于芯片面積有限制，以及制作敏感元件與數(shù)字電路的優(yōu)化工藝的不兼容性，微處理器系統(tǒng)及可編程只讀存儲器的規(guī)模、復(fù)雜性與完善性受到很大限制。對功耗與自熱、電磁耦合帶來的相互影響，在一塊芯片內(nèi)如何消除?困難的、棘手的難題：12/16/2022由于芯片面積有限制，以及制作敏感元件與數(shù)字電路的困難的、棘手293、混合實現(xiàn)根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)如：敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個外殼里。集成化敏感單元包括（對結(jié)構(gòu)型傳感器）：彈性敏感元件及變換器。信號調(diào)理電路包括：多路開關(guān)、儀用放大器、基準、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。微處理器單元包括：數(shù)字存儲器（EPROM、ROM、RAM）、I/O接口、微處理器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）等。12/16/20223、混合實現(xiàn)根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)如30在一個封裝內(nèi)可能的混合集成實現(xiàn)方式12/16/2022在一個封裝內(nèi)可能的混合集成實現(xiàn)方式12/10/2022314、集成化智能傳感器的幾種形式（1）初級形式初級形式就是組成環(huán)節(jié)中沒有微處理器單元，只有敏感單元與（智能）信號調(diào)理電路，二者被封裝在一個外殼里。這是智能傳感器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的商品化形式，也是最廣泛使用的形式，也被稱為“初級智能傳感器”（SmartSensor）。從功能來講，它只具有比較簡單的自動校零、非線性的自動校正、溫度自動補償功能。這些簡單的智能化功能是由硬件電路來實現(xiàn)的，故通常稱該種硬件電路為智能調(diào)理電路。12/16/20224、集成化智能傳感器的幾種形式（1）初級形式12/10/32（2）中級形式/自立形式中級形式是在組成環(huán)節(jié)中除敏感單元與信號調(diào)理電路外，必須含有微處理器單元，即一個完整的傳感器系統(tǒng)全部封裝在一個外殼里的形式。它具有完善的智能化功能，這些智能化功能主要是由強大的軟件來實現(xiàn)的。12/16/2022（2）中級形式/自立形式12/10/202233（3）高級形式高級形式是集成度進一步提高，敏感單元實現(xiàn)多維陣列化，同時配備了更強大的信息處理軟件，從而具有更高級的智能化功能的形式。這時的傳感器系統(tǒng)不僅具有完善的智能化功能，而且還具有更高級的傳感器陣列信息融合功能，或具有成像與圖像處理等功能。對于集成化智能傳感器系統(tǒng)而言，集成化程度越高，其智能化程度也就越可能達到更高的水平。12/16/2022（3）高級形式12/10/202234本章小結(jié)1.什么是智能傳感器？2.智能傳感器有什么功能？3.智能傳感器特點有哪些？12/16/2022本章小結(jié)1.什么是智能傳感器？12/10/202235智能傳感器12/16/2022智能傳感器12/10/202236一.智能傳感器發(fā)展的歷史背景二.智能傳感器的功能與特點三.智能傳感器概念與傳感器系統(tǒng)四.智能傳感器實現(xiàn)的途徑本章小結(jié)

目錄12/16/2022目錄12/10/202237自動化（控制）系統(tǒng)框圖一.智能傳感器發(fā)展的歷史背景12/16/2022自動化（控制）系統(tǒng)框圖一.智能傳感器發(fā)展的歷史背景12/138傳感器、計算機及執(zhí)行器的價格性能比12/16/2022傳感器、計算機及執(zhí)行器的價格性能比12/10/202239傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)已達到其技術(shù)極限，其價格性能比不可能再有大的下降，在以下幾方面存在嚴重的不足：結(jié)構(gòu)尺寸大，時間（頻率）響應(yīng)特性差；“輸入—輸出”特性存在非線性，且隨時間而漂移；參數(shù)易受環(huán)境條件變化的影響而漂移；信噪比低，易受噪聲干擾；存在交叉靈敏度，選擇性、分辨率不高。12/16/2022傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)已達到其技術(shù)極限，其價格性能比不可能40

現(xiàn)場總線是連接測控系統(tǒng)中各智能裝置（包括智能傳感器）的雙向數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，其主要特點是：

1、傳輸數(shù)字信號2、標準化3、智能化12/16/2022現(xiàn)場總線是連接測控系統(tǒng)中各智能裝置（包括智能傳感器41用數(shù)字信號取代原來的4～20mA標準模擬信號，進而提高可靠性和抗干擾能力。這就要求傳感器由可輸出4～20mA標準信號的變送器改變?yōu)閹?shù)字總線接口并輸出數(shù)字信號。所有現(xiàn)場傳感器，通過數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場總線上。這樣可以大大削減現(xiàn)場與控制室（高/上位計算機）之間一對一的連接導(dǎo)線，節(jié)約初期安裝費用，大大簡化整個系統(tǒng)的布線和設(shè)計。1、傳輸數(shù)字信號12/16/20221、傳輸數(shù)字信號12/10/202242這種節(jié)約對一個大型多點測量系統(tǒng)是很有意義的。譬如：一個電站需要5000臺傳感器及其儀表；一個鋼鐵廠 需要20000臺傳感器及其儀表；大型石油化工廠需要6000臺傳感器及其儀表；大型發(fā)電機組 需要3000臺傳感器及其儀表；一部汽車 需要30至100臺傳感器；一架飛機 需要3600臺傳感器；…12/16/2022這種節(jié)約對一個大型多點測量系統(tǒng)是很有意義的。12/43總線采用統(tǒng)一標準，使系統(tǒng)具有開放性。不同廠家的產(chǎn)品，在硬件、軟件、通信規(guī)程、連接方式等方面互相兼容、互換聯(lián)用，既方便用戶使用，又易于安裝維修。不少大公司都推出了自己的現(xiàn)場總線標準，國際化的統(tǒng)一標準的工作正在加緊進行中。2、標準化12/16/20222、標準化12/10/202244

采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場裝置的原則，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的每一節(jié)點處安裝的現(xiàn)場儀表應(yīng)是“智能”型的，即安裝的傳感器應(yīng)是“智能傳感器”。在這種控制系統(tǒng)中，智能型現(xiàn)場裝置是整個控制管理系統(tǒng)的主體。這種基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，要求必須使用智能傳感器，而不是一般傳統(tǒng)的傳感器。智能傳感器代表了傳感器的發(fā)展方向。這種智能傳感器帶有標準數(shù)字總線接口，能夠自己管理自己。它將所檢測到的信號經(jīng)過變換處理后，以數(shù)字量形式通過現(xiàn)場總線與高/上位計算機進行信息通信與傳遞。3、智能化12/16/2022采用智能與控制職能分散下放到現(xiàn)場裝置的原則，現(xiàn)場總線451、智能傳感器的功能

概括而言，智能傳感器的主要功能是：(1)具有自校零、自標定、自校正功能；(2)具有自動補償功能；(3)能夠自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；(4)能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障；(5)具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能；(6)具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能；(7)具有判斷、決策處理功能。二.智能傳感器的功能與特點

12/16/20221、智能傳感器的功能二.智能傳感器的功能與特點12/10462、智能傳感器的特點

與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器的特點是：（1）精度高（2）高可靠性與高穩(wěn)定性（3）高信噪比與高的分辨力（4）強的自適應(yīng)性（5）高的性能價格比

12/16/20222、智能傳感器的特點12/10/202247智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。早期，人們簡單、機械地強調(diào)在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結(jié)合，認為“傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

三.智能傳感器概念與傳感器系統(tǒng)

12/16/2022智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速48關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，目前也尚未統(tǒng)一。JohnBrignell和NellWhite認為：“IntelligentSensor”是英國人對智能傳感器的稱謂；而“SmartSensor”是美國人對智能傳感器的俗稱。JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“SmartSensor”和“IntegratedSmartSensor”。對“SmartSensor”的中文譯名有譯為“靈巧傳感器”的，也有譯為“智能傳感器”的。12/16/2022關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，目前也尚未統(tǒng)一。Joh49智能傳感器的定義《智能傳感器系統(tǒng)》書上的定義：

傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器（系統(tǒng)）。模糊傳感器也是一種智能傳感器（系統(tǒng)），將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器（系統(tǒng)）的一種方式。（《智能傳感器系統(tǒng)》，劉君華，西安電子科技大學(xué)出版社）《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》書上的定義：

所謂智能式傳感器就是一種帶微處理機的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。（《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》，劉迎春、葉湘濱等，國防工業(yè)出版社）.12/16/2022智能傳感器的定義《智能傳感器系統(tǒng)》書上的定義：12/10501、非集成化實現(xiàn)非集成式智能傳感器框圖四.智能傳感器實現(xiàn)的途徑

12/16/20221、非集成化實現(xiàn)非集成式智能傳感器框圖四.智能傳感器實現(xiàn)51模糊傳感器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖12/16/2022模糊傳感器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖12/10/2022522、集成化實現(xiàn)集成智能傳感器外形示意圖12/16/20222、集成化實現(xiàn)集成智能傳感器外形示意圖12/10/20253現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)（因為硅既有優(yōu)良的電性能，又有極好的機械性能），采用微米（1μm～1mm）級的微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝來實現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微米級尺寸化。國外也稱它為專用集成微型傳感技術(shù)（ASIM）。由此制作的智能傳感器的特點是：（1）微型化（2）結(jié)構(gòu)一體化（3）高精度（4）多功能化（5）陣列化（6）全數(shù)字化（7）使用極其方便、操作極其簡單12/16/2022現(xiàn)代傳感器技術(shù)，是指以硅材料為基礎(chǔ)（因為硅既有優(yōu)良的54

微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流動情況。裝在飛機或發(fā)動機葉片表面用以測量氣體的流速和壓力。美國最近研究成功的微型加速度計可以使火箭或飛船的制導(dǎo)系統(tǒng)質(zhì)量從幾公斤下降至幾克。（1）微型化12/16/2022微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進血管測量血液流55壓阻式壓力（差）傳感器是最早實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的傳感器。1）傳統(tǒng)的做法是先宏觀機械加工金屬圓膜片與圓柱狀環(huán)，然后把二者粘貼形成周邊固支結(jié)構(gòu)的“金屬杯”，再在膜片上粘貼電阻變換器（應(yīng)變片）而構(gòu)成壓力（差）傳感器，這就不可避免地存在蠕變、遲滯、非線性特性。2）采用微機械加工和集成化工藝，不僅“硅杯”一次整體成型，而且電阻變換器與“硅杯”是完全一體化的。進而可在“硅杯”非受力區(qū)制作調(diào)理電路和微處理器單元，甚至微執(zhí)行器，從而實現(xiàn)不同程度的乃至整個系統(tǒng)的一體化。（2）結(jié)構(gòu)一體化12/16/2022壓阻式壓力（差）傳感器是最早實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的傳感器。（56比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性指標將大大改善，時間漂移大大減小，精度提高。后續(xù)的信號調(diào)理電路與敏感元件一體化后，可以大大減小由引線長度帶來的寄生參量的影響，這對電容式傳感器更有特別重要的意義。（3）高精度12/16/2022比起分體結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性指標將大大57微米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個傳感器。美國霍尼韋爾公司上世紀80年代初期生產(chǎn)的ST-3000型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了感受壓力、壓差及溫度三個參量的，具有三種功能（可測壓力、壓差、溫度）的敏感元件結(jié)構(gòu)的傳感器。不僅增加了傳感器的功能，而且可以通過采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提高傳感器的穩(wěn)定性與精度。（4）多功能化12/16/2022微米級敏感元件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功58微米技術(shù)已經(jīng)可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有幾千個壓力傳感器的陣列。豐田中央研究所半導(dǎo)體研究室用微機械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計式面陣觸覺傳感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1024個(32×32)敏感觸點（橋），基片四周還制作了信號處理電路，其元件總數(shù)約16000個。

敏感元件構(gòu)成陣列后，配合相應(yīng)圖像處理軟件，可以實現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。這時的智能傳感器就達到了它的最高級形式。（5）陣列化12/16/2022微米技術(shù)已經(jīng)可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有幾59通過微機械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固有諧振頻率可以設(shè)計成某種物理參量（如溫度或壓力）的單值函數(shù)。因此，可以通過檢測其諧振頻率來檢測被測物理量。這是一種諧振式傳感器，可以直接輸出數(shù)字量（頻率）。它的性能極為穩(wěn)定、精度高、不需A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便地接口，免去A/D轉(zhuǎn)換器，對于節(jié)省芯片面積、簡化集成化工藝，均十分有利。（6）全數(shù)字化12/16/2022通過微機械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固有諧振頻率可60它沒有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通訊線可以少至四條，因此，接線極其簡便。它還可以自動進行整體自校，無需用戶長時間地反復(fù)多環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)與校驗。智能含量越高的智能傳感器，它的操作使用越簡便，用戶只需編制簡單的使用主程序。這就如同傻瓜照相機的操作比不是傻瓜照相機的經(jīng)典式照相機要簡便得多一樣的道理。（7）使用極其方便，操作極其簡單12/16/2022它沒有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通訊線可以少61根據(jù)以上特點可以看出：通過集成化實現(xiàn)的智能傳感器，為達到高自適應(yīng)性、高精度、高可靠性與高穩(wěn)定性，其發(fā)展主要有以下兩種趨勢：其一：多功能化與陣列化，加上強大的軟件信息處理功能；其二：發(fā)展諧振式傳感器，加上軟件信息處理功能。例如：壓阻式壓差傳感器是采用微機械加工技術(shù)最先實用化的集成傳感器，但是它受溫度與靜壓影響，總精度只能達到0.1%。致力于改善它的溫度性能花費了近20余年時間卻無重大進展，因而有的廠家改為研制諧振式壓力傳感器。美國霍尼韋爾公司則發(fā)展多功能敏感元件（如：ST-3000型智能變送器），通過軟件進行多信息數(shù)據(jù)融合處理，改善了穩(wěn)定性，提高了精度。12/16/2022根據(jù)以上特點可以看出：通過集成化實現(xiàn)的智能傳感器，62

要在一塊芯片上實現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)，存在著許多困難的、棘手的難題：哪一種敏感元件比較容易采用標準的集成電路工藝來制作?選用何種信號調(diào)理電路，如精密電阻、電容、晶振等，不需要外接元件?由于直接轉(zhuǎn)換型A