智能傳感器數(shù)字時(shí)代的驕子 傳感器是如何工作的

第第頁(yè)智能傳感器數(shù)字時(shí)代的驕子傳感器是如何工作的摘要：本文就目前國(guó)際傳感器領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題"SmartSensor"作了介紹，全文從智能傳感器的含義、功能、集成化、微機(jī)械加工技術(shù)與軟件、應(yīng)用與進(jìn)展等幾個(gè)方面作了論述。

智能傳感器隨數(shù)字化時(shí)代誕生

從微處理器帶來(lái)的數(shù)字化革命到虛擬儀器（I）的飛速進(jìn)展，對(duì)傳感器的綜合精度、穩(wěn)定牢靠性和響應(yīng)要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)傳感器已不能適應(yīng)多種測(cè)試要求，隨著微處理智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用，智能傳感器（SmartSensor）誕生了。

目前，國(guó)際傳感器領(lǐng)域已對(duì)"SmartSensor"定義形成了基本共識(shí)，但中文譯法尚未形成定論，本文所用的"智能傳感器"一詞屬個(gè)人引用。智能傳感器從其功能來(lái)說(shuō)是具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號(hào)探測(cè)、變換處理、邏輯判定、功能計(jì)算、雙向通訊，內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷、具備以上部分功能或全部功能的器件。

從使用的角度，傳感器的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和牢靠性是至關(guān)緊要的。長(zhǎng)期以來(lái)討論工作大都集中在硬件方面，雖然人們不斷利用新材料研制敏感器件，改進(jìn)傳感器芯片的制造工藝方法來(lái)提高芯片的質(zhì)量以及通過(guò)外電路補(bǔ)償方法來(lái)改善傳感器的線性度、穩(wěn)定性和輸出漂移，但都沒有根本性的突破。

七十時(shí)代，微處理器舉世矚目的成就帶來(lái)了數(shù)字化的革命，對(duì)儀器儀表的進(jìn)展起了巨大的推動(dòng)作用。如九十時(shí)代的虛擬儀器（I）飛速進(jìn)展，使以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)控系統(tǒng)都需要傳感器來(lái)供應(yīng)賴以作出實(shí)時(shí)決策的數(shù)據(jù)。隨著系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高和多而雜性的加添，對(duì)傳感器的綜合精度、穩(wěn)定牢靠性和響應(yīng)要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的傳感器因其功能單一、性能不適應(yīng)、不能充分多種測(cè)試要求，為此人們利用微處理器智能技術(shù)用于傳感器。八十時(shí)代末期，人們又將微機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用到傳感器，從而產(chǎn)生新概念傳感器"SmartSensor"——智能傳感器。

可實(shí)現(xiàn)的功能

智能傳感器的功能是通過(guò)模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)試技術(shù)的討論和實(shí)際閱歷而提出來(lái)的。是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能單元，它的顯現(xiàn)對(duì)原來(lái)硬件性能苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫忙可以使傳感器的性能大幅度提高。

1.復(fù)合敏感功能————我們察看四周的自然現(xiàn)象，常見的信號(hào)有聲、光、電、熱、力、化學(xué)等。敏感元件測(cè)量一般通過(guò)兩種方式：直接和間接的測(cè)量。而智能傳感器具有復(fù)合功能，能夠同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。如美國(guó)加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時(shí)測(cè)量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國(guó)EG&GICSensors公司研制的復(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測(cè)量物體某一點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度、速度、位移，等等。

2.自補(bǔ)償和計(jì)算功能————多年來(lái)從事傳感器研制的工程技術(shù)人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補(bǔ)償工作，但都沒有從根本上解決問(wèn)題。而智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)償開墾了新的道路。這樣，放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復(fù)性好，利用微處理器對(duì)測(cè)試的信號(hào)通過(guò)軟件計(jì)算，接受多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而能獲得較精準(zhǔn)明確的測(cè)量結(jié)果。

3.自檢、自校、自診斷功能————一般傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證它在正常使用時(shí)充分的精準(zhǔn)度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸送到試驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門進(jìn)行。對(duì)于在線測(cè)量傳感器顯現(xiàn)異常則不能適時(shí)診斷。接受智能傳感器情況則大有改觀，首先自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢，診斷測(cè)試以確定組件有無(wú)故障。其次依據(jù)使用時(shí)間可以在線進(jìn)行校正，微處理器利用存在EPROM內(nèi)的計(jì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校對(duì)。

4.信息存儲(chǔ)和傳輸————隨著全智能集散掌控系統(tǒng)（SmartDistributedSystem）的飛速進(jìn)展，對(duì)智能單元要求具備通信功能，用通信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式進(jìn)行雙向通信，這也是智能傳感器關(guān)鍵標(biāo)志之一、智能傳感器通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。如增益的設(shè)置、補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出等。

智能傳感器的集成化

由于大規(guī)模集成電路的進(jìn)展使得傳感器與相應(yīng)的電路都集成到同一芯片上，而這種具有某些智能功能的傳感器叫作集成智能傳感器

集成智能傳感器的功能有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：較高信噪比：傳感器的弱信號(hào)先經(jīng)集成電路信號(hào)放大后再遠(yuǎn)距離傳送，就可大大改進(jìn)信噪比。改善性能：由于傳感器與電路集成于同一芯片上，對(duì)于傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過(guò)自校單元定期自動(dòng)校準(zhǔn)，又可以接受適當(dāng)?shù)姆答伔绞礁纳苽鞲衅鞯念l響。信號(hào)規(guī)一化：傳感器的模擬信號(hào)通過(guò)程控放大器進(jìn)行規(guī)一化，又通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，微處理器按數(shù)字傳輸?shù)膸追N形式進(jìn)行數(shù)字規(guī)一化，如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。

微機(jī)械加工技術(shù)與軟件

智能傳感器的制造基礎(chǔ)是微機(jī)械加工技術(shù)，將硅進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)、焊接加工，再接受不同的封裝技術(shù)來(lái)封裝，近幾年又進(jìn)展了一種LIGA工藝（深層X射線光刻電鍍成敏膜）用于制造傳感器。智能傳感器一般具有實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的功能，尤其動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)常要求在幾微秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理和輸出。智能傳感器的一系列功能都是在程序支持下進(jìn)行。如功能多少、基本性能、便利使用、工作牢靠，大都在確定程度上倚靠于軟件設(shè)計(jì)和其質(zhì)量，這些軟件緊要有五大類。包括標(biāo)度換算、數(shù)字調(diào)零、非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波技術(shù)。國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情形

十幾年前，美國(guó)Honeywell公司研制第一只智能傳感器。它是將硅敏感元件技術(shù)與微處理器的計(jì)算、掌控本領(lǐng)結(jié)合在一起，建立了新的傳感器概念。目前智能傳感器多使用于壓力、力、振動(dòng)沖擊加速度、流量、溫濕度的測(cè)量。如美國(guó)Honeywell公司的ST3000系列全智能變送器，德國(guó)Strohrmann公司的二維加速度傳感器等。

目前智能傳感器系統(tǒng)本身都是數(shù)字式的，但其通信規(guī)定仍接受4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。國(guó)際上有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化討論機(jī)構(gòu)正在積極推出國(guó)際規(guī)格的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)（現(xiàn)場(chǎng)總線）。在現(xiàn)在的過(guò)渡階段接受了HART協(xié)議（HighwayAddressableRemoteTransducer，尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)線）。這是一種智能傳感器的通信協(xié)議，與現(xiàn)有的4～20mA的系統(tǒng)兼容，模擬與數(shù)字可以同時(shí)進(jìn)行通信。這樣使不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品具有通用性。

我國(guó)智能傳感器的討論緊要集中在專業(yè)討論所和大學(xué)，始于八十時(shí)代中期，八十時(shí)代末中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等大專院校相繼報(bào)道了討論成果。九十時(shí)代初，國(guó)內(nèi)幾家討論機(jī)構(gòu)接受混合集成技術(shù)成功的研制出應(yīng)用的智能傳感器，標(biāo)志著我國(guó)智能傳感器的討論進(jìn)入了國(guó)際行列，但是與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距。緊要在：1、先進(jìn)的計(jì)算、模擬和設(shè)計(jì)