智能传感器系统是一门现代综合技术,最早由美国宇航局(NASA)于80年代提出,是当今世界正在迅速发展的高新技术,至今还没有形成规范化的定义。
《智能传感器系统》书上的定义:"传感器与微处理器赋予智能的结合www.cechina.cn,兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)";模糊传感器也是一种智能传感器(系统),将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。
现代新型传感器原理与应用》书上的定义:所渭智能式传感器就是一种带行微处理机的,兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。其最大的特点是将信息检测和信息处理结合在一起。
与传统传感器相比,智能传感器具有以下功能:
1.具有逻辑判断、统计处理功能。
可对检测数据进行分析、统计和修正控制工程网版权所有,还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿,提高了测量准确度。
2.具有自诊断、自校准功能。
可在接通电源时进行开机自检,可在工作中进行运行自检,并可实时自行诊断测试,以确定哪一组件有故障,提高了工作可靠性。
3.具有自适应、自调整功能。
可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式,提高了检测适用性。
4. 具有组态功能。
可实现多传感器、多参数的复合测量,扩大了检测与使用范围。
5. 具有记忆、存储功能。
可进行检测数据的随时存取,加快了信息的处理速度。
6. 具有数据通信功能。
智能传感器具有数据通讯接口,能与计算机直接联机,相互交换信息,提高了信息处理的质量。
与传统传感器相比,智能传感器的特点是:
1. 精度高
由于智能式传感器具有信息处理功能,因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等),而且还可以适当地补偿随即误差,降低噪声www.cechina.cn,从而使传感器的精度大大提高。
2. 检测与处理方便
具有一定的可编程自动化能力,可根据检测对象或条件的改变,方便地改变量程及输出数据的形式。而且输出数据可通过串行或并行通讯线直接送入原地计算机进行处理,因此可以方便地实现远程控制。
3. 功能广
不仅可以实现多传感器多参数综合测量,扩大测量与使用范围。而且可以有多种形式输出,包括RS232串行输出,PIO并行输出,IEEE-488总线输出及经D/A转换后的模拟量输出等。
4. 强的自适应性
例如在带有温度补偿和压力补偿的智能传感器中,当环境温度和压力发生变化时,补偿软件能够通过相应的算法进行温度和压力补偿,保证了不同测量环境下测试结果的准确性。
5. 性能价格比高
在相同精度条件下,多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比,其性能价格比高,尤其是在采用比较便宜的单片机后更加明显。
6. 稳定性及可靠性好
7. 小型化和微型化
8. 功耗低
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苛刻要求有所减轻,而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。
1、信息存储和传输--随着全智能集散控制系统(Smart Distributed System)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。
2、自补偿和计算功能--多年来从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线性作大量的补偿工作,但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路。这样,放宽传感器加工精密度要求,只要能保证传感器的重复性好,利用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,从而能获得较精确的测量结果压力传感器。
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。采用智能传感器情况则大有改观,首先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、复合敏感功能--我们观察周围的自然现象控制工程网版权所有,常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式:直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能,能够同时测量多种物理量和化学量,给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器,可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GIC Sensors公司研制的复合力学传感器,可同时测量物体某一点的三维振动加速度(加速度传感器)、速度(速度传感器)、位移(位移传感器),等等。
智能传感器的实现途径有:非集成化实现、集成化实现、混合实现。
1.非集成化实现
在传统传感器的信号处理电路后面加上具有数据总线接口的处理器后构成智能传感器。
2.集成化实现
集成化智能传感器是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术,利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号处理电路、微控制器单元,且这些功能单元都在同一块芯片上实现。
与非集成化智能传感器相比,集成化智能传感器具有如下特点:
1)微型化
如微型压力传感器可以装在飞机或发动机叶片表面用以测量气体的流速和压力;甚至可以小到放在注射针头内送进血管测量血液流动情况。
2)结构一体化
压阻式压力(差)传感器是最早实现一体化结果的传感器。
3)高精度
比起分体结构,传感器结构本身一体化后,迟滞、重复性指标将大大改善,时间漂移大大减小,精度提高。
4)多功能化
微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一硅片上制作不同功能的多个传感器。
5)阵列化
微米技术已经可以在一平方厘米大小的硅芯片上制作含有几千个传感器的阵列。敏感元件构成阵列后,配合相应图像处理软件,可以实现图形成像且构成多维图像传感器。
6)全数字化
通过微机械加工技术可以制作各种形式的微结构CONTROL ENGINEERING China版权所有,其固有谐振频率可以设计成某种物理参量的单值函数。因此,可以通过检测其谐振频率来检测被测物理量。
7)使用极其方便,操作极其简单
它没有外部连接元件,外接连线数量极少,包括电源、通讯线可以少至四条。因此,接线极其简便。它还可以自动进行整体自校,无需用户长时间地反复多环节调节与校验。
3.混合实现
混合实现就是根据需要与可能,将系统各个集成化环节,如:敏感单元、信号处理电路、微处理器单元、数字总线接口等,以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上。