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智能传感器的定义与结构
点击次数:1222 发布时间:2018-09-05

智能传感器(intelligent sensor)的概念初是由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出并形成的,1978年研发出产品。宇宙飞船上需要用大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息,用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据,于是提出把CPU分散化,从而产生出智能化传感器。经过几十年的发展,智能传感器已成为传感器技术的一个主要发展方向,代表着一个国家的工业及技术科研能力。

    1  智能传感器的定义

    传感器(sensor)一词来自拉丁语sentire,意思是觉察、领悟。其作用是对于诸如热、光、力、声、运动等物理或化学的刺激做出反应,感受被测刺激后定量地将其转化为电信号,信号调理电路对该信号进行放大、调制等处理,再由变送器转化成适于记录和显示的形式输出。

智能传感器(smart sensor)指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器。相对于仅提供表征待测物理量的模拟电压信号的传统传感器,智能传感器充分利用集成技术和微处理器技术,集感知、信息处理、通信于一体,能提供以数字量方式传播的具有一定知识级别的信息。智能传感器可分两大部分:基本传感器和信息处理单元。基本传感器是构成智能传感器的基础,其性能很大程度上决定着智能传感器的性能,由于微机械加工工艺的逐步成熟以及微处理器的补偿作用,基本传感器的某些缺陷(如:输入输出的非线性)得到较大程度的改善;信息处理单元以微处理器为核心,接受基本传感器的输出,并对该输出信号进行处理,如标度变换、线性化补偿、数字调零、数字滤波等,处理工作大部分由软件完成。智能传感器的两大部分可以集成在一起设置成为一个整体,封装在一个表壳内;也可分开设置,以利用电子元器件和微处理器的保护,尤其在测试环境较恶劣时更应该分开设置。

    在当前智能时代的推动下,传感器的重要性更加凸显,不仅在《中国制造2025》、《德国2020高技术战略》及欧盟、美国、韩国、新加坡等推进的智慧城市等战略方面发挥着重要的支撑作用,而且也在物联网、虚拟现实(VR)、机器人、智能家居、自动驾驶汽车等产业发展中发挥着关键作用。高性能、高可靠性的多功能复杂自动、测控系统以及基于射频识别技术的物联网的兴起与发展,愈发凸显了具有感知、认知能力的智能传感器的重要性及其大力、快速发展的迫切性。随着与CMOS兼容的MEMS技术的发展,微型智能传感器的发展得到了有力的技术支撑,智能传感器产业面临着一个非常重要的历史发展契机。

    2 智能传感器的结构

    初的智能传感器设计主要集中在输出端数字处理上,旨在获得高精度的温度补偿和校正。后来的设计包括增强数字特性(如远距离通讯和可寻址能力)等,但研制工作还未涉及到制造过程所用的测试系统接口,这种接口可实现传感器的批量生产,从而大大降低传感器成本。

   智能传感器主要设计结构有两种:一种是数字传感器信号处理(DSSP),另一种是数字控制的模拟信号处理(DCASP)。如

的设计都采用DSSP结构,通常包括两个传感器:被测量传感器(例如压力)和温度(补偿)传感器。在硅器件中,温度信号可直接从被测量传感器提取出来,传感器信号经多路调制器送到A/D变换器,然后再送到微控器进行信号的补偿和校正。

    校正时可用传感器输出的算法趋近或多表面逼近法进行信号处理,每个给定传感器的校正系数都被单独储存在*性寄存器中。如果需要模拟输出,可另外加一个D/A变换器。

DSSP结构的分辨率受输入A/D变换器的分辨率和补偿/校正处理分辨率的限制。响应时间受A/D变换时间和补偿时间限制。而基本的DCASP结构在传感器和模拟输出之间直接提供了一个模拟通道,因此,被测量分辨率和响应时间不受影响。温度补偿和校正都在并联回路实现,并联回路能改变信号放大器的失调和增益。要获得数字输出信号,可加一个A/D变换器。

 

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