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智能傳感器能將檢測(cè)到的各種物理量?jī)?chǔ)存起來(lái),并按照指令處理這些數(shù)據(jù),從而創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)。智能傳感器之間能進(jìn)行信息交流,并能自我決定應(yīng)該傳送的數(shù)據(jù),舍棄異常數(shù)據(jù),完成分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。

自動(dòng)化領(lǐng)域所取得的一項(xiàng)最大進(jìn)展就是智能傳感器的發(fā)展與廣泛使用。但究竟什么是"智能"傳感器?下面,來(lái)自6個(gè)傳感器廠家的專家對(duì)這一術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義。

據(jù)Honeywell工業(yè)測(cè)量與控制部產(chǎn)品經(jīng)理Tom Griffiths的定義:"一個(gè)良好的'智能傳感器'是由微處理器驅(qū)動(dòng)的傳感器與儀表套裝,并且具有通信與板載診斷等功能,為監(jiān)控系統(tǒng)和/或操作員提供相關(guān)信息,以提高工作效率及減少維護(hù)成本。"智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能,具有很高的線性度和低的溫度漂移,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

"智能傳感器的優(yōu)勢(shì),"GE Fanuc自動(dòng)化公司控制器產(chǎn)品經(jīng)理Bill Black說,"是能從過程中收集大量的信息以減少宕機(jī)時(shí)間及提高質(zhì)量。"mts傳感器公司Temposonics(磁致伸縮位移傳感器)產(chǎn)品經(jīng)理David Edeal對(duì)此補(bǔ)充說:"分布式智能的基本前提是,在適當(dāng)位置和時(shí)間擁有有關(guān)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件的狀態(tài)的全部知識(shí),以進(jìn)行'最優(yōu)的'過程控制決策。"

Cognex公司Checker機(jī)器視覺部產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理John Keating繼續(xù)補(bǔ)充說,"對(duì)于一種真正的'智能'(機(jī)器視覺)傳感器,它應(yīng)該不需要使用者懂得機(jī)器視覺。"

智能傳感器必須具備通信功能。"最起碼,除了滿足最基本應(yīng)用的反饋信號(hào),'智能'傳感器必須能傳輸其它信息。"Edeal表示。這可以是疊加在標(biāo)準(zhǔn)4-20 mA過程輸出、總線系統(tǒng)或無(wú)線安排上的HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議)信號(hào)。該領(lǐng)域正在增長(zhǎng)的因素是IEEE 1451——一系列旨在為不同廠家生產(chǎn)的傳感器提供即插即用能力的智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。

很多智能傳感器都能重裝到控制現(xiàn)場(chǎng),通過提供"可設(shè)置參數(shù),使用戶能替換一些'標(biāo)準(zhǔn)'傳感器,"Hornis說道,"例如,典型的傳感器一般都設(shè)置為常開(NO)或常關(guān)(NC),而智能傳感器則能設(shè)置為以上任何一種狀態(tài)。"

智能傳感器擁有很多優(yōu)勢(shì)。隨著嵌入式計(jì)算功能的成本繼續(xù)減少,"智能"器件將被更多地應(yīng)用。獨(dú)立的內(nèi)部診斷功能可避免代價(jià)高昂的宕機(jī),從而迅速收回投資

關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂,尚未有統(tǒng)一的說法。John Brignell和Nell White認(rèn)為"Intelligent Sensor"是英國(guó)人對(duì)智能傳感器的稱謂, 而"Smart Sensor" 是美國(guó)人對(duì)智能傳感器的俗稱。 而Johan H.Huijsing在"Integrated Smart Sensor"一文中按集成化程度的不同,分別稱為"Smart Sensor"、 "Integrated Smart Sensor"。 對(duì)"Smart Sensor"的中文譯名有譯為"靈巧傳感器"的, 也有譯為"智能傳感器"的。

《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(cè)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:所渭智能式傳感器就是一種帶行微處理機(jī)的,兼有信息檢測(cè)、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(guó)防工業(yè)出版社,2000.5)

1、具有自校零、 自標(biāo)定、 自校正功能;

2、具有自動(dòng)補(bǔ)償功能;

3、能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù), 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;

4、能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、 自選量程、 自尋故障;

5、具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能;

6、具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號(hào)輸出功能;

7、具有判斷、決策處理功能。

可實(shí)現(xiàn)的功能

智能傳感器的功能是通過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)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來(lái)的。是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能單元,它的出現(xiàn)對(duì)原來(lái)硬件性能苛刻要求有所減輕,而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。

1、信息存儲(chǔ)和傳輸——隨著全智能集散控制系統(tǒng)(SmartDistributedSystem)的飛速發(fā)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。

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)償開辟了新的道路。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)通過軟件計(jì)算,采用多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)償,從而能獲得較精確的測(cè)量結(jié)果壓力傳感器。

3、自檢、自校、自診斷功能——普通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)足夠的準(zhǔn)確度,這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸送到實(shí)驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門進(jìn)行。對(duì)于在線測(cè)量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時(shí)診斷。采用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。其次根據(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、復(fù)合敏感功能——我們觀察周圍的自然現(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。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(加速度傳感器)、速度(速度傳感器)、位移(位移傳感器),等等。

5、智能傳感器的集成化————由于大規(guī)模集成電路的發(fā)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自校單元定期自動(dòng)校準(zhǔn),又可以采用適當(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)通過程控放大器進(jìn)行規(guī)一化,又通過模數(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。

1、提高了傳感器的精度

智能式傳感器具有信息處理功能,通過軟件不僅可修正各種確定性系統(tǒng)誤差(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、服度誤差、零點(diǎn)誤差、正反行程誤并等)而且還可適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲,大大提高了傳感器精度。

2、提高了傳感器的可靠性

集成傳感器系統(tǒng)小型化,消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些不可靠因素,改善整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾件能;同時(shí)它還有診斷、�；春蛿�(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能(對(duì)于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能),具有良好的穩(wěn)定性。

3、提高了傳感器的性能價(jià)格比

在相同精度的需求下,多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比,性能價(jià)格比明顯提高,尤其是在采用較便宜的單片機(jī)后更為明顯。

4、促成了傳感器多功能化

智能式傳感器可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測(cè)量,通過編程擴(kuò)大測(cè)量與使用范圍;有一定的自適應(yīng)能力,根據(jù)檢測(cè)對(duì)象或條件的改變,相應(yīng)地改變量程反輸出數(shù)據(jù)的形式;具有數(shù)字通信接口功能,直接送入遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理;具有多種數(shù)據(jù)輸出形式(如Rs232串行輸批,PIO并行輸出,IEE-488總線輸出以及經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等),適配各種應(yīng)用系統(tǒng)。

應(yīng)用與方向

智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。例如,它在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景,智能傳感器使機(jī)器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現(xiàn)象,完成各種動(dòng)作。

在工業(yè)生產(chǎn)中,利用傳統(tǒng)的傳感器無(wú)法對(duì)某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進(jìn)行快速直接測(cè)量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測(cè)量與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)技術(shù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,可推斷出產(chǎn)品的質(zhì)量。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,糖尿病患者需要隨時(shí)掌握血糖水平,以便調(diào)整飲食和注射胰島素,防止其它并發(fā)癥。通常測(cè)血糖時(shí)必須刺破手指采血,再將血樣放到葡萄糖試紙上,最后把試紙放到電子血糖計(jì)上進(jìn)行測(cè)量。這是一種既麻煩又痛苦的方法。而"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實(shí)現(xiàn)無(wú)疼、無(wú)血、連續(xù)的血糖測(cè)試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子,當(dāng)墊子與皮膚接觸時(shí),葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生電流。傳感器測(cè)量該電流,經(jīng)處理器計(jì)算出與該電流對(duì)應(yīng)的血糖濃度,并以數(shù)字量顯示。

應(yīng)用產(chǎn)業(yè)

1、應(yīng)用于電池拓展閱讀

基于智能傳感器的彈藥庫(kù)溫/濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、一般所測(cè)得的物理量是非常小的,通常還帶有作為傳感器物理轉(zhuǎn)換元件固有的轉(zhuǎn)換噪聲。比如傳感器在1被放大倍率下的信號(hào)強(qiáng)度為0.1~1uV,此時(shí)的背景噪聲信號(hào)也有這么大的水平,甚至于將其湮滅。如何將有用信號(hào)盡量取出并且壓低噪聲是傳感器設(shè)計(jì)的首要解決的問題。

2、傳感器電路一定要簡(jiǎn)單精煉。設(shè)想具有3級(jí)放大電路的,帶有2級(jí)有源濾波器的放大回路,放大了信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大了,如果噪聲不是明顯偏離有用信號(hào)頻譜,則無(wú)論怎樣濾波兩者同時(shí)放大,結(jié)果信噪比沒有提高。因此傳感器電路一定要精煉簡(jiǎn)約。能省1只電阻或電容就一定要將它去掉。這一點(diǎn)是許多設(shè)計(jì)傳感器的工程師們?nèi)菀缀雎缘膯栴}。已知的情況是,傳感器電路隨著噪聲的問題困擾,電路越修改越復(fù)雜,成為怪圈。

3、功耗問題。傳感器通常在后續(xù)電路的前端,有可能需要較長(zhǎng)的引線連接。當(dāng)傳感器功耗較大時(shí)引線的連接將會(huì)所有的無(wú)謂噪聲以及電源噪聲引入使得后續(xù)電路愈發(fā)難以設(shè)計(jì)。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個(gè)不小的考驗(yàn)。

4、元器件的選用和電源回路。元器件的選用一定要夠用為好,只要器件指標(biāo)在需要的范圍之內(nèi)就可以了,余下的就是電路設(shè)計(jì)問題。電源是傳感器電路設(shè)計(jì)過程一定要遇到的難題,不要追求無(wú)法達(dá)到的電源指標(biāo),而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運(yùn)放,采用差分放大電路設(shè)計(jì)可能最普通的開關(guān)電源以及器件就能滿足你的要求。電源的退偶一定要可靠設(shè)計(jì),并且遵循器件手冊(cè)的要求,寧多勿少。

在工業(yè)領(lǐng)域,傳統(tǒng)企業(yè)面臨人力成本提高、市場(chǎng)需求下降等問題,傳統(tǒng)企業(yè)開始從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向自動(dòng)化、智能化。在整個(gè)轉(zhuǎn)型中,智能傳感器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2015年我國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1100億元,預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到2115億元,年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到14%。但是由于國(guó)內(nèi)傳感器企業(yè)技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝、規(guī)模和盈利能力等方面的差距導(dǎo)致國(guó)內(nèi)傳感器市場(chǎng)高度依賴進(jìn)口。特別是高端傳感器方面,由于種類多、跨學(xué)科研發(fā)技術(shù)水平高、開發(fā)成本大,企業(yè)不愿承擔(dān)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn),造成我國(guó)高端傳感器基本依靠進(jìn)口。2015年,我國(guó)中高端傳感器進(jìn)口比例達(dá)到80%。

智能傳感技術(shù)是智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù),作為前端感知工具,具有非常重要的意義。