智能傳感器:數(shù)字時代的驕子

智能傳感器隨數(shù)字化時代誕生

從微處理器帶來的數(shù)字化革命到虛擬儀器(VXI)的飛速發(fā)展，對傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高，傳統(tǒng)傳感器已不能適應(yīng)多種測試要求，隨著微處理智能技術(shù)和微機械加工技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用，智能傳感器(SmartSensor)誕生了。

目前，國際傳感器領(lǐng)域已對“SmartSensor”定義形成了基本共識，但中文譯法尚未形成定論，本文所用的"智能傳感器"一詞屬個人引用。智能傳感器從其功能來說是具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號探測、變換處理、邏輯判斷、功能計算、雙向通訊，內(nèi)部可實現(xiàn)自檢、自校、自補償、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，傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性是至關(guān)重要的。長期以來研究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提高芯片的質(zhì)量以及通過外電路補償方法來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。

七十年代，微處理器舉世矚目的成就帶來了數(shù)字化的革命，對儀器儀表的發(fā)展起了巨大的推動作用。如九十年代的虛擬儀器(VXI)飛速發(fā)展，使以微型計算機為基礎(chǔ)的測控系統(tǒng)都需要傳感器來提供賴以作出實時決策的數(shù)據(jù)。隨著系統(tǒng)自動化程度的提高和復(fù)雜性的增加，對傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高。傳統(tǒng)的傳感器因其功能單一、性能不適應(yīng)、不能滿足多種測試要求，為此人們利用微處理器智能技術(shù)用于傳感器。八十年代末期，人們又將微機械加工技術(shù)應(yīng)用到傳感器，從而產(chǎn)生新概念傳感器“Smart Sensor”--智能傳感器。

可實現(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)動作，結(jié)合長期以來測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元，它的出現(xiàn)對原來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.復(fù)合敏感功能----我們觀察周圍的自然現(xiàn)象，常見的信號有聲、光、電、熱、力、化學(xué)等。敏感元件測量一般通過兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復(fù)合功能，能夠同時測量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GICSensors公司研制的復(fù)合力學(xué)傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移，等等。

2.自補償和計算功能----多年來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償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。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，利用微處理器對測試的信號通過軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進(jìn)行補償，從而能獲得較精確的測量結(jié)果。

3.自檢、自校、自診斷功能----普通傳感器需要定期檢驗和標(biāo)定，以保證它在正常使用時足夠的準(zhǔn)確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸送到實驗室或檢驗部門進(jìn)行。

對于在線測量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時診斷。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進(jìn)行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。其次根據(jù)使用時間可以在線進(jìn)行校正，微處理器利用存在EPROM內(nèi)的計量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對比校對。

4.信息存儲和傳輸----隨著全智能集散控制系統(tǒng)(Smart Distributed System)的飛速發(fā)展，對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。智能傳感器通過測試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來實現(xiàn)各項功能。如增益的設(shè)置、補償參數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測試數(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方面的優(yōu)點：較高信噪比：傳感器的弱信號先經(jīng)集成電路信號放大后再遠(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，對于傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過自校單元定期自動校準(zhǔn)，又可以采用適當(dāng)?shù)姆答伔绞礁纳苽鞲衅鞯念l響。信號規(guī)一化：傳感器的模擬信號通過程控放大器進(jìn)行規(guī)一化，又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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。

微機械加工技術(shù)與軟件

智能傳感器的制造基礎(chǔ)是微機械加工技術(shù)，將硅進(jìn)行機械、化學(xué)、焊接加工，再采用不同的封裝技術(shù)來封裝，近幾年又發(fā)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時性很強的功能，尤其動態(tài)測量時常要求在幾微秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、計算、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、方便使用、工作可靠，大都在一定程度上依賴于軟件設(shè)計和其質(zhì)量，這些軟件主要有五大類。包括標(biāo)度換算、數(shù)字調(diào)零、非線性補償、溫度補償、數(shù)字濾波技術(shù)。國內(nèi)外的應(yīng)用狀況

十幾年前，美國Honeywell公司研制第一只智能傳感器。它是將硅敏感元件技術(shù)與微處理器的計算、控制能力結(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、振動沖擊加速度、流量、溫濕度的測量。如美國Honeywell公司的ST3000系列全智能變送器，德國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)定仍采用4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號。國際上有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究機構(gòu)正在積極推出國際規(guī)格的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)場總線)。在現(xiàn)在的過渡階段采用了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。

我國智能傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，始于八十年代中期，八十年代末中國國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等大專院校相繼報道了研究成果。

九十年代初，國內(nèi)幾家研究機構(gòu)采用混合集成技術(shù)成功的研制出實用的智能傳感器，標(biāo)志著我國智能傳感器的研究進(jìn)入了國際行列，但是與國外的先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距。主要在：1、先進(jìn)的計算、模擬和設(shè)計方法，2、先進(jìn)的微機械加工技術(shù)與設(shè)備，3、先進(jìn)的封裝技術(shù)于設(shè)備，4、可靠性技術(shù)研究等方面。所以加強技術(shù)的研究和引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，提高整體水平是我們今后努力的方向。

今后幾年中，智能傳感器將擴展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等領(lǐng)域，可以預(yù)見，越來越多的智能傳感器將會在我國國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域發(fā)揮作用。