传感器技术的新发展：智能传感器和多功能传感器

传感器像人的五官一样,是获取信息的重要工具。它在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大的作用。但与飞速发展的计算机相比较,作为“五官”的传感器远远赶不上作为“大脑”的计算机的发展速度。

随着测控系统自动化、智能化的发展,要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好,而且具备一定的数据处理能力,并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。国外有的文章称传统的传感器为Dumb sensor(愚蠢的、笨哑的传感器)  。另外,为制造高性能的传感器,光靠改进材料工艺也很困难,需要利用计算机技术与传感器技术相结合,弥补其性能的不足,计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革,微处理器(或微计算机) 和传感器相结合,产生功能强大的智能传感器。国外称为Intelligent sensor (智能传感器) 或Smart2sensor (灵巧的、机敏的、智能传感器) 。另外,传统的传感器一般只能测量一个参数,有些场合需要同时测量多个参数的体积小的多功能传感器。现在多国科学家已重视这一方向的开拓,并已研制出一些多功能传感器。

1、智能传感器

智能传感器是当今国际科技界研究的热点,尚无统一的、确切的定义。

目前国内外学者普遍认为,智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机) 相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。智能传感器的功能如下:

(1)自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。

(2) 自校准功能:操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。

(3) 自诊断功能:接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的部件。

(4) 数值处理功能:可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。

(5) 双向通信功能:微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。

(6) 信息存储和记忆功能。

(7) 数字量输出功能:输出数字信号,可方便的和计算机或接口总线相连。

目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、A/ D 转换等) 、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。

随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等) ,使传感器具有更高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

2、智能传感器的结构

智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机) 及相关电路组成,其结构框图如图1 所

图1 智能传感器原理框图

传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心,它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能,可以完成硬件难以完成的任务,从而大大降低传感器制造的难度,提高传感器的性能,降低成本。

智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可以分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上,则构成混合式的智能传感器(Hybrid Smart2Sensor) 。目前这类结构较多。初级的智能传感器也可以有许多互相独立的模块组成,如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内,则组高,体积较大,但在目前的技术水平下,仍不失为一种实用的结构形式。

2、多功能传感器

多功能传感器能转换两种以上的不同物理量。例如,使用特殊的陶瓷把温度和湿度敏感元件集成在一起,作成温湿度传感器;把检测钠离子和钾离子的敏感元件集成在一个基片上,制成测量血液中离子成分的传感器;将检测几种不同气体敏感元件用厚膜制造工艺作在同一基片上,制成检测H2S、C8H18 、NH3 、C20H20O 四种气体的多功能传感器;在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件,制成同时测量压力和温度的多功能传感器,该传感器还可以实现温度补偿。此外,日本学者还研制出其它多功能传感器,如测量温湿度和风速,测量物体表面光洁度和温度的传感器。有些多功能传感器是混合式的,分别制作几个传感器并组装起来。多功能传感器和微处理机、信号处理电路结合起来,则组成多功能智能传感器。

4、智能传感器和多功能传感器的应用

智能传感器最早应用在航天领域。宇宙飞船中需要测量大量参数,有反映运行轨道的速度、加速度、姿态、方位等参数,有反映宇航员生存环境的温度、湿度、气压、空气成分等参数,因此需要大量的传感器。这些大量的原始数据若直接送到计算机中,无疑会增加主计算机的负担,影响处理速度。为了提高效率和可靠性,采用分布处理的方法,即将这些数据先经过各自的处理系统进行预处理,然后再传送至主机进行集中处理。这就是在美国宇航局开发宇宙飞船时所开发的智能传感器。由于智能传感器和多功能传感器的功能强,集成度高,体积小,因此可以大大减少传感器的数量和连接电缆线的重量,这恰是导弹、卫星、宇宙飞船等飞行器所需要的,所以它们在航空航天领域中起着非常重要的作用。