智能化传感器发展的必然趋势.pdf

智能化是传感器发展的必然趋势智能化是传感器发展的必然趋势 现代信息技术的三大基础是信息采集即传感器技术、信息传 输通信技术和信息处理计算机技术。传感器属于信息技术的前沿 尖端产品，近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段；1 传统的分立式传感器含敏感元件；2模拟集成传感器；3智能传感 器。目前，国际上新型传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能 化、网络化的方向发展。 1 传感器的分类传感器的分类 1.1 传统的分立式传感器 该类传感器是用非集成化工艺制造的， 仅具 有获取信号的功能。 1.2 模拟集成化传感器 集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成 的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。模拟集成传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它是将传感器集成在一个芯片上、可完成测量 及模拟信号输出功能的专用 IC。模拟集成传感器的主要特点是功能 单一仅测量某一物理量、测量误差小、价格低、响应速度快、传输 距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测量、控制，不需要进行非 线性校准，外围电路简单。 1.3 智能传感器（Intelligent Sensor） 智能传感器亦称数字传感器 是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自 动测试技术ATE的结晶。目前，国际上已开发出多种智能传感器系 列产品。智能传感器内部都包含传感器、A/D 转换器、信号处理器、 存储器或寄存器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制 器cpu、随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。智能传感器的 特点是能输出测量数据及相关的控制量，适配各种微控制器MCU； 并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的， 其智能化程度 也取决于软件的开发水平。 2 智能传感器的功能和特点智能传感器的功能和特点 2.1 智能传感器的功能 智能传感器一般都有下列全部或部分功能 a.具有自校零、自标定、自校正； b.具有自动补偿功能； c.能够自动采集数据，并对数据进行预处理； d.能够自行进行检验、自选量程、自寻故障； e.具有数字存储、记忆与信息处理功能； f.具有双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能； g.具有判断、决策处理能力。 2.2 智能传感器的特点 与传统的传感器相比，智能传感器的特点是 a.精度高 智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如；通过自动 校零去除零点误差； 与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标 定；自动进行整体非线形等系统误差的校正；通过对采集的大量数据 的统计处理以消除偶然误差的影响； 从而保证了智能传感器具有高精 度。 b.高可靠性与高稳定性 智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参 数发生变化后引起系统特性的漂移，比如温度变化而产生的零点和 灵敏度的漂移；在当被测参数变化后能自动改换量程；能实时自动进 行系统的自我检验，分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常 情况的应急处理（报警或故障提示） 。因此，有多项功能保证了智能 传感器的高可靠性与高稳定性。 c.高信噪比与高分辨率 由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息 处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入 数据中的噪声，将有用的信号提取出来；通过数据融合、神经网络技 术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状 态下对特定参数测量的分辨能力， 故智能传感器具有高的信噪比与分 辨率。 d.强的自适应性 由于智能传感器具有判断、分析和处理功能，它能 根据系统工作情况决策各部分的供电情况、 与上位计算机数据传输速 率，使系统工作在最优低功耗状态和优化的传输速率。 e.高的性能价格比 智能传感器所具有的上述高性能，不是象传统传 感器技术那样为追求传感器本身的完善， 对传感器的各个环节进行精 心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微 处理器/计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的 软件来实现的。所以具有高的性价比。 3. 智能化设计是传感器传统设计理念中的一次革命智能化设计是传感器传统设计理念中的一次革命. 智能化设计是世界传感器的发展趋势.传感器的智能化和任何其 他事物一样有它的必然性，传感器作为信息系统的最前端，它的特 性好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要，但是长期以来 与计算机技术的飞速发展相比传感器技术前进的步伐明显落后， 由于 采用传统的传感器技术设计和生产，使得传感器的性价比很低，据有 关资料介绍，从 1970 年到 1990 年计算机的性价比提高了 1000 倍， 而传感器的性价比只提高了 3 倍。然而，传统传感器技术已达到了技 术极限，它的性价比不可能再有大幅度的提高。另外它在以下几个方 面存在着严重的不足 △ 输入输出特性存在非线性，且随时间漂移； △ 参数易受环境条件变化的影响； △ 信噪比低，易受噪声干扰； △ 存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。 随着工农业生产和科技事业的发展不仅对传感器的性能要求越 来越高，而且对它的数量要求也越来越大，再用传统的方法设计和用 作坊式的手工操作为主的生产，质与量均满足不了需求。一方面传感 器大量的使用要求把传感器的成本降下来， 另一方面传感器在各个领 域的使用又要求把性能提上新台阶。 只有智能传感器才能满足上述两 方面的要求。 3.1 智能化传感器改变了生产方式 传统传感器的生产决定了作坊式 的手工操作为主的生产方式，由于智能化传感器具有数字存储、记忆 与信息处理功能、双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能，因此 可用与上位计算机通信的方法来组织批量生产， 比如对某种传感器进 行温度补偿， 只要通过上位计算机对每个与其相连接的在环境试验设 备中的智能传感器发出读写指令， 这些被处理的传感器就会在各个设 定的温度将适应各自的补偿值存入记忆体内， 在上位计算机的控制下， 整个一批传感器经历了一个“学习”过程，这一工序也告完成。 当然这样的生产方式，是在传感器设计时已经安排好的。这种生 产方式极大的提高生产率，也降低了生产成本，同时由于采用了智能 元件，传感器的补偿可以应体而异，由各个传感器自行解决，它对于 敏感元件的要求就不是很高了，从理论上讲，只要敏感元件具有重复 性，不管它其他指标怎样，采用智能传感器的设计方法，都能造出高 性能的传感器。这样又进一步降低了传感器的制造成本。 3.2 智能化传感器改变了使用方式 智能传感器具有自校零、自标定、 自校正；能够自行进行检验、自选量程、自寻故障。这些性能给使用 者带来了极大的方便，智能传感器在每次测量前都进行自校零、自选 量程、自寻故障。改变了使用原来使用传统传感器的习惯，数码相机 就是一个很好的例子，我们把照相机看成是一个图象传感器，要记录 一张清晰图象， 如果用传统的相机， 先要调好光圈、 速度和距离才行。 用傻瓜相机就不同了，你只要对着对象照就行了。 我国的传感器行业经过近十年的引进、消化、吸收，现已形成一 定规模的传感器生产能力。 据有关部门统计全国敏感元件与传感器产 品生产能力已超过４亿只，总产量约 1.5 亿只，总产值约 4 亿元，总 销售额 3 亿元左右。但是，与发达国家相比还有很大差距，主要表现 在产品的质量、生产规模、市场开发、销售等方面。我国敏感元件与 传感器的科研开发水平约落后发达国家 5～10 年；生产技术约落后 10～15 年。进入 21 世纪，世界传感器市场将迅速发展。由 1993 年 的 130 亿美元，发展到 2000 年后，市场规模将达 343 亿美元。 其中，以半导体传感器为主流的各类固态传感器增长幅度很大， 年增长率高达 20％以上；微传感器、微执行器约占总市场的 40％。 据估计到 2010 年，我国敏感元件与传感器的科研生产综合实力将得 到大幅度增强，传感器的总体研究水平将达到国际 21 世纪初水平， 与国外差距缩短为 35 年。 我们必须抓住机遇大幅度增强我国传感器研制和生产的综合实 力，建立智能传感器高新技术产业，跟踪国际上发展的前沿技术，加 强预研，突破关键技术，使产品质量、价格达到或接近国际同类产品 水平。