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智能传感器开展的历史背景
发布时间:2022-01-16 17:16:16 来源:英雄联盟下注地点

  9.1 智能传感器开展的历史背景9.2 智能传感器的功用与特色第第9 9章章 智能式传感器智能式传感器9.3 智能传感器概念与传感器体系9.4 智能传感器完成的途径 9.1 9.1 智能传感器开展的历史背景智能传感器开展的历史背景主动化(操控)体系框图 传感器、 计算机及执行器的价格功用比 传统的传感器技能已到达其技能极限。它的价格功用比不或许再有大的下降。 它在以下几方面存在严重不足: · 因结构尺度大,而时刻(频率)呼应特性差; · 输入—输出特性存在非线性,且随时刻而漂移; · 参数易受环境条件改变的影响而漂移; · 信噪比低,易受噪声...

  9.1 智能传感器开展的历史背景9.2 智能传感器的功用与特色第第9 9章章 智能式传感器智能式传感器9.3 智能传感器概念与传感器体系9.4 智能传感器完成的途径 9.1 9.1 智能传感器开展的历史背景智能传感器开展的历史背景主动化(操控)体系框图 传感器、 计算机及执行器的价格功用比 传统的传感器技能已到达其技能极限。它的价格功用比不或许再有大的下降。 它在以下几方面存在严重不足: 因结构尺度大,而时刻(频率)呼应特性差; 输入输出特性存在非线性,且随时刻而漂移; 参数易受环境条件改变的影响而漂移; 信噪比低,易受噪声搅扰; 存在穿插灵敏度,选择性、 分辨率不高。 现场总线是衔接测控体系中各智能设备(包含智能传感器)的双向数字通讯网络。 其主要特色是: 1. 传输数字信号用数字信号替代本来的 4~20 mA规范模拟信号,然后进步可靠性和抗搅扰才能。 这就要求传感器由可输出 4~20 mA规范信号的变送器改变为带数字总线接口并输出数字信号。 一切现场传感器,经过数字总线接口都便利地挂接在一条环形现场总线上。 这样能够大大减少现场与操控室(高/上位计算机)之间1对1的衔接导线,节约初期设备费用, 大大简化整个体系的布线和规划。 这种节约对一个大型、多点丈量体系是很有含义的,比如: 这种节约对一个大型、多点丈量体系是很有含义的, 比如:一个电站需求5 000 台传感器及其外表; 一个钢铁厂需求2 万台传感器及其外表; 大型石油化工厂需求6 000 台传感器及其外表; 大型发电机组需求3 000 台传感器及其外表; 一部轿车需求30 至 100 台传感器; 一架飞机需求3 600 台传感器; 2. 规范化总线选用一致规范, 使体系具有开放性。 不同厂家的产品,在硬件、 软件、 通讯规程、 衔接方法等方面相互兼容、交换联用, 既便利用户运用, 又易于设备修理。 不少大公司都推出了自 己的现场总线规范。 国际化的一致规范的作业正在赶紧进行中。 3. 智能化选用智能与操控功用涣散下放到现场设备的准则, 现场总线网络的每一节点处设备的现场外表应是“智能” 型的, 即设备的传感器应是“智能传感器” 。 在这种操控体系中, 智能型现场设备是整个操控办理体系的主体。 这种依据现场总线的操控体系,要求有必要运用智能传感器,而不是一般传统的传感器。 智能传感器代表了 传感器的开展方向, 这种智能传感器带有规范数字总线接口, 能够自己办理自己。 它将所检测到的信号经过改换处理后, 以数字量方法经过现场总线与高/上位计算机进行信息通讯与传递。 9.2.1 智能传感器的功用归纳而言,智能传感器的主要功用是: (1) 具有自校零、 自标定、 自校对功用; (2) 具有主动补偿功用(2) 具有主动补偿功用;9.2 9.2 智能传感器的功用与特色智能传感器的功用与特色(3) 能够主动收集数据,并对数据进行预处理; (4) 能够主动进行查验、 自选量程、 自寻毛病; (5) 具有数据存储、 回忆与信息处理功用; (6) 具有双向通讯、 规范化数字输出或许符号输出功用; (7) 具有判别、 决议计划处理功用。 9.2.2 智能传感器的特色与传统传感器比较,智能传感器的特色是: 1. 精度高2. 高可靠性与高安稳性3. 高信噪比与高的分辨力4. 强的自适应性5. 低的价格功用比 智能传感器体系是一门现代归纳技能, 是当今世界正在迅速开展的高新技能, 至今还没有构成规范化的界说。 前期, 人速开展的高新技能今没有构成规范化的界说9.3 9.3 智能传感器概念与传感器体系智能传感器概念与传感器体系前期人们简略、机械地强调在工艺大将传感器与微处理器两者紧密结合,以为“传感器的灵敏元件及其信号调度电路与微处理器集成在一块芯片上便是智能传感器” 。 关于智能传感器的中、 英文称谓, 目 前也没有一致。 JohnBrignell和Nell White以为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓,而“Smart Sensor” 是美国人对智能传感器的俗称。而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的 不同 , 别离 称 为 “ Smart Sensor”、“Integrated SmartSensor”。对“Smart Sensor”的中文译名有译为“灵活传感器”对的中文译名有译为灵活传感器的,也有译为“智能传感器” 的。 智能传感器的界说智能传感器的界说 《《智能传感器体系智能传感器体系》 》 书上的界说:赋予智能的结合赋予智能的结合, , 兼有信息检测与信息处理功用的传感兼有信息检测与信息处理功用的传感器便是智能传感器器便是智能传感器( (体系体系) ) ” ” ; 含糊传感器也是一种智能传感器传感器( (体系体系) ), , 将传感器与微处理器集成在一块芯片大将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器是构成智能传感器( (体系体系) )的一种方法的一种方法。 。 (《体系体系》 》刘君华刘君华西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社) )体系体系》 》 , , 刘君华刘君华, , 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社) )《《现代新式传感器原理与运用现代新式传感器原理与运用》 》 书上的界说:式传感器便是一种带行微处理机的式传感器便是一种带行微处理机的, , 兼有信息检测息处理息处理、 、 信息回忆信息回忆、 、 逻辑思维与判别功用的传感器逻辑思维与判别功用的传感器。 。( ( 《《现代新式传感器原理与运用现代新式传感器原理与运用》 》等等, , 国防工业出版社国防工业出版社, , 20002000..5 5) )书上的界说:“ “传感器与微处理器传感器与微处理器; 含糊传感器也是一种智能(《智能传感器智能传感器 书上的界说: 所渭智能兼有信息检测、 、 信所渭智能信, , 刘迎春刘迎春, , 叶湘滨叶湘滨 9.4.1 非集成化完成9.4 9.4 智能传感器完成的途径智能传感器完成的途径非集成式智能传感器框图 含糊传感器的简略结构示意图 9.4.2 集成化完成集成智能传感器外形示意图 现代传感器技能, 是指以硅资料为根底(因为硅既有优秀的电功用, 又有极好的机械功用), 选用微米(1 m~1 mm)级的微机械加工技能和大规划集成电路工艺来完成各种外表传感器体系的微米级尺度化。 国 外也 称它 为 专用 集成微型传感技能(ASIM)。 由此制造的智能传感器的特色是: 1. 微型化微型压力传感器现已能够小到放在打针针头内送进血管丈量血液活动状况, 装在飞机或发动机叶片外表用以丈量气体的流速和压力。美国最近研讨成功的微型加速度计能够使火箭或飞船的制导体系质量从几公斤下降至几克。 2. 结构一体化压阻式压力(差)传感器是最早完成一体化结构的。 传统的做法是先别离由微观机械加工金属圆膜片与圆柱状环, 然后把二者张贴构成周边固支结构的“金属杯” , 再在圆膜片上张贴电阻改换器(应变片)而构成压力(差)传感器换器(应变片)而构成压力(差)传感器, 这就不可避免地存在蠕变、这就不可避免地存在蠕变迟滞、 非线性特性。 选用微机械加工和集成化工艺,不只“硅杯” 一次全体成型, 并且电阻改换器与硅杯是彻底一体化的。 然后可在硅杯非受力区制造调度电路、 微处理器单元, 甚至微执行器,然后完成不同程度的,甚至整个体系的一体化。 3. 精度高比起分体结构, 传感器结构自身 一体化后, 迟滞、 重复性目标将大大改进,时刻漂移大大减小, 精度进步。 后续的信号调度电路与灵敏元件一体化后能够大大减小由引线长度带来的调度电路与灵敏元件体化后能够大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响, 这对电容式传感器更有特别重要的含义。 4. 多功用微米级灵敏元件结构的完成特别有利于在同一硅片上制造不同功用的多个传感器, 如, 美国霍尼韦尔公司,80 时代初期出产的ST-3000型智能压力(差)和温度变送器, 便是在一块硅片上制造了感触压力、压差及温度三个参量的, 具有三种功用(可测压力、压差、 温度)的灵敏元件结构的传感器。 不只增加了 传感器的功用,并且能够经过选用数据交融技能消除穿插灵敏度的影响,进步传感器的安稳性与精度(具体评论见6.2.2节)。 5. 阵列式微米技能现已能够在一平方厘米巨细的硅芯片上制造含有几千个压力传感器阵列, 比如, 丰田中心研讨所半导体研讨室用微机械加工技能制造的集成化应变计式面阵触觉传感器, 在8mm×8 mm的硅片上制造了1 024个(32×32)灵敏触点(桥),基片四周还制造了信号处理电路, 其元件总数约16 000个。 灵敏元件构成阵列后, 合作相应图画处理软件, 能够完成图构成像且构成多维图画传感器。 这时的智能传感器就到达了它的第一流方法。 6. 全数字化经过微机械加工技能能够制造各种方法的微结构。其固有谐振频率能够规划成某种物理参量(如温度或压力)的单值函数。因此能够经过检测其谐振频率来检测被测物理量。 这是一种谐振式传感器振式传感器,直接输出数字量 频率直接输出数字量(频率)。它的功用极为安稳它的功用极为安稳、 精精度高、 不需A/D转化器便能与微处理器便利地接口。 免除A/D转化器, 关于节约芯片面积、 简化集成化工艺, 均非常有利。 7. 运用极端便利,操作极端简略它没有外部衔接元件, 外接连线数量很少, 包含电源、 通讯线能够少至四条, 因此, 接线极端简洁。 它还能够主动进行全体自校,无需用户长时刻地重复多环节调度与校验。 “智能” 含量越高的智能传感器,它的操作运用越简洁,用户只需编制简略的运用主程序。 这就好像“傻瓜” 照相机的操作比不是“傻瓜”照相机的经典式照相机要简洁得多相同的道理。 依据以上特色能够看出: 经过集成化完成的智能传感器, 为到达高自适应性、 高精度、 高可靠性与高安稳性, 其开展主要有以下两种趋势: 其一是:多功用化与阵列化,加上强壮的软件信息处理功用;其二是:开展谐振式传感器,加软件信息处理功用。 例如,压阻式压差传感器是选用微机械加工技能最早实用化的集成传感器, 可是它受温度与静压影响, 总精度只能到达0.1%。致力于改进它的温度功用花费了 近20余年时刻却无重大进展,因此有的厂家改为研发谐振式压力传感器,而美国霍尼韦尔公司则开展多功用灵敏元件(如: ST-3000型智能变送器),经过软件进行多信息数据交融处理改进了 安稳性, 进步了 精度。 要在一块芯片上完成智能传感器体系存在着许多困难的、扎手的难题。 例如: 哪一种灵敏元件比较简略选用规范的集成电路工艺来制造? 选用何种信号调度电路,选用何种信号调度电路,如精细电阻、如精细电阻、电容、电容、晶振等,晶振等,不需求外接元件? 因为直接转化型A/D改换器电路太杂乱,制造了 灵敏元件后留下的芯片面积有限,需求寻求其它模数转化的型式。如:电压/频率改换器、 占空比调制式、 。 因为芯片面积有约束, 以及制造灵敏元件与数字电路的优化工艺的不兼容性, 微处理器体系及可编程只读存储器的规划、杂乱性与完善性遭到很大约束。 对功耗与自热对功耗与自热、 电磁耦合带来的相互影响,电磁耦合带来的相互影响在在一块芯片块芯片内怎么消除? 9.4.3 混合完成依据需求与或许, 将体系各个集成化环节, 如: 灵敏单元、信号调度电路、 微处理器单元、 数字总线接口, 以不同的组合方法集成在两块或三块芯片上, 并装在一个外壳里。 如图1-6中所示的几种方法。集成化灵敏单元包含(对结构型传感器)弹性灵敏元件及改换集成化灵敏单元包含(对结构型传感器)弹性灵敏元件及改换器。 信号调度电路包含多路开关、仪用放大器、基准、模/数转化器(ADC)等。 微处理器单元包含数字存储器(EPROM、 ROM、 RAM)、I/O接口、 微处理器、 数/模转化器(DAC)等)。 在一个封装中或许的混合集成完成方法 9.4.4 集成化智能传感器的几种方法1. 初级方法初级方法便是组成环节中没有微处理器单元, 只要灵敏单元与(智能)信号调度电路, 二者被封装在一个外壳里。 这是智能传感器体系最早呈现的商品化方法,也是最广泛运用的方法,也被称为“初级智能传感器” (Smart Sensor)。从功用来讲,它只具有比较简略的自 动校零、 非线性的自 动校对、 温度自 动补偿功用。 这些简略的智能化功用是由硬件电路来完成的。 故一般称该种硬件电路为智能调度电路。 2. 中级方法/自立方法中级方法是在组成环节中除灵敏单元与信号调度电路外,有必要含有微处理器单元, 即一个完好的传感器体系悉数封装在个外壳里的方法一个外壳里的方法。 它具有9.2.1节所列完善的智能化功用, 这它具有9 2 1节所列完善的智能化功用这些智能化功用主要是由强壮的软件来完成的。 3. 高档方法高档方法是集成度进一步进步, 灵敏单元完成多维阵列化时, 一起装备了 更强壮的信息处理软件, 然后具有更高档的智能化功用的方法。 这时的传感器体系不只具有9.2.1节所述的完善的智能化功用善的智能化功用, 并且还具有更高档的传感器阵列信息交融功有高档的传感阵列信息交融功用,或具有成像与图画处理等功用。 关于集成化智能传感器体系而言, 集成化程度越高, 其智能化程度也就越或许到达更高的水平。

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