智能傳感器技術(shù)

關(guān)于智能傳感器技術(shù)第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一20引言

傳感器是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：

1.傳感器技術(shù)（信息采集）——“感官”

2.通信技術(shù)（信息傳輸）——“神經(jīng)”

3.計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）——“大腦”第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一3《我國(guó)將制定24項(xiàng)傳感器國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)》中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)2015.05.20

隨著新一輪工業(yè)革命的興起，傳感器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景不可估量。工信部電子元器件行業(yè)發(fā)展研究中心總工程師郭源生指出，未來(lái)5年內(nèi)，全球傳感器年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)將超過(guò)10%。2015年全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1770億美元，受可穿戴、智能制造技術(shù)發(fā)展加快和全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇等因素影響，市場(chǎng)需求可能出現(xiàn)更大幅度增長(zhǎng)。與巨大的市場(chǎng)需求相比，現(xiàn)階段我國(guó)市場(chǎng)主要應(yīng)用的傳感器絕大部分仍然依賴進(jìn)口，主流市場(chǎng)產(chǎn)品依賴國(guó)外配套的情況尤為突出。與國(guó)外相比，我國(guó)企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、生產(chǎn)裝備、企業(yè)規(guī)模、市場(chǎng)占有率和綜合競(jìng)爭(zhēng)能力等方面仍不能與國(guó)外同類企業(yè)抗衡。同國(guó)際先進(jìn)水平相比，新品研制仍落后5~10年，而產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)工藝則落后10~15年。第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一41常規(guī)傳感器并非完美

1）能夠被準(zhǔn)確標(biāo)定是所有傳感器必備的優(yōu)良特性。

然而，傳感器一旦被實(shí)際使用，往往就很難甚至不能再對(duì)其進(jìn)行手工標(biāo)定。第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一52）沒(méi)有性能始終不變的傳感器！傳感器性能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為漂移。和標(biāo)定一樣，有些情況比其他情況對(duì)漂移的容限要求更嚴(yán)格，除非我們通過(guò)某種方式來(lái)補(bǔ)償漂移，否則傳感器的性能就會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，這些都是我們不希望發(fā)生的。3）工作環(huán)境的影響實(shí)際上，沒(méi)有脫離環(huán)境因素的設(shè)備。當(dāng)環(huán)境因素造成的影響比較小的時(shí)候，我們更傾向于簡(jiǎn)化系統(tǒng)從而不考慮這些，但傳統(tǒng)的傳感器似乎更樂(lè)于給使用者增加工作量。第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一64）信號(hào)調(diào)理電路這部分硬件的作用在于將所監(jiān)控的物理量轉(zhuǎn)化為其他系統(tǒng)可用的量。該電路往往是專用的或者是唯一的，這意味著通用性差。5）物理空間的限制一般來(lái)說(shuō)，傳感器距離監(jiān)控系統(tǒng)越遠(yuǎn)，檢查信號(hào)的質(zhì)量越差。常規(guī)傳感器通常需要在物理空間上靠近接收檢測(cè)信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)，長(zhǎng)長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線是讓人討厭的。第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一76）其他限制結(jié)構(gòu)尺寸大，故時(shí)間（頻率）響應(yīng)特性差輸入輸出特性存在非線性信噪比低，容易受干擾存在交叉靈敏度，選擇性、分辨率不高業(yè)界人員：我也早覺(jué)得有研發(fā)新型傳感器的必要了←_←7）性價(jià)比第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一82智能傳感器的定義及功能

2.1智能傳感器的定義

目前，關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。英國(guó)人將智能傳感器稱為“IntelligentSensor”；美國(guó)人則習(xí)慣于把智能傳感器稱作“SmartSensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”。

所謂智能傳感器，就是帶微處理器的，兼有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶與邏輯判斷功能的傳感器。

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智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起。從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用。

需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況：

1）將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“集成智能傳感器”或者“單片智能傳感器”

2）傳感器能夠協(xié)同微處理器進(jìn)行工作，即“傳感器的智能化”。二者均屬于智能傳感器，雖然技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有不同，但是對(duì)基本原理進(jìn)行理解時(shí)不用區(qū)別。

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世界上第一個(gè)智能傳感器是美國(guó)霍尼韋爾（Honeywell）公司在1983年開(kāi)發(fā)的ST3000系列智能壓力傳感器。它具有的多參數(shù)傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號(hào)調(diào)理功能。最近，該公司還相繼開(kāi)發(fā)出ST3000－900/2000等系列的新產(chǎn)品，使之功能進(jìn)一步完善。目前，ST3000系列智能壓力傳感器在全世界的銷量已突破50萬(wàn)只，深受廣大用戶的青睞。

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2.2智能傳感器的功能

1）具有自校準(zhǔn)和自診斷功能。智能傳感器不僅能自動(dòng)檢測(cè)各種被測(cè)參數(shù)，還能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)校準(zhǔn)，某些智能傳感器還能自標(biāo)定功能。

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2）具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判斷和信息處理功能，能對(duì)被測(cè)量進(jìn)行信號(hào)調(diào)理或信號(hào)處理（包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、線性化，或?qū)囟?、靜壓力等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)龋?/p>

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3）具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設(shè)置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過(guò)微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測(cè)量功能。

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4）具有雙向通信功能，能直接與微處理器（μP）或單片機(jī)（μC）通信。

第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一153智能傳感器與傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)1）

高精度智能傳感器采用自調(diào)零、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等多項(xiàng)新技術(shù)，能達(dá)到高精度指標(biāo)。第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一162）

寬量程智能傳感器的測(cè)量范圍很寬，并具有很強(qiáng)的過(guò)載能力。例如，美國(guó)ADI公司：ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀集成電路測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的偏航角速度的范圍是±300°/s。只需并聯(lián)一只設(shè)定電阻，即可將測(cè)量范圍擴(kuò)展到1200°/s。

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3）

多參數(shù)、多功能

4）

自校準(zhǔn)與自標(biāo)定

第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一184智能傳感器的應(yīng)用

多路智能溫度控制器智能微塵傳感器

生物芯片第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一19圖

Pentium4處理器芯片

4.1多路智能溫度控制器Pentium4處理器是Intel公司推出的高性能微處理器。最高主頻目前已達(dá)3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高達(dá)5500萬(wàn)～7700萬(wàn)只晶體管，在芯片中還有內(nèi)置數(shù)字溫度傳感器。第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一20隨著Pentium4處理器運(yùn)行速度的大幅度提高，其功耗也顯著增加，必須采取更完善的散熱保護(hù)措施。

2002年，美國(guó)ADI公司專門開(kāi)發(fā)出適配Pentium4處理器的ADT7460型智能化遠(yuǎn)程散熱風(fēng)扇控制器集成電路，并已用于奔騰4計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中。

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奔騰4計(jì)算機(jī)的散熱控制電路如圖4所示。該計(jì)算機(jī)中共使用了3臺(tái)散熱風(fēng)扇。其中，風(fēng)扇1專門給CPU散熱，風(fēng)扇2和風(fēng)扇3分別安裝在主機(jī)箱的前面和后面給機(jī)箱散熱。圖4計(jì)算機(jī)的散熱控制電路

第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一22微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為tH，臺(tái)式計(jì)算機(jī)一般為75℃，高檔筆記本電腦的專用CPU可達(dá)100℃。

圖5

檢測(cè)CPU的溫度第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一23配套軟件日臻完善溫度傳感器＋專用計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件。第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一24第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一254.2

智能微塵傳感器

智能微塵（SmartMicroDust）是一種具有電腦功能的超微型傳感器。從肉眼看來(lái)，它和一顆沙粒沒(méi)有多大區(qū)別。但內(nèi)部卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。

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目前，直徑約為5mm的智能微塵已經(jīng)問(wèn)世，智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖24所示。未來(lái)的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個(gè)小時(shí)，搜集、處理并無(wú)線發(fā)射信息。a）肉眼所看到的智能微塵b）智能微塵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖24智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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智能微塵還可以“永久”使用，因?yàn)樗粌H自帶微型薄膜電池，還有一個(gè)微型的太陽(yáng)能電池為它充電。最近，美國(guó)英特爾公司制定了基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算機(jī)的發(fā)展規(guī)劃，也將致力于研究智能微塵傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作。第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一28

4.3

生物芯片西門子公司最近研制出一種能辨別氣體及其味道的微型芯片傳感器，可檢測(cè)空氣中臭氧含量，監(jiān)測(cè)火災(zāi)以及氣體泄漏。第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一29

生物傳感器系統(tǒng)亦稱生物芯片，它是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠(yuǎn)意義的科技革命。生物芯片不僅能模擬人的嗅覺(jué)（如電子鼻）、視覺(jué)（如電子眼）、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等，還能實(shí)現(xiàn)某些動(dòng)物的特異功能（例如海豚的聲納導(dǎo)航測(cè)距，蝙蝠的超聲波定位，犬類極靈敏的嗅覺(jué)，信鴿的方向識(shí)別，昆蟲(chóng)的復(fù)眼）。生物芯片的效率是傳統(tǒng)檢測(cè)手段的成百、上千倍。

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德國(guó)英飛凌（Infineon）公司最近開(kāi)發(fā)出具有活神經(jīng)細(xì)胞、能讀取細(xì)胞所發(fā)出電子信息的“神經(jīng)元芯片”，芯片上有16384個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器之間的距離僅為8μm。當(dāng)人體受到電擊時(shí)，利用它可獲取神經(jīng)組織的活動(dòng)數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成彩色圖片，見(jiàn)圖26（b）。

圖26第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一315.1智能傳感器的發(fā)展1）超小型化、微功耗智能傳感器正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展，以滿足航空、航天及國(guó)防尖端技術(shù)領(lǐng)域的急需，并且為開(kāi)發(fā)便攜式、袖珍式檢測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。5智能傳感器的發(fā)展與局限第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一322）

總線技術(shù)智能傳感器的總線技術(shù)現(xiàn)正逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。目前所采用的總線主要有以下六種：

★１－Wire總線★I2C總線★SMBus★SPI總線★MicroWire總線★USB總線第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一335.2智能傳感器的局限

現(xiàn)在，我們不難得出智能傳感器優(yōu)于常規(guī)傳感器的結(jié)論。但是，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，認(rèn)為智能傳感器會(huì)全面取代常規(guī)傳感器的想法只是一種空想。原因在于部分情況下并不適合使用智能式的傳感器，如以下情況：第三十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期一34

無(wú)法在合理的時(shí)間內(nèi)從用戶身上賺回產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造成本某些中斷用戶無(wú)法或者不愿意提供智能設(shè)備運(yùn)行或與之通信所需的基礎(chǔ)條件某些用用環(huán)境的約束不允許增加實(shí)現(xiàn)智能和互聯(lián)所需的硬件以上都是非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，前兩條完全和技術(shù)無(wú)關(guān)，但是只要不是土豪都是需要考慮的。前兩條或許只是推遲智能化的進(jìn)展速度，而第三種情況雖然少，卻可能限制我們給傳感器加一點(diǎn)智能。具體一點(diǎn)，環(huán)境可能是設(shè)備尺寸、溫度、環(huán)