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        智能傳感器的應用及其發(fā)展

        2016-10-21 19:09:29黃瑩
        科技創(chuàng)新與應用 2016年7期
        關鍵詞:應用發(fā)展

        黃瑩

        摘 要:智能傳感器是一種帶有信息處理功能的傳感器,以其獨特的優(yōu)點受到了廣泛的關注、研發(fā)及應用,智能傳感器的發(fā)展極大地推動了工業(yè)自動化的進程。文章主要介紹了智能傳感器的結(jié)構(gòu)、功能,然后闡述了智能傳感器的應用以及發(fā)展趨勢。

        關鍵詞:智能傳感器;應用;發(fā)展

        引言

        智能傳感器最初是由美國宇航局在宇宙飛船的開發(fā)過程中提出來的,目前普遍定義智能傳感器為一種對信息具有檢測、數(shù)據(jù)處理、自診斷及具有自適應功能的傳感器;IEEE協(xié)會從網(wǎng)絡方向定義智能傳感器為能檢測被測量大小并可應用于網(wǎng)絡環(huán)境的一種集成傳感器。隨著智能傳感器的出現(xiàn),智能傳感器技術(shù)已成為傳感器技術(shù)發(fā)展方向之一,其涉及信號處理、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等多種學科,是一門綜合性技術(shù)。

        1 智能傳感器的結(jié)構(gòu)與功能

        智能傳感器是一種帶有微處理器,可實現(xiàn)測量、處理、存儲信息以及邏輯思維判斷功能的傳感器。智能傳感器由硬件和軟件組成,硬件主要包括基本傳感器和信息處理單元?;緜鞲衅鞯男阅軟Q定了智能傳感器的性能,其是智能傳感器的基礎;信息處理單元包括微處理器、信號調(diào)理電路等,微處理器是智能傳感器的核心,信息處理單元是智能傳感器區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器的主要原因。傳感器經(jīng)敏感元件感知被測量,并將其轉(zhuǎn)換為電信號,信號調(diào)理電路對電信號進行放大、濾波、D/A轉(zhuǎn)換等處理后送入微處理器。微處理器對數(shù)據(jù)進行計算、存儲等處理,并經(jīng)反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)補償。軟件不僅可處理傳感器傳送的數(shù)據(jù),增強傳感器功能,也可管理和調(diào)節(jié)信息檢測過程。此外,還可通過軟件實現(xiàn)硬件不能完成的任務,提高傳感器自身性能。

        智能傳感器的主要功能有:(1)具有自校零、自校正、自補償和自標定的功能;(2)可自動采集、處理數(shù)據(jù);(3)可自檢驗、自選量程及故障;(4)可存儲數(shù)據(jù)及信息處理;(5)可雙向通訊,并使數(shù)字輸出或符號輸出標準化;(6)具有判斷、決策處理功能;(7)可通過神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制理論和遺傳算法等模仿人類思維。

        2 智能傳感器的應用

        根據(jù)功能不同,智能傳感器可分為感知物體的位移、速度、加速度等運動量;壓力、溫濕度等過程量;波長、光強等光特性量;濃度、流量等液體特性量。目前,智能傳感器已被廣泛應用于航空航天、汽車、氣體分析、通信等領域。

        2.1 在航空航天領域應用

        飛機、衛(wèi)星和火箭都用高精度的導航儀來控制其飛行姿態(tài),傳感器很大程度決定了導航儀的功能及精度,而傳感器在實際使用過程中因環(huán)境惡劣影響精度,因此需要對傳感器進行實時監(jiān)測。例如NASA利用智能傳感器網(wǎng)絡技術(shù)檢查火箭、燃料箱、乘員艙等健康狀況,工作原理是:傳感器產(chǎn)生電磁波后在結(jié)構(gòu)部件中進行傳播,然后被其它傳感器接收,最后傳輸數(shù)據(jù)到計算機后進行數(shù)據(jù)處理、分析,以此實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

        2.2 在汽車領域應用

        在汽車領域中,智能傳感器已被廣泛使用,有基本的溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器以及用來車距探測、車道跟蹤、衛(wèi)星定位的智能傳感器。比如,汽車的動力系統(tǒng)中有智能微加速度傳感器和智能硅壓力傳感器,智能微加速傳感器用來汽車自動制動和懸掛,智能硅壓力傳感器用來測量、控制壓力;契合的安全行駛系統(tǒng)中有輪胎壓力傳感器和安全氣囊傳感器,輪胎壓力傳感器用來測量電壓、溫度和壓力,安全氣囊傳感器用來監(jiān)測氣囊使用情況;智能交通系統(tǒng)中有用于電子收費的多種智能傳感器等。

        2.3 在氣體分析方面的應用

        智能傳感器已成功應用于氣體分析方面,來實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測。2010年,DARPA微系統(tǒng)技術(shù)研討會上提出了一種能監(jiān)測270多種分析物和干擾物的微氣體分析儀,通過此分析儀不僅可遠程監(jiān)測氣體的化學成分,而且可搭建邊境預警傳感器網(wǎng)絡。

        2.4 在通信方面的應用

        智能傳感器采用可支持以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場總線的IEEE1415系列標準作為通用的通信標準,IEEE1415系列標準為連接智能傳感器和網(wǎng)絡提供了便利。例如:將IEEE1415與射頻技術(shù)結(jié)合,使用射頻芯片、振動傳感器、溫度傳感器設計出基于單片機的無線智能傳感器。

        此外,智能傳感器的廣泛應用,推動工業(yè)自動化進程的同時,也為我們的生活提供了更好的服務。通過利用智能傳感器實時測量人體血壓等信息來評價健康狀況,通過運動手環(huán)實時監(jiān)測人體心跳、脈搏和里程來督促運動等。

        3 智能傳感器的發(fā)展趨勢

        智能傳感器是傳感器技術(shù)發(fā)展中的一次重要變革,是現(xiàn)代自動化發(fā)展的一部分,它正朝著微型化、網(wǎng)絡化、集成化、高精度及高可靠性方向發(fā)展。

        3.1 微型化

        如今,各種設備都朝著微型化發(fā)展,設備的微型化也就要求通過發(fā)展新材料及提高工藝水平使得智能傳感器微型化。例如,目前的加速度傳感器是由重力塊和彈簧組成的,其體積大、壽命短、穩(wěn)定性差,而通過采用激光燈細微加工的硅加速度智能傳感器的體積小、壽命長、穩(wěn)定性高。

        3.2 網(wǎng)絡化

        網(wǎng)絡化是智能傳感器發(fā)展方向之一,智能傳感器通過總線技術(shù)將多個傳感器構(gòu)建成系統(tǒng),并為系統(tǒng)配備具有網(wǎng)絡接口的微處理器,通過微處理器實現(xiàn)傳感器與系統(tǒng)及其他傳感器的信息交換。傳感器測得的數(shù)據(jù)就近登錄網(wǎng)絡,通過標準的網(wǎng)絡協(xié)議將傳感器和網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合,即通過TCP/IP協(xié)議和具有通信功能的節(jié)點進行通信,實時共享、發(fā)布數(shù)據(jù)。隨著智能傳感器聯(lián)網(wǎng)使用,傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、用戶間可異地交換信息,因此廠商可及時診斷傳感器故障、指導用戶進行維修并升級軟件。

        3.3 集成化

        智能傳感器集成化分為兩個方向,一種是利用集成電路技術(shù)及微機械加工技術(shù)等將多個功能相同的敏感元件集成在同一個芯片上擴大量程,或是利用集成技術(shù)將不同功能的敏感元件集成在同一個芯片上實現(xiàn)綜合檢測,同時測量不同的物理參數(shù)。另一種是利用微電子電路技術(shù)、接口技術(shù)等將傳感器、信號調(diào)理電路和信號補償電路等集成在同一個芯片上,來實現(xiàn)智能傳感器的自動校準、改善智能傳感器的性能。

        3.4 高精度及高可靠性

        隨著工業(yè)自動化程度的大幅提高,對于傳感器的要求也越來越嚴格,高精度、高靈敏性及高響應性的智能傳感器可保障自動化生產(chǎn)的可靠性,高可靠性的智能傳感器直接保障了設備的性能,因此高精度及高可靠性是未來智能傳感器的發(fā)展方向之一。

        4 結(jié)束語

        文章首先介紹了智能傳感器的結(jié)構(gòu)及功能,然后闡述了智能傳感器的應用現(xiàn)狀,并在此基礎上總結(jié)了智能傳感器的發(fā)展趨勢。智能傳感器的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)傳感器的設計理念,并為信息化時代提供了一種嶄新的獲取信息、處理信息的方式。全面推動智能傳感器的微型化、網(wǎng)絡化、集成化、高精度及高可靠性發(fā)展,相信一定會為人們的生活帶來全新的變化。

        參考文獻

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        [3]宋振龍,孫鳳偉,陳鋒,等.網(wǎng)絡化智能傳感器及其在航空航天領域中的應用[J].電子測試,2009(9):10-13.

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