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智能传感器的发展与展望

2013-12-02 sensor 811

智能传感器这一概念是由国外引进的,通常定义为“带有微处理器,具有信息处理功能的传感器”。根据《敏感组件和传感器名词术语》国家标准,这里“传感器”的定义是:能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感组件和转换组件组成。这里的“处理功能”主要包括:

1、自检测、自校零、自标定、自补偿、自寻故障、自修正、自保护功能。如自动采集数据、自检验、自处理、自动存贮和记忆等。

2、判断、决策、思维功能,能根据输入信息进行判断和制定决策、通过软件控制做出多种决定。

3、双向通信、标准化数字输出或符号输出功能。特别要指出的是,智能传感器的概念是动态的、发展的、变化的。

80年代,将信号处理电路(滤波、放大、调零)与传感器设计在一起,输出4~20mA电流或0~5V电压,这样的传感器为当时意义的智能传感器。我们称之为“第一代智能传感器”。

80年代末到90年代中后期,将单片微处理器嵌入传感器中,实现温补、修正、校准,同时由A/D变换器将模拟信号转换为数字信号。这种类型的传感器不但有硬件,还可通过软件对信号进行简单处理,输出为数字信号。我们称之为“第二代智能传感器”。

“现场总线”概念提出后,对传感器的设计提出了新要求,要求实现全数字、开放式的双向通信,测量和控制信息的交换在底层上主要是通过现场总线来完成,数据交换主要是通过 Intranet 等网络来实现,传感器设计上软件占主要地位,通过软件将传感器内部各个敏感单元或与外部的智能传感器单元联系在一起。我们称之为“第三代智能传感器”。

进入21世纪后,由于MEMS技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线射频(RF)技术、传感器技术的发展,使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能。这种微传感器一般装备有:一个用于感知外界环境物理量的敏感组件(如压力、温度、湿度、光、声、磁等),一个用于处理敏感组件采集信息的计算模块,一个用于通信的无线电收发模块,一个为微传感器的各种操作提供能量的电源模块。我们称之为“第四代智能传感器”或“智能网络化传感器”。

智能传感器与物联网体系结构

物联网在改造和提升传统产业,引领和促进新兴产业发展,推动信息化在国民经济和社会生活及国防等方面的应用,优化国家重要基础设施的效能,促进节能减排和改进公共服务等方面作用巨大,意义深远。

智能传感器是物联网中必不可少的重要组成部分,智能传感器的特性如精度、稳定性、可靠性、抗干扰能力、环境适应性、功耗、成本、价格等性能,直接影响物联网性能的优劣和大规模的推广、应用。

智能传感器设计与开发要求

为了满足物联网大规模、低成本、无人值守、环境复杂、电池供电等外界环境条件,智能传感器的设计需满足以下条件:

1、小型化:物联网的特点要求传感器节点小型化,可采用MEMS技术、IC技术,但必须考虑它们之间的兼容性和可行性。小型化与器件封装有极大关系,智能传感器小型化封装成为关键技术之一。

2、低成本:低成本是物联网大规模应用的前提,因此必须保证低成本。低成本与产业规划、市场需求、工艺水平、劳动力资本等有关。不仅有技术问题,还与国家政策、导向有关。从技术层面看,在产品设计时必须贯彻低成本设计原则。

3、低功耗:因物联网是靠电池长期供电,为节约能源,智能传感器必须采用低功耗供电。

4、抗干扰:能抗电磁幅射、雷电、强电场、高湿、障碍物等恶劣环境。

5、灵活性:传感器节点在物联网中应用时,节点通过提供一系列的软、硬件标准,能实现面向应用的灵活编程要求。

智能传感器设计方法

系统构成:智能网络化传感器系统有四部分组成,即数据采集子系统、数据处理子系统、无线通信子系统、电源子系统。数据采集子系统中,敏感组件面对的是外界环境的模拟信号,与环境中检测的物理量有关,为了满足控制实时性要求,信号采样必须保证实时性,要求输出的信号为数字信号。数据处理子系统由微控制器、存贮器、嵌入式操作系统、测试和下载接口构成,微控制器是一个低功耗的系统级芯片,可以把采集子系统的信息经A/D转化成相应的数据直接处理。存贮器用于存贮数据、测量值及其它用户定义的数据。嵌入式实时操作系统,用于提供实时的调度与管理。接口为调试和下载程序提供标准接口。无线通信子系统由天线连接器和无线射频电路组成。电源子系统由电源供电单元和动态电源管理单元构成;动态电源管理单元支持运行相应的低功耗运算法则,最大限度延长电池的使用寿命。

信号处理方法:在网络化使用环境中,即插即用是对网络中的每个设备最基本的要求。但由敏感组件检测的物理量其输入输出关系不确定,有些是线性的,通常是非线性的,必须保证系统准确识别被测对象,确定被测对象信号位置,确定被测对象经由敏感组件后输入输出的关系,确定输入输出的物理量。类似于传统传感器设计时涉及的性能标定问题,信号处理必须满足上述要求。

接口设计:智能网络化传感器在物联网中应用时,通常涉及流程工业连续测控领域,可用于不同的网络场合,遵循不同的协议标准,要保证所设计的传感器完全满足这些协议较困难,就必须考虑接口问题,接口设计是智能网络化传感器与普通传感器的区别之一。

软件工具开发:传统传感器的研发主要由硬件构成,研究对象局限于传感机理、材料、结构、工艺等物理方面,而智能传感器的智能性则是在硬件基础上通过软件实现其价值,软件在智能传感器中占有重要成份,而智能化的程度与软件开发水平成正比。软件开发工具包括设计、通信、管理等,一般C、Labview,ActiveX、Delphi,Python 等工具软件均可完成,用于实现传感器模型建立、标定参数建立、最佳标定模型选择等。

智能传感器的关键技术

智能传感器在硬件制造方面的关键技术主要有,智能传感器模块中各芯片的设计技术,设计必须满足小型化、低成本、低功耗、抗干扰、灵活性要求,利用 Ansys 和 MSC.Patran、MSC.Marc、MSC.Fatigue 软件进行芯片设计和仿真。需建立数学模型、线路设计、可靠性设计等工作。

智能传感器的制备工艺技术,需突破MEMS工艺与集成电路IC工艺的相容性技术,智能传感器的小型化封装技术,智能传感器规模化生产技术等。

智能传感器的可靠性技术,目前国产传感器最大问题是产品可靠性不高,直接影响传感器应用,可靠性性设计、可靠性试验、可靠性筛选、可靠性管理这些技术问题必须贯穿产品制备始终。

智能传感器接口技术,特别是与外部网络的接口,智能传感器的标准制订。

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