陳嵐嵐

1智能傳感器的相關(guān)理論知識

隨著數(shù)字化和虛擬儀器的快速發(fā)展,對傳感器的綜合能力要求越來越高,而傳統(tǒng)的傳感器根本不能適應(yīng)現(xiàn)代化的需求,加之微處理智能技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的引入,于是智能傳感器誕生了。雖然智能傳感器是當(dāng)前高新技術(shù),但是目前為止還沒有一個規(guī)范化的定義形成。隨著人們對智能傳感器技術(shù)的不斷研究,各個專家對其都有不同的定義。本文主要傾向于以下這個定義:智能傳感器就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器的主要特征主要包括:(1)具有自動補(bǔ)償功能;(2)校零、標(biāo)定、校正都可以實現(xiàn)自動化;(3)采集數(shù)據(jù)也能夠?qū)崿F(xiàn)自動采集,并且可以預(yù)處理數(shù)據(jù);(4)數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能;(5)檢驗、自選里程、自尋故障都能夠?qū)崿F(xiàn)自動化;(6)具有判斷、決策處理功能。實現(xiàn)智能傳感器的主要途徑主要有以下幾種:(1)非集成化實現(xiàn)是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字接口的微處理器組合為一整體,而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng);(2)集成化實現(xiàn)的傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù),利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號調(diào)理電路、微處理單元,并把其集成到一塊芯片上構(gòu)成。故又稱為集成智能傳感器;(3)混合實現(xiàn)是根據(jù)需要,將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié),如:敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理單元、數(shù)字總線接口,以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上,并裝在一個外殼里。這里采用非集成化實現(xiàn)的方式。

2智能傳感器的發(fā)展?fàn)顩r

智能傳感器的發(fā)展?fàn)顩r主要從物理轉(zhuǎn)化機(jī)理、數(shù)據(jù)融合理論、傳感器的微型化、CMOS工藝兼容這幾個方面進(jìn)行分析。(1)物理轉(zhuǎn)化機(jī)理。由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正,得到一個線性度非常好的輸出結(jié)果,從而消除了非線性傳遞對傳感器應(yīng)用的制約。該機(jī)理具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的特點(diǎn)。利用同一硅片上集成的智能檢測電路,可以迅速提取頻率信號,使得諧振式微機(jī)械傳感器成為國際上傳感器領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。(2)數(shù)據(jù)融合理論。數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域,也是各國研究的熱點(diǎn),對于多個傳感器組成的陣列,數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特點(diǎn),利用其互補(bǔ)性、冗余性,提高測量信息的精度和可靠性,延長系統(tǒng)的使用壽命。(3)傳感器的微型化。集成智能傳感器的微型化決不僅是尺寸上的縮微與減少,而且是一種具有新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng),并在智能程度上與先進(jìn)科技融合。(4)CMOS工藝兼容。目前,國外在研究二次集成技術(shù)的同時,集成智能傳感器在工藝上的研究熱點(diǎn)集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程,探求在制造工藝和微機(jī)械加工技術(shù)上有所突破。

3智能傳感器的發(fā)展方向

無論是現(xiàn)今還是未來的若干年,智能傳感器和人工智能材料都是人們關(guān)注的一門科學(xué)。雖然目前智能傳感器已經(jīng)取得了一定的成效,但是智能化的實現(xiàn)還處于研究的初級階段。人們對智能傳感器的研究還需從以下幾個方面進(jìn)行:(1)智能傳感器的重要發(fā)展方向仍然是微型結(jié)構(gòu)。“微型”技術(shù)包括了多種科學(xué)的多種微型機(jī)構(gòu),它是一個廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。(2)傳感器將會利用生物技術(shù)及納米技術(shù)。分子和原子生物傳感器到目前還是一門高新學(xué)科。目前,一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)利用納米技術(shù)研制出分子級的電器。(3)智能材料繼續(xù)的研制開發(fā),使智能器件原理進(jìn)一步完善。在這項工作中,將信息注入材料的主要方式和有效途徑進(jìn)行研發(fā),對在人工智能材料內(nèi)部的功能效應(yīng)和信息流轉(zhuǎn)換機(jī)制進(jìn)行研究。(4)人工腦系統(tǒng)的開發(fā)。對高級智能機(jī)器人和完善人工腦系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行發(fā)展。

傳統(tǒng)的傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用是無法快速直接測量某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的,并且也無法進(jìn)行在線控制。但是智能傳感器的應(yīng)用就不一樣了,其應(yīng)用不僅可以對與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量進(jìn)行直接測量,而且利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行準(zhǔn)確的計算,這樣可以使產(chǎn)品質(zhì)量得以確保。智能傳感器進(jìn)一步完善的主要方向就是虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化和信息融合技術(shù)。智能傳感器是軀感網(wǎng)的前端,它能收集到很多有特征的數(shù)據(jù)。用于軀感網(wǎng)的傳感器一般可分為兩種,一種是可以移植到人體之內(nèi)的;一種是佩戴在體表的,譬如對脈搏、血壓、心跳運(yùn)動的監(jiān)測。從外觀上看,傳感器的形態(tài)也非常簡單,有的傳感器類似于手表戴在手腕上,有的則像耳機(jī)一樣戴在耳朵上,有的放在鞋里,還有的像創(chuàng)可貼一樣貼在身體的某個部位上。如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,血糖水平對于糖尿病患者而言是非常重要的,糖尿病患者需要隨時掌握自己的血糖水平,根據(jù)具體情況來對自己的飲食和注射胰島素進(jìn)行調(diào)整,以防病情加重,或者其他病出現(xiàn)。針對這個情況美國公司生產(chǎn)了一種“葡萄糖手表”,這種外觀類似手表的測糖儀能夠?qū)崿F(xiàn)無疼、無血、連續(xù)的血糖測試。

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