智能传感器的功能及实现途径
一、智能传感器的主要功能智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能的苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助来使传感器的性能大幅度提高。智能传感器通常可以实现以下功能：1、复合敏感功能我们观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力和化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移等。2、自适应功能智能传感器可在条件变化的情况下,在一定范围内使自己的特性自动适应这种变化。通过采用自适应技术,由于它能补偿老化部件引起的参数漂移,所以自适应技术可延长器件或装置的寿命。同时也扩大其工作领域,因为它能自动适应不同的环境条件。自适应技术提高了传感器的重复性和准确度。因为其校正和补偿数值已不再是一个平均值,而是测量点的真实修正值。3、自检、自校、自诊断功能普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行,对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器时，情况则大有改观。首先是，自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次，根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在E2PROM内的计量特性数据进行对比校对。4、信息存储功能信息往往是成功的关键.智能传感器可以存储大量的信息，用户可随时查询。这些信息可包括装置的历史信息。例如，传感器已工作多少小时，更换多少次电源等等。也包括传感器的全部数据和图表，还包括组态选择说明等。此外还包括串行数、生产日期、目录表和最终出厂测试结果等。内容可以无限，只受智能传感器本身存储容量的限制。智能传感器除了增加过程数据处理、自诊断、组态和信息存储四个方面的功能外，还提供了数字通讯能力和自适应能力。5、数据处理功能过程数据处理是一项非常重要的任务，智能传感器本身提供了该功能。智能传感器不但能放大信号，而且能使信号数字化，再用软件实现信号调节。通常，基本的传感器不能给出线性信号，而过程控制却把线性度作为重要的追求目标。智能传感器通过查表方式可使非线性信号线性化。当然对每个传感器要单独编制这种数据表。智能传感器过程数据处理的另一个例子是通过数字滤波器对数字信号滤波，从而可减少噪声或其它相关效应的干扰。而且用软件研制复杂的滤波器要比用分立电子电路容易得多。环境因素补偿也是数据处理的一项重要任务。微控制器能帮助提高信号检测的精确度。例如，通过测量基本检测元件的温度可获得正确的温度补偿系数，从而可实现对信号的温度补偿。用软件也能实现非线性补偿和其它更复杂的补偿。这是因为查询表几乎能产生任意形状的曲线。有时必须测量和处理几个不同的物理量，这样将给出各自的数据。智能传感器的徽控制器使用户很容易实现多个信号的加、减、乘、除运算。在过程数据处理方面，智能传感器可以大显身手。此外，它把这些操作从中心控制室下放到接近信号产生点也是大有好处的。其一是因为把附加信号发送到控制室花费很大，而用智能传感器就省去了附加传感器和引线的成本。其二是由于附加信息是在信息的应用点检测到的，这样就大大降低了长距离传输引入的负效应(如噪声、电位差等)，从而使信号更准确。其三是可以简化主控制器中的软件，提高控制环的速度。6、组态功能智能传感器的另一个主要特性是组态功能。信号应该放大多少倍?温度传感器是以摄氏度还是华氏度输出温度?对于智能传感器用户可随意选择需要的组态。例如，检测范围，可编程通/断延时，选组计数器，常开/常闭，8/12位分辨率选择等。这只不过是当今智能传感器无数组态中的几种。灵活的组态功能大大减少了用户需要研制和更换必备的不同传感器类型和数目。利用智能传感器的组态功能可使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同场合从事不同的工作。7、数字通讯功能由于智能传感器能产生大量信息和数据，所以用普通传感器的单一连线无法对装置的数据提供必要的输入输出。但也不能对应每个信息各用一根引线.因为这样会使系统非常庞杂。因此它需要一种灵活的串行通讯系统。在过程工业中，通常看到的是点与点串接以及串联网络.如今的大趋势是朝串联网络方向发展。因为智能传感器本身带有微控制器，所以它自属于数字式的，因此自然能配置与外部连接的数字串行通讯。因为串行网络抗环境影响(如电磁干扰)的能力比普通模拟信号强得多。把串行通讯配接到装置上，可以有效地管理信息的传输，使数据只在需要时才输出。二、智能传感器的实现途径能传感器的实现是沿着传感器技术发展的三条途径进行：a、利用计算机合成，即智能合成；b、利用特殊功能材料，即智能材料；c、利用功能化几何结构，即智能结构。智能合成表现为传感器装置与微处理器的结合，这是目前的主要途径。按传感器与计算机的合成方式，目前的传感技术沿用以下三种具体方式实现智能传感器。1、非集成化的模块方式非集成化智能传感器是将传统的基本传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的智能传感器系统。这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。自动化仪表生产厂家原有的一套生产工艺设备基本不变，附加一块带数字总线接口的微处理器插板组装而成，并配备能进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而实现智能传感器功能。这是一种最经济、最快速建立智能传感器的途径。2、集成化实现这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。集成化实现使智能传感器达到了微型化、结构一体化，从而提高了精度和稳定性。敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器，这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。3、混合实现要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题。根据需要与可能，可将系统各个集成化环节(如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口)以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。
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