傳感器像人的五官一樣,是獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但與飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)相比較,作為“五官”的傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上作為“大腦”的計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度。
隨著測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好,而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力,并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。
另外,為制造高性能的傳感器,光靠改進(jìn)材料工藝也很困難,需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合,彌補(bǔ)其性能的不足,計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革,微處理器(或微計(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合,產(chǎn)生功能強(qiáng)大的智能傳感器。國(guó)外稱為Intelligentsensor(智能傳感器)或Smartsensor(靈巧的、機(jī)敏的、智能傳感器)。另外,傳統(tǒng)的傳感器一般只能測(cè)量一個(gè)參數(shù),有些場(chǎng)合需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)的體積小的多功能傳感器?,F(xiàn)在多國(guó)科學(xué)家已重視這一方向的開(kāi)拓,并已研制出一些多功能傳感器。
01 智能傳感器
智能傳感器是當(dāng)今國(guó)際科技界研究的熱點(diǎn),尚無(wú)統(tǒng)一的、確切的定義。本文不討論(Intelligentsensor或Smartsensor)兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的區(qū)別,統(tǒng)稱為智能傳感器。 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī))相結(jié)合而構(gòu)成的,它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力,對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié),使采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。智能傳感器的功能如下:
(1)自補(bǔ)償能力: 通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
(2)自校準(zhǔn)功能: 操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。
(3)自診斷功能: 接通電源后,可對(duì)傳感器進(jìn)行自檢,檢查傳感器各部分是否正常,并可診斷發(fā)生故障的部件。
(4)數(shù)值處理功能: 可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序,自動(dòng)處理數(shù)據(jù),如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,剔除異常值等。
(5)雙向通信功能: 微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán),微處理機(jī)不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù),還可將信息反饋至傳感器,對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。
(6)信息存儲(chǔ)和記憶功能。
(7)數(shù)字量輸出功能: 輸出數(shù)字信號(hào),可方便的和計(jì)算機(jī)或接口總線相連。
目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件,檢測(cè)物理量的變化,而智能傳感器則包括測(cè)量信號(hào)調(diào)理(如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能??梢?jiàn)智能傳感器的功能已延伸到儀器的領(lǐng)域。 早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心,把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微電子計(jì)算機(jī)存貯器及接口電路集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測(cè)量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高,使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式,使用方便、操作簡(jiǎn)單,并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測(cè)量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng),它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等),使傳感器具有良好的智能,具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,可以完成圖象識(shí)別、特征檢測(cè)、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù)。 智能傳感器大體上可以分三種類(lèi)型:即具有判斷能力的傳感器;具有學(xué)習(xí)能力的傳感器;具有創(chuàng)造能力的傳感器。
02 智能傳感器的結(jié)構(gòu)
智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計(jì)算機(jī))及相關(guān)電路組成。 傳感器將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),送到信號(hào)調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)是智能傳感器的核心,它不但可以對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理,還可以通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務(wù),從而大大降低傳感器制造的難度,提高傳感器的性能,降低成本。
智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的,也可以是分離式,按結(jié)構(gòu)可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上,集成度高,體積小。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下還很難實(shí)現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路作在不同的芯片上,則構(gòu)成混合式的智能傳感器(HybridSmart2Sensor)。 目前這類(lèi)結(jié)構(gòu)較多。初級(jí)的智能傳感器也可以有許多互相獨(dú)立的模塊組成,如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi),則組高,體積較大,但在目前的技術(shù)水平下,仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。
智能傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
01 在智慧農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用
由于環(huán)境的特殊性,農(nóng)業(yè)項(xiàng)目大多都在田間進(jìn)行,校正操作非常的不方便,人工成本也非常高,因此對(duì)傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的要求非常高,智能傳感器是及有效的一種傳感器。
02 在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中,要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù),使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài),并使產(chǎn)品達(dá)到及好的質(zhì)量。可以說(shuō),沒(méi)有了優(yōu)良的智能傳感器,工業(yè)自動(dòng)化也就無(wú)從談起。
03 在機(jī)器人中的應(yīng)用
如今的機(jī)器人已具有類(lèi)似人一樣的肢體及感官功能,有一定程度的智能,動(dòng)作程序靈活,在工作時(shí)可以不依賴人的操縱,而這一切都少不了傳感器的功勞,傳感器是機(jī)器人感知外界的重要幫手。
04 智慧醫(yī)療中的應(yīng)用
隨著智能傳感器的發(fā)展,醫(yī)學(xué)智能傳感器作為拾取生命體征信息的五官,它的作用日益顯著,并得到廣泛應(yīng)用。如:在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù)監(jiān)測(cè)、呼吸、神經(jīng)、心血管疾病的診斷與治療等方面,智能傳感器的作用不可替代,未來(lái)它在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備中幾乎無(wú)所不在。
05 在智能家電中的應(yīng)用
智能家居是未來(lái)的一大趨勢(shì),而智能家電將是很多家庭的必備產(chǎn)品,智能傳感器未來(lái)在很多家電中均可應(yīng)用,如電視劇、風(fēng)扇、空調(diào)、洗衣機(jī)、晾衣機(jī)、冰箱、衣柜等,它是實(shí)現(xiàn)人與家電交流的基本器件,也是構(gòu)成家居物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。
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