智能傳感器的發展

陳嵐嵐

1智能傳感器的相關理論知識

隨著數字化和虛擬儀器的快速發展,對傳感器的綜合能力要求越來越高,而傳統的傳感器根本不能適應現代化的需求,加之微處理智能技術和微機械加工技術的引入,于是智能傳感器誕生了。雖然智能傳感器是當前高新技術,但是目前為止還沒有一個規范化的定義形成。隨著人們對智能傳感器技術的不斷研究,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)具有自動補償功能;(2)校零、標定、校正都可以實現自動化;(3)采集數據也能夠實現自動采集,并且可以預處理數據;(4)數據存儲、記憶與信息處理功能;(5)檢驗、自選里程、自尋故障都能夠實現自動化;(6)具有判斷、決策處理功能。實現智能傳感器的主要途徑主要有以下幾種:(1)非集成化實現是將傳統的經典傳感器、信號調理電路、帶數字接口的微處理器組合為一整體,而構成的一個智能傳感器系統;(2)集成化實現的傳感器系統是采用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術,利用硅作為基本材料制作敏感元件、信號調理電路、微處理單元,并把其集成到一塊芯片上構成。故又稱為集成智能傳感器;(3)混合實現是根據需要,將系統各個集成化環節,如:敏感單元、信號調理電路、微處理單元、數字總線接口,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的方式。

2智能傳感器的發展狀況

智能傳感器的發展狀況主要從物理轉化機理、數據融合理論、傳感器的微型化、CMOS工藝兼容這幾個方面進行分析。(1)物理轉化機理。由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數進行校正,得到一個線性度非常好的輸出結果,從而消除了非線性傳遞對傳感器應用的制約。該機理具有穩定性好、精確度高、靈敏度高的特點。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,使得諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器領域的一個研究熱點。(2)數據融合理論。數據融合是集成智能傳感器理論的重要領域,也是各國研究的熱點,對于多個傳感器組成的陣列,數據融合技術能夠充分發揮各個傳感器的特點,利用其互補性、冗余性,提高測量信息的精度和可靠性,延長系統的使用壽命。(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理、新結構、新作用和新功能的高科技微型系統,并在智能程度上與先進科技融合。(4)CMOS工藝兼容。目前,國外在研究二次集成技術的同時,集成智能傳感器在工藝上的研究熱點集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結構及制造工藝流程,探求在制造工藝和微機械加工技術上有所突破。

3智能傳感器的發展方向

無論是現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注的一門科學。雖然目前智能傳感器已經取得了一定的成效,但是智能化的實現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行:(1)智能傳感器的重要發展方向仍然是微型結構。“微型”技術包括了多種科學的多種微型機構,它是一個廣泛的應用領域。(2)傳感器將會利用生物技術及納米技術。分子和原子生物傳感器到目前還是一門高新學科。目前,一些發達國家已經利用納米技術研制出分子級的電器。(3)智能材料繼續的研制開發,使智能器件原理進一步完善。在這項工作中,將信息注入材料的主要方式和有效途徑進行研發,對在人工智能材料內部的功能效應和信息流轉換機制進行研究。(4)人工腦系統的開發。對高級智能機器人和完善人工腦系統進一步進行發展。

傳統的傳感器在工業生產中的應用是無法快速直接測量某些產品質量指標的,并且也無法進行在線控制。但是智能傳感器的應用就不一樣了,其應用不僅可以對與產品質量指標有函數關系的生產過程中的某些量進行直接測量,而且利用神經網絡來建立數學模型,通過數學模型來進行準確的計算,這樣可以使產品質量得以確保。智能傳感器進一步完善的主要方向就是虛擬化、網絡化和信息融合技術。智能傳感器是軀感網的前端,它能收集到很多有特征的數據。用于軀感網的傳感器一般可分為兩種,一種是可以移植到人體之內的;一種是佩戴在體表的,譬如對脈搏、血壓、心跳運動的監測。從外觀上看,傳感器的形態也非常簡單,有的傳感器類似于手表戴在手腕上,有的則像耳機一樣戴在耳朵上,有的放在鞋里,還有的像創可貼一樣貼在身體的某個部位上。如在醫學領域中,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,根據具體情況來對自己的飲食和注射胰島素進行調整,以防病情加重,或者其他病出現。針對這個情況美國公司生產了一種“葡萄糖手表”,這種外觀類似手表的測糖儀能夠實現無疼、無血、連續的血糖測試。

參考文獻

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