智能傳感器技術

關于智能傳感器技術第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日0引言

傳感器是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。

現(xiàn)代信息技術的三大支柱：

1.傳感器技術（信息采集）——“感官”

2.通信技術（信息傳輸）——“神經(jīng)”

3.計算機技術（信息處理）——“大腦”第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2《我國將制定24項傳感器國家新標準》中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

隨著新一輪工業(yè)革命的興起，傳感器產(chǎn)業(yè)市場前景不可估量。工信部電子元器件行業(yè)發(fā)展研究中心總工程師郭源生指出，未來5年內(nèi)，全球傳感器年復合增長率預計將超過10%。2015年全球市場規(guī)模將達到1770億美元，受可穿戴、智能制造技術發(fā)展加快和全球經(jīng)濟復蘇等因素影響，市場需求可能出現(xiàn)更大幅度增長。與巨大的市場需求相比，現(xiàn)階段我國市場主要應用的傳感器絕大部分仍然依賴進口，主流市場產(chǎn)品依賴國外配套的情況尤為突出。與國外相比，我國企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、生產(chǎn)裝備、企業(yè)規(guī)模、市場占有率和綜合競爭能力等方面仍不能與國外同類企業(yè)抗衡。同國際先進水平相比，新品研制仍落后5~10年，而產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)技術工藝則落后10~15年。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日31常規(guī)傳感器并非完美

1）能夠被準確標定是所有傳感器必備的優(yōu)良特性。

然而，傳感器一旦被實際使用，往往就很難甚至不能再對其進行手工標定。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日42）沒有性能始終不變的傳感器！傳感器性能會隨時間發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為漂移。和標定一樣，有些情況比其他情況對漂移的容限要求更嚴格，除非我們通過某種方式來補償漂移，否則傳感器的性能就會隨時間而發(fā)生變化，這些都是我們不希望發(fā)生的。3）工作環(huán)境的影響實際上，沒有脫離環(huán)境因素的設備。當環(huán)境因素造成的影響比較小的時候，我們更傾向于簡化系統(tǒng)從而不考慮這些，但傳統(tǒng)的傳感器似乎更樂于給使用者增加工作量。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日54）信號調(diào)理電路這部分硬件的作用在于將所監(jiān)控的物理量轉(zhuǎn)化為其他系統(tǒng)可用的量。該電路往往是專用的或者是唯一的，這意味著通用性差。5）物理空間的限制一般來說，傳感器距離監(jiān)控系統(tǒng)越遠，檢查信號的質(zhì)量越差。常規(guī)傳感器通常需要在物理空間上靠近接收檢測信號的監(jiān)控系統(tǒng)，長長的信號傳輸線是讓人討厭的。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日66）其他限制結(jié)構(gòu)尺寸大，故時間（頻率）響應特性差輸入輸出特性存在非線性信噪比低，容易受干擾存在交叉靈敏度，選擇性、分辨率不高業(yè)界人員：我也早覺得有研發(fā)新型傳感器的必要了←_←7）性價比第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日72智能傳感器的定義及功能

2.1智能傳感器的定義

目前，關于智能傳感器的中、英文稱謂尚未完全統(tǒng)一。英國人將智能傳感器稱為“IntelligentSensor”；美國人則習慣于把智能傳感器稱作“SmartSensor”，直譯就是“靈巧的、聰明的傳感器”。

所謂智能傳感器，就是帶微處理器的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶與邏輯判斷功能的傳感器。

第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日8

智能傳感器的最大特點就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機地融合在一起。從一定意義上講，它具有類似于人工智能的作用。

需要指出，這里講的“帶微處理器”包含兩種情況：

1）將傳感器與微處理器集成在一個芯片上構(gòu)成所謂的“集成智能傳感器”或者“單片智能傳感器”

2）傳感器能夠協(xié)同微處理器進行工作，即“傳感器的智能化”。二者均屬于智能傳感器，雖然技術實現(xiàn)上有不同，但是對基本原理進行理解時不用區(qū)別。

第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日9

世界上第一個智能傳感器是美國霍尼韋爾（Honeywell）公司在1983年開發(fā)的ST3000系列智能壓力傳感器。它具有的多參數(shù)傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號調(diào)理功能。最近，該公司還相繼開發(fā)出ST3000－900/2000等系列的新產(chǎn)品，使之功能進一步完善。目前，ST3000系列智能壓力傳感器在全世界的銷量已突破50萬只，深受廣大用戶的青睞。

第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日10

2.2智能傳感器的功能

1）具有自校準和自診斷功能。智能傳感器不僅能自動檢測各種被測參數(shù)，還能進行自動調(diào)零、自動調(diào)平衡、自動校準，某些智能傳感器還能自標定功能。

第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日11

2）具有數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷和信息處理功能，能對被測量進行信號調(diào)理或信號處理（包括對信號進行預處理、線性化，或?qū)囟取㈧o壓力等參數(shù)進行自動補償?shù)龋?/p>

第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日12

3）具有組態(tài)功能，使用靈活。在智能傳感器系統(tǒng)中可設置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過微處理器發(fā)出指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態(tài)，完成不同的測量功能。

第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日13

4）具有雙向通信功能，能直接與微處理器（μP）或單片機（μC）通信。

第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日143智能傳感器與傳感系統(tǒng)的特點1）

高精度智能傳感器采用自調(diào)零、自補償、自校準等多項新技術，能達到高精度指標。第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日152）

寬量程智能傳感器的測量范圍很寬，并具有很強的過載能力。例如，美國ADI公司：ADXRS300型單片偏航角速度陀螺儀集成電路測量轉(zhuǎn)動物體的偏航角速度的范圍是±300°/s。只需并聯(lián)一只設定電阻，即可將測量范圍擴展到1200°/s。

第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日16

3）

多參數(shù)、多功能

4）

自校準與自標定

第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日174智能傳感器的應用

多路智能溫度控制器智能微塵傳感器

生物芯片第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日18圖

Pentium4處理器芯片

4.1多路智能溫度控制器Pentium4處理器是Intel公司推出的高性能微處理器。最高主頻目前已達3.6GHz，它采用了0.13μm制程，集成度高達5500萬～7700萬只晶體管，在芯片中還有內(nèi)置數(shù)字溫度傳感器。第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日19隨著Pentium4處理器運行速度的大幅度提高，其功耗也顯著增加，必須采取更完善的散熱保護措施。

2002年，美國ADI公司專門開發(fā)出適配Pentium4處理器的ADT7460型智能化遠程散熱風扇控制器集成電路，并已用于奔騰4計算機產(chǎn)品中。

第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日20

奔騰4計算機的散熱控制電路如圖4所示。該計算機中共使用了3臺散熱風扇。其中，風扇1專門給CPU散熱，風扇2和風扇3分別安裝在主機箱的前面和后面給機箱散熱。圖4計算機的散熱控制電路

第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日21微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為tH，臺式計算機一般為75℃，高檔筆記本電腦的專用CPU可達100℃。

圖5

檢測CPU的溫度第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日22配套軟件日臻完善溫度傳感器＋專用計算機測試軟件。第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日23第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日244.2

智能微塵傳感器

智能微塵（SmartMicroDust）是一種具有電腦功能的超微型傳感器。從肉眼看來，它和一顆沙粒沒有多大區(qū)別。但內(nèi)部卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。

第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日25

目前，直徑約為5mm的智能微塵已經(jīng)問世，智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖24所示。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，搜集、處理并無線發(fā)射信息。a）肉眼所看到的智能微塵b）智能微塵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖24智能微塵的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日26

智能微塵還可以“永久”使用，因為它不僅自帶微型薄膜電池，還有一個微型的太陽能電池為它充電。最近，美國英特爾公司制定了基于微型傳感器網(wǎng)絡的新型計算機的發(fā)展規(guī)劃，也將致力于研究智能微塵傳感器網(wǎng)絡的工作。第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日27

4.3

生物芯片西門子公司最近研制出一種能辨別氣體及其味道的微型芯片傳感器，可檢測空氣中臭氧含量，監(jiān)測火災以及氣體泄漏。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日28

生物傳感器系統(tǒng)亦稱生物芯片，它是繼大規(guī)模集成電路之后的又一次具有深遠意義的科技革命。生物芯片不僅能模擬人的嗅覺（如電子鼻）、視覺（如電子眼）、聽覺、味覺、觸覺等，還能實現(xiàn)某些動物的特異功能（例如海豚的聲納導航測距，蝙蝠的超聲波定位，犬類極靈敏的嗅覺，信鴿的方向識別，昆蟲的復眼）。生物芯片的效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百、上千倍。

第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日29

德國英飛凌（Infineon）公司最近開發(fā)出具有活神經(jīng)細胞、能讀取細胞所發(fā)出電子信息的“神經(jīng)元芯片”，芯片上有16384個傳感器，每個傳感器之間的距離僅為8μm。當人體受到電擊時，利用它可獲取神經(jīng)組織的活動數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成彩色圖片，見圖26（b）。

圖26第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日305.1智能傳感器的發(fā)展1）超小型化、微功耗智能傳感器正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展，以滿足航空、航天及國防尖端技術領域的急需，并且為開發(fā)便攜式、袖珍式檢測系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。5智能傳感器的發(fā)展與局限第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日312）

總線技術智能傳感器的總線技術現(xiàn)正逐步實現(xiàn)標準化、規(guī)范化。目前所采用的總線主要有以下六種：

★１－Wire總線★I2C總線★SMBus★SPI總線★MicroWire總線★USB總線第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日325.2智能傳感器的局限

現(xiàn)在，我們不難得出智能傳感器優(yōu)于常規(guī)傳感器的結(jié)論。但是，在可預見的未來，認為智能傳感器會全面取代常規(guī)傳感器的想法只是一種空想。原因在于部分情況下并不適合使用智能式的傳感器，如以下情況：第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日33

無法在合理的時間內(nèi)從用戶身上賺回產(chǎn)品開發(fā)和制造成本某些中斷用戶無法或者不愿意提供智能設備運行或與之通信所需的基礎條件某些用用環(huán)境的約束不允許增加實現(xiàn)智能和互聯(lián)所需的硬件以上都是非?，F(xiàn)實的問題，前兩條完全和技術無關，但是只要不是土豪都是需要考慮的。前兩條或許只是推遲智能化的進展速度，而第三種情況雖然少，卻可能限制我們給傳感器加一點智能。具體一點，環(huán)境可能是設備尺寸、溫度、環(huán)境