第1章 傳感器基礎(chǔ)

第1章傳感器基礎(chǔ)1.1信息1.2傳感技術(shù)與傳感器1.3智能傳感器

1.1-信息

“信息”的概念出自古代的“消息”一詞,是語音、文字、圖像系統(tǒng)傳輸和處理的對(duì)象。一般來講,信息指在人類社會(huì)中傳輸?shù)乃袃?nèi)容。人們通過對(duì)存在的不同信息進(jìn)行劃分,將事物區(qū)別開來,從而達(dá)到了認(rèn)識(shí)世界以及改造世界的目的。信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的,比如文字、語音、圖片、視頻等。傳統(tǒng)的信息傳遞方式主要有兩種:通信和廣播,可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)、可選擇的點(diǎn)到點(diǎn)、一點(diǎn)到多點(diǎn)和點(diǎn)到面等不同范圍的傳播。

信息主要具有如下幾個(gè)特征:

(1)依附性。

信息的表示、傳播以及存儲(chǔ)要通過某種載體才能進(jìn)行,它并不能脫離載體。各種形式的媒介都會(huì)承載著一定數(shù)量的信息。

(2)感知性。

人類可以通過各種感覺器官接收和識(shí)別各種載體形式的信息。

(3)可傳遞性。

信息需要通過一定的媒介進(jìn)行傳遞,才能發(fā)揮最大的作用。傳遞的形式多種多樣。

(4)可加工性。

要想從繁雜零散的信息中獲得需要的內(nèi)容,使原本無效的信息具有一定的條理性和系統(tǒng)性,就必須對(duì)其進(jìn)行程序化的處理。信息的一般處理過程包括:收集、整理、歸納和總結(jié)。

(5)可共享性。

信息可以被不同地點(diǎn)的個(gè)體或群體同時(shí)接收或利用,其有效性并不會(huì)因?yàn)榻邮照邤?shù)量的變化或傳播次數(shù)的增加而發(fā)生內(nèi)容或時(shí)效性上的損耗。

(6)時(shí)效性。

信息的有效性會(huì)受到客觀條件變化的影響。

(7)價(jià)值相對(duì)性。

同一條信息對(duì)不同的人有不同的使用價(jià)值,其價(jià)值大小取決于接收者的需求度以及對(duì)信息的分析與利用能力。

(8)偽裝性。

常言道“眼見為實(shí)”,但隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的不斷發(fā)展,人們也不得不開始質(zhì)疑這句話,即“眼見”的信息不一定都是真實(shí)的。

信息技術(shù)在商業(yè)、科研、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、管理、醫(yī)療健康、文化娛樂等領(lǐng)域或行業(yè)都發(fā)揮著巨大的作用。隨著5G通信技術(shù)的普及、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的不斷發(fā)展和成熟,大量數(shù)據(jù)、資源獲得了開源和共享,人們可以隨時(shí)隨地獲得需要的信息,極大地提高了學(xué)習(xí)、生活、工作效率。特別是隨著近幾年各種形式的線上交流和互動(dòng)日益盛行和豐富,人們更加深切地體會(huì)到信息技術(shù)對(duì)我們的工作、生活乃至世界發(fā)展所產(chǎn)生的促進(jìn)作用。

1.2傳感技術(shù)與傳感器

1.2.1-傳感技術(shù)傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)并稱信息技術(shù)的三大支柱,代表著一個(gè)國家的信息化程度。伴隨著5G技術(shù)的推廣和應(yīng)用,全世界向著萬物互聯(lián)的時(shí)代不斷發(fā)展,傳感技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,始終在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)承擔(dān)著舉足輕重的作用。

傳感技術(shù)是一種對(duì)周圍想要獲取的信息進(jìn)行感知的技術(shù)(如感知溫度、濕度等信息),該技術(shù)通過傳感器將收集到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),再經(jīng)處理得到針對(duì)該物理信號(hào)的數(shù)字表達(dá)結(jié)果。傳感技術(shù)的起步較晚,相比計(jì)算機(jī)技術(shù),其發(fā)展要慢一些,其技術(shù)體系仍需完善。

1.2.2傳感器

1.傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

傳感器是一種總稱,是指對(duì)那些被測對(duì)象的某一確定的信息具有感受(或響應(yīng)與檢出)功能,并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。傳感器處于研

究對(duì)象與測控系統(tǒng)的接口位置,一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過程需要獲取的信息都要通過它轉(zhuǎn)換為容易傳輸和處理的電信號(hào)。如果把計(jì)算機(jī)比作處理和識(shí)別信息的“大腦”,把通信系統(tǒng)比作傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”,那么傳感器就是感知和獲取信息的“感覺器官”。

1)國外發(fā)展現(xiàn)狀

美、日、英、法、德等國家都把傳感器技術(shù)列為國家重點(diǎn)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國早在20世紀(jì)80年代就提出,世界已經(jīng)進(jìn)入了傳感器時(shí)代,并成立了國家技術(shù)小組(BTG)幫

助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)各大公司與國家企事業(yè)部門開展傳感器技術(shù)的開發(fā)工作。

第二。日本把開發(fā)和利用傳感器技術(shù)作為關(guān)系國家重點(diǎn)發(fā)展的六大核心技術(shù)之一,日本工商界人士甚至聲稱“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代”,日本科學(xué)技術(shù)廳制定的20世紀(jì)90年代的70個(gè)重點(diǎn)科研項(xiàng)目中有18項(xiàng)是與傳感器技術(shù)密切相關(guān)的。

德國一直視軍用傳感器為優(yōu)先發(fā)展技術(shù),該技術(shù)充分發(fā)揮老牌工業(yè)強(qiáng)國的固有優(yōu)勢,德國制造商依托在自有品牌聲譽(yù)、技術(shù)研發(fā)和質(zhì)量管理方面的優(yōu)勢,使產(chǎn)品保持技術(shù)上的領(lǐng)先地位,在傳感器市場上始終保有較高的市場份額。

2)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)傳感器企業(yè)仍然面臨著六大突出短板,與國外傳感器產(chǎn)業(yè)相比仍存在較大的差距。

(1)核心產(chǎn)品和技術(shù)依賴進(jìn)口。

(2)自主研發(fā)率低。

(3)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理。

(4)企業(yè)能力較弱。

(5)人才資源匱乏。

(6)統(tǒng)籌規(guī)劃及投資不足。

2.傳感器的組成

如圖1-1所示,傳感器一般包括敏感元件、轉(zhuǎn)換元件以及轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分,由于采用的敏感材料不同,某些傳感器的組成可能比圖中的更簡單或更復(fù)雜。圖1-1-傳感器的組成

3.傳感器的分類與特性

1)傳感器的分類

傳感器種類繁多,可以從不同的維度進(jìn)行分類,圖1-2為比較詳細(xì)的傳感器分類圖。從圖中可以看到,傳感器可以從物理原理、被測量類型、制造工藝、用途和敏感元件功能等

維度進(jìn)行劃分。圖1-2傳感器分類圖

2)傳感器的特性

傳感器的特性是指傳感器的輸入輸出關(guān)系特性,即傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)作用關(guān)系的外部特性表現(xiàn)。不同的傳感器有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù),決定了它們具有不同的外部特性。

傳感器所測量的物理量基本上有兩種形式:穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài))和動(dòng)態(tài)(周期變化或瞬態(tài))。前者的信號(hào)不隨時(shí)間變化(或變化很緩慢),后者的信號(hào)是隨時(shí)間變化而變化的。因此,傳感器所表現(xiàn)出來的輸入輸出關(guān)系特性存在靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩種。

(1)靜態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性是指,對(duì)于靜態(tài)的輸入信號(hào),傳感器的輸出量與輸入量之間的相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)的輸入量和輸出量與時(shí)間無關(guān),所以它們之間的關(guān)系可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程來表示,或者以特性曲線描述,曲線橫坐標(biāo)為輸入量,縱坐標(biāo)為與輸入量對(duì)應(yīng)的輸出量。

當(dāng)傳感器的輸入量恒定或緩慢變化,而輸出量也達(dá)到相應(yīng)穩(wěn)定值的工作狀態(tài)時(shí),輸出量可以由輸入量的確定函數(shù)來表示。在忽略滯后和蠕變的影響,或者雖然有遲滯及蠕變等

情況但僅需考慮理想的平均特性時(shí),可以將這一確定的函數(shù)表示為如下形式:

式中,x為傳感器的被測量,Y為傳感器的輸出量,a0為零位輸出,a1-為傳感器的靈敏度,a2,a3,…,an為非線性項(xiàng)待定常數(shù),其數(shù)值由具體的傳感器的非線性特性決定。

但是在實(shí)際應(yīng)用中,由于受到隨機(jī)變化量等因素的影響,

不可能達(dá)到理想的線性關(guān)系,所以需要設(shè)定一系列技術(shù)指標(biāo),來衡量一個(gè)傳感器檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性。常見的傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)有:線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移、分辨

率、閾值。

?線性度:傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度,其定義為全量程范圍內(nèi)實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。

?靈敏度:傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo),定義為輸出量的增量與引起該增量的相應(yīng)輸入量的增量之比。

?遲滯:傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間,其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。對(duì)于同一大小的輸入信號(hào),傳感器的正反行程輸出信號(hào)大小不相等,其差值就稱為遲滯差值。

?重復(fù)性:傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時(shí),所得的特性曲線不一致的程度。

?漂移:在輸入量不變的情況下,傳感器輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。產(chǎn)生漂移的原因一般有兩個(gè):一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響,二是周圍環(huán)境(如溫度、濕度等)的影響。

?分辨率:當(dāng)傳感器的輸入從非零值緩慢增加時(shí),在超過某一增量后輸出會(huì)發(fā)生可觀測的變化,這個(gè)輸入增量就稱為傳感器的分辨率,即最小輸入增量。

?閾值:當(dāng)傳感器的輸入從零值緩慢增加時(shí),在達(dá)到某一值后輸出會(huì)發(fā)生可觀測的變化,這個(gè)輸入值就稱為傳感器的閾值。

(2)動(dòng)態(tài)特性。

動(dòng)態(tài)特性指的是傳感器對(duì)于隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)的響應(yīng)特性。在測量靜態(tài)信號(hào)時(shí),線性測量系統(tǒng)的輸入輸出特性關(guān)系可以繪制為一條直線,即二者存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。而

當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí),就要求傳感器能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地測量出信號(hào)幅值的大小,無失真地再現(xiàn)被測信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。輸入信號(hào)變化的快慢會(huì)影響傳

感器的跟蹤性,具體來說,就是輸入信號(hào)變化得愈快,傳感器的隨動(dòng)跟蹤性能會(huì)逐漸下降。

?階躍響應(yīng)(或瞬態(tài)響應(yīng))。階躍響應(yīng)通常是利用輸入階躍信號(hào)來研究傳感器時(shí)域動(dòng)態(tài)特性的,即輸入階躍信號(hào)時(shí),傳感器的輸出響應(yīng)可描述為傳感器在瞬變的非周期信號(hào)作用

下的響應(yīng)特性。一個(gè)典型的階躍響應(yīng)特性曲線如圖1-3所示,從圖中可以看出,針對(duì)該曲線的描述指標(biāo)一般包括上升時(shí)間trs、響應(yīng)時(shí)間tst、超調(diào)量M等。圖1-3階躍響應(yīng)特性曲線

?頻率響應(yīng)。當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí),傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng),這種響應(yīng)是指傳感器在振幅穩(wěn)定不變的正弦信號(hào)作用下的響應(yīng)特性。在采用正弦輸入信號(hào)研

究傳感器或測量系統(tǒng)頻域動(dòng)態(tài)特性時(shí),通常采用幅頻特性和相頻特性來描述其動(dòng)態(tài)特性,還有一個(gè)非常重要的指標(biāo)是頻帶寬度(簡稱帶寬),定義為增益變化不超過某一規(guī)定分貝值的頻率范圍。

4.傳感器的應(yīng)用

在當(dāng)代社會(huì)發(fā)展方向下討論傳感器的應(yīng)用,不能僅局限于傳統(tǒng)的應(yīng)用場景和方法。傳感器也被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,其作用尤為重要。以“萬物互聯(lián)”

為目標(biāo)的物聯(lián)網(wǎng),是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展,代表著信息領(lǐng)域的發(fā)展與變革。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)感知層最重要的技術(shù)組成部分,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸入口,是環(huán)境感知的基礎(chǔ),其不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,還將在更多新興領(lǐng)域體現(xiàn)出優(yōu)越性和重要性,研究發(fā)展前景廣闊。

與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比,物聯(lián)網(wǎng)的最大特征是,通過部署大量各種類型的傳感器設(shè)備,構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的信息采集網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而獲得不同的信息內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)一般可以分為三個(gè)層級(jí):感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層其中,感知層為物聯(lián)網(wǎng)的底層,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的獲取和采集,是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口。感知層還會(huì)被細(xì)分為傳感器、信息傳輸節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)關(guān)等結(jié)構(gòu),收集到的信息內(nèi)容和信息格式根據(jù)傳感設(shè)備類型具有較大的差異。

下面將從幾個(gè)典型的領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯膽?yīng)用進(jìn)行簡單

的介紹。

1)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、信息化都離不開傳感器技術(shù)的支持。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,目前使用的傳感器大致可以分為物理類傳感器、化學(xué)類傳感器和生物類傳感器三大類。

(1)物理類傳感器。

物理類傳感器的作用是感知被檢測對(duì)象的物理參數(shù)

(2)化學(xué)類傳感器。

化學(xué)類傳感器是利用材料對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)的不同敏感程度,選用特定的敏感材料進(jìn)行對(duì)化學(xué)物質(zhì)的感知,并將其濃度信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測的儀器,這類傳感器可以模擬人類嗅覺和味覺器官功能,甚至感受人體器官不能識(shí)別的某些物質(zhì)信息。

(3)生物類傳感器。

生物體具有非常重要的生物物質(zhì)資源,如酶、抗體、組織、細(xì)胞等,利用這些生物物質(zhì)能夠有選擇性地分辨某些特定物質(zhì)。生物類傳感器是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并且可以將其濃度信息轉(zhuǎn)換為便于測量的電信號(hào)進(jìn)行檢測的儀器,是基于生物電化學(xué)理論感知被檢測對(duì)象的生物信息變化的裝置,一般由分子識(shí)別模塊、理化轉(zhuǎn)換模塊及信號(hào)放大模塊組成。

2)工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

有統(tǒng)計(jì)顯示,我國工業(yè)領(lǐng)域的傳感器應(yīng)用占比較大,其中以汽車電子應(yīng)用和通信電子應(yīng)用最為典型。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,傳感器作為機(jī)械的觸覺感知部件,是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

3)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)工作自動(dòng)執(zhí)行的裝置,是工業(yè)智能制造系統(tǒng)中最為重要的智能設(shè)備,而工業(yè)機(jī)器人的傳感器是決定機(jī)器人性能水平的關(guān)鍵因素。不同于普通的工業(yè)傳感器,

工業(yè)機(jī)器人要求傳感器完成更為復(fù)雜且精準(zhǔn)的動(dòng)作,以此來彌補(bǔ)人工操作的弊端,因此對(duì)傳感器技術(shù)和智能處理技術(shù)的要求更高。

工業(yè)機(jī)器人的外部傳感器按照功能可以細(xì)分為:用于分辨不同材料、顏色等物體特征的視覺傳感器;用于感知物體形狀、軟硬程度等物理性質(zhì)的觸覺傳感器;用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人周圍空間的物體定位及空間形狀特征檢測的距離傳感器;

4)無人駕駛領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)是無人駕駛汽車的三個(gè)重要組成部分,汽車中的傳感器就相當(dāng)于人體的神經(jīng)感知系統(tǒng),可以起到感知、避障、導(dǎo)航、無線通信等作用。在這一領(lǐng)域使用較多的傳感器有視覺傳感器和雷達(dá)傳感器。

(1)視覺傳感器。

無人駕駛汽車中的視覺傳感器是無人駕駛汽車的重要信息來源,主要利用視覺采集設(shè)備獲取環(huán)境信息和彩色景象信息。

(2)雷達(dá)傳感器。

無人駕駛汽車中的雷達(dá)傳感器是另一種重要的信息獲取設(shè)備,而雷達(dá)信號(hào)(特別是激光雷達(dá)信號(hào))因方向性強(qiáng)、測量精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢,也被廣泛地應(yīng)用在軍事領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等移動(dòng)目標(biāo)的精準(zhǔn)探測、跟蹤和識(shí)別,獲取重要的作戰(zhàn)信息。激光雷達(dá)的工作原理可以概括為:首先通過發(fā)射激光束照射探測目標(biāo),然后接收從目標(biāo)反射回來的信號(hào)并與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,最后通過進(jìn)一步的分析和計(jì)算來獲取探測目標(biāo)的位置、速度等關(guān)鍵信息。

一般可以將激光雷達(dá)分為單線和多線兩種:單線激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行掃描,并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)與掃描儀的相對(duì)位置,采用極坐標(biāo)的形式表示實(shí)際測量值;多線激光雷達(dá)通過發(fā)射2條及以上(最多可發(fā)射64條)的激光束,在水平和垂直方向分別進(jìn)行探測。與單線激光雷達(dá)相比,多線激光雷達(dá)因?yàn)榫哂幸欢ǖ母┭鰭呙杞嵌?可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測“面”的掃描。但是,激光雷達(dá)也有一定的弊端,比如雷雨、大霧等特殊天氣情況將會(huì)嚴(yán)重影響測量性能,使激光雷達(dá)無法正常發(fā)揮作用。

5)在智能交通領(lǐng)域主要應(yīng)用的傳感器類型

研究顯示,在智能交通領(lǐng)域?qū)⒍嗄繕?biāo)雷達(dá)傳感器與圖像傳感器結(jié)合,可以在拍攝的單幅靜態(tài)圖片上同時(shí)顯示多輛車的速度、距離、角度等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控道路車輛狀況的高

效獲取。除此之外,車流量雷達(dá)傳感器、2D/3D多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)傳感器等新型傳感器也在逐漸普及,為道路交通狀況實(shí)時(shí)感知及處理提供技術(shù)支撐,為交通的智能化監(jiān)管提供助力。

6)在智能家居領(lǐng)域應(yīng)用的傳感器特點(diǎn)

眾所周知,實(shí)現(xiàn)家居智能化僅僅依靠智能手機(jī)和智能路由是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,這兩種信息獲取渠道并不能準(zhǔn)確呈現(xiàn)用戶的真實(shí)訴求,要想實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能家居,還需要大量的傳感器作為支撐。

5.傳感器的發(fā)展

傳感器技術(shù)作為未來科技的核心技術(shù)之一,正在向著微型化、智能化、低能耗以及應(yīng)用范圍廣泛化發(fā)展,概括起來主要體現(xiàn)為：

(1)自動(dòng)校準(zhǔn)。

(2)多通道協(xié)作感知。

(3)柔性化。

(4)精準(zhǔn)感知。

(5)醫(yī)療應(yīng)用

(6)低能耗。

(7)環(huán)境友好型。

(8)系統(tǒng)多樣化

1.3智能傳感器

1.3.1-智能傳感器簡介傳統(tǒng)意義上的傳感器,只能感受規(guī)定的被測量,然后按照一定規(guī)律將被測量信息轉(zhuǎn)換成便于測量的輸出信號(hào)。智能傳感器則不同,它自身帶有微處理器等具有信息監(jiān)測與信息處理功能的器件或裝置,這就是它與傳統(tǒng)傳感器最本質(zhì)的區(qū)別。

智能傳感器一般由傳感器模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊、通信模塊和供電系統(tǒng)模塊組成(如圖1-4所示),其中嵌入式系統(tǒng)模塊是智能傳感器的核心部分,能夠?qū)鞲衅鳒y量的數(shù)據(jù)進(jìn)行

計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理,還可以通過反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。嵌入式系統(tǒng)可以充分發(fā)揮軟件功能來完成硬件設(shè)備難以完成的任務(wù),從而在保證傳感器性能的前提下,大大降

低其工藝制造難度和制造成本。圖1-4智能傳感器組成框圖

智能傳感器概括起來主要具備以下幾個(gè)特征:

①能夠存取測量數(shù)據(jù),提高檢測可靠性;

②能夠測量復(fù)合參數(shù),擴(kuò)展檢測范圍和類型;

③能夠校正補(bǔ)償測量值,提高檢測精確度;

④能夠排除外界干擾,有選擇性地測量,提高檢測魯棒性;

⑤能夠測量微小信號(hào),提高檢測靈敏度;

⑥能夠滿足更多場景測量要求,豐富檢測功能;

⑦能夠感知狀態(tài),定位故障位置,實(shí)現(xiàn)自診斷;

⑧能夠利用數(shù)字通信接口,與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信連接。

1.3.2智能傳感器應(yīng)用

(1)航空航天。

智能傳感器可用于檢測航天飛機(jī)的使用情況,通過在艙身各關(guān)鍵部位安裝智能傳感器,匯總各路傳感器信息后利用中央傳感器發(fā)射電磁波信號(hào),然后將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)管計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)利用信號(hào)分析算法處理和分析該數(shù)據(jù)內(nèi)容并進(jìn)行信息反饋,以這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)部署設(shè)施以及關(guān)鍵部件健康狀況的跟蹤監(jiān)測。

(2)海洋探測。

智能傳感器經(jīng)過對(duì)海洋觀測信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理等步驟,能夠測量并提供包括溫度、電導(dǎo)率、壓力、深度等各種海洋環(huán)境要素的原始數(shù)據(jù),以用于海洋科學(xué)研究和未來海洋資源的開發(fā)。

(3)軍事國防。

在軍用飛機(jī)、主戰(zhàn)坦克、船艦及地面戰(zhàn)場警戒系統(tǒng)、軍用機(jī)器人、軍事化學(xué)器材等領(lǐng)域,軍事傳感器都發(fā)揮著舉足輕重的作用。

(4)智慧農(nóng)業(yè)。

農(nóng)業(yè)項(xiàng)目大多是在田間進(jìn)行的,因此對(duì)傳感器設(shè)備的校正工作難以進(jìn)行,人工成本較高。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的傳感器對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面的要求相對(duì)較高,而智能傳感器的普及是

改變這一現(xiàn)狀最為有效的創(chuàng)新應(yīng)用。

(5)工業(yè)自動(dòng)化。

智能工業(yè)傳感器可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)建立起可被直接測量的已知指標(biāo)及無法直接測量的未知指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算,更加全面地推斷和預(yù)測產(chǎn)品的整體質(zhì)

量,解決了傳統(tǒng)傳感器的弊端,實(shí)現(xiàn)了對(duì)黏度、硬度、成分、味道等質(zhì)量指標(biāo)的直接檢測,并完成了在線反饋控制,成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和變革性力量。

(6)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

智能傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮了很重要的作用,應(yīng)用主要集中在醫(yī)學(xué)圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)監(jiān)護(hù)、疾病診斷與治療等方面,因?yàn)樾枰_反映身體狀況,所以對(duì)傳感器精確度、可靠性、抗干擾性、體積大小都有很高的要求。

(7)智能家電。

智能家居是影響人類生活方式改變的重要模式之一,也是未來發(fā)展的一大趨勢,與之相關(guān)的智能家電產(chǎn)品將會(huì)成為很多家庭的必備產(chǎn)品。

(8)智能交通。

無人駕駛汽車的推廣和使用展現(xiàn)出對(duì)車輛駕駛方式的創(chuàng)新型變革,這離不開智能傳感器的輔助和推動(dòng)。無人駕駛汽車的激光測距系統(tǒng)、攝像頭、雷達(dá)、慣性、車輪等部件/系統(tǒng)均安裝了智能傳感器,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和策略制定。若能提高企業(yè)的成本控制能力,無人駕駛車輛的全面市場化或可實(shí)現(xiàn)。

1.3.3智能傳感器發(fā)展

1.智能傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

1)專業(yè)化程度低

智能傳感器的設(shè)計(jì)研發(fā)涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣泛,需要多門學(xué)科、理論、材料和工藝知識(shí)的全面融合,因此需要各行業(yè)專業(yè)性人才的參與,但是我國目前面臨著人才匱乏、研發(fā)成

本不足、企業(yè)惡性競爭等問題,在傳感器的一些共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面尚未取得突破性進(jìn)展。此外,由于我國相關(guān)企業(yè)技術(shù)實(shí)力較為落后,未能促使行業(yè)發(fā)展規(guī)范的形成,傳感器各

模塊產(chǎn)品不配套、不成系列,重復(fù)生產(chǎn)等現(xiàn)象頻發(fā),必然帶來產(chǎn)品性能的降低。

2)資金支持欠缺

智能傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)含量較高,人才、技術(shù)相對(duì)密集,開發(fā)成本也在一定程度上大于其他行業(yè)。而且,與同等高科技企業(yè)或項(xiàng)目相比,國家對(duì)智能傳感器產(chǎn)業(yè)的政策扶持力度仍需加強(qiáng),多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策扶持條件的適應(yīng)性不夠,規(guī)模較小的企業(yè)難以獲得項(xiàng)目資金支持,稅費(fèi)負(fù)擔(dān)也相對(duì)較重。這些企業(yè)長期受到進(jìn)口產(chǎn)品的沖擊,不僅使市場公平性得不到保障,

而且競爭壁壘過高。

2.智能傳感器發(fā)展趨勢

1)數(shù)字化

智能傳感器是由一個(gè)或多個(gè)敏感元件、微處理器、外圍控制及通信電路、智能軟件系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物,兼具監(jiān)測、判斷、信息處理等功能。與傳統(tǒng)傳感器相比,智能傳感器有很多顯著優(yōu)點(diǎn),如可以確定傳感器的工作狀態(tài),對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行自修正,減少環(huán)境因素(如溫度、濕度)引起的誤差,可以用軟件來解決硬件難以解決的問題,可以完成數(shù)據(jù)計(jì)算與處理工作等。．

2)微型化

智能傳感器中的微型傳感器是基于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展的MEMS(MicroElectroMechani