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      3. 都睿感控

        專注傳感器國內第一

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        智能傳感器技術發展

            信息時代是計算機時代,取代和擴大人類腦力和勞動力的時代。 隨著信息的發展,電子計算機需要功能組件-傳感器,來感知、收集、轉換、傳輸和處理信息。傳感器已成為各領域系統的一部分,特別是自動檢測和控制系統的重要技術工具。因此,傳感器技術的演化正在變得越來越重要。

            自動化系統主要由執行器、計算機和傳感器組成,如圖1個所示。傳感器是一種將外部參數(如物理、化學、機械等)轉換為電學量或光學量的設備。傳統分立式傳感器在非集成工藝中構建,但只能獲得信號。 利用敏感組件的結構參數的變化來獲得模擬電阻、 電容、 電感或電壓信號的外部信號,通常需要變送器來獲得標準的模擬電壓或電流輸出,并使用二次儀表來測量和控制控制對象、外圍電路的復雜、測量精度低、需校準和補償等使得傳統的分立傳感器將逐漸被淘汰。

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            圖1 :自動控制系統邊框圖



            由于電子技術,特別是在開發半導體發展過程中,出現了模擬集成化傳感器,這個傳感器是通過硅中的半導體集成過程制成的,因此被稱為硅傳感器或單個集成傳感器。模擬集成傳感器在80年代設計為將傳感器集成到一個芯片中,用于測量和模擬信號輸出。模擬集成傳感器主要是單一功能(僅限單一物理量)、測量差異小、低成本、響應快、傳輸距離遠、小尺寸、能源消耗低等,適用于長距離測量、控制。無需非線性校正、簡單的外圍電路,同時具備校準、補償、診斷及網絡通訊功能。

            傳統傳感器技術存在嚴重的不足: (1)由于結構尺寸大,而時間(頻率)響應差。(2)輸入:輸出屬性是非線性的,并隨時間漂移。(3)參數因環境條件的變化而異.  (3)信噪比低,易干擾;(4)存在交叉點敏感度,選擇性及分辨率不高。 因此隨著社會的發展,新的傳感器技術將取代傳統的傳感器技術。

            隨著微型機械和微服務器、計算機、信號處理技術、電路和系統、神經網絡技術、模糊控制理論等技術的推出,在80年代末引入了智能傳感器。智能傳感器是具備微處理器傳感器,可檢測信息、具備邏輯思維以及判斷能力。它的主要功能是將傳感器信息檢測功能與微處理器信息處理功能(具有某種人工智能)有機地融合在一起。

            簡而言之,新的傳感器技術(智能傳感器)的主要功能包括: (1)具有自動調節、自我修復和校準功能。(2)自動補償;(3)自動收集和預處理數據;(4)自動檢查、自選量程、自動發現故障;(5)具有數據存儲、記憶和信息處理功能;(6)雙向通訊、標準數位輸出或符號輸出;(7)審核能力、決策處理能力。 智能傳感器與傳統傳統傳感器相比,智能傳感器具有更高的準確性、可靠性和穩定性、更高的信噪比和分辨率、適應性、性價比高等特點。

           集成式、非集成式和混合式集成三種方式:

        1. 集成化智能傳感器(如圖2 )采用微型系統技術和大規模集成電路,利用硅材料的敏感組件、信號調理電路、 微處理器單元等電路,并將其集成到單芯片上的新集成傳感器系統中。這些傳感器系統必須由集成電路制造商制造。

        2. 非集成智能傳感器系統(圖3 )是一個非集成智能傳感器系統,它將傳統的傳感器、信號調理電路和微處理器與數字總線接口結合起來,形成新的傳感器系統。信號管理電路擴展并將傳感器輸出信號轉換為微處理器,該微處理器通過數字接口和字段總線連接。非集成智能傳感器系統還包括快速增長的模糊傳感器。 智能傳感器系統旨在方便快捷地使用。

        3. 混合集成智能傳感器系統(圖4 )混合智能傳感器系統,將智能傳感器系統的每一部分整合到不同芯片上裝在同一個外殼里。

        現在,都睿感控科技可開發生產使用多種智能傳感器,例如智能壓力傳感器和智能溫度傳感器等。


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            圖4 :可能的程序包集成實施

            智能傳感器分為三個階段,第一個階段稱為入門級智能傳感器,可提高線性度、消除環境影響并提高準確性,例如我國國防科技大學研制的壓阻式智能壓力傳感器。  第二階段智能傳感器具備自我修復功能,例如自動診斷功能,典型的是Honeywell ST 3000智能壓力感應器。第三階段智能傳感器具有多元檢測、特征檢測、圖像顯示、圖像識別等功能。它們可以從復雜對象獲得有用的信號。 

            第一階段的壓阻式智能壓力傳感器、第二階段的ST 3000智能壓力傳感器和第三階段的智能傳感器,簡要說明。  

            圖5具有6路應力傳感器和1路溫度傳感器的智能應力傳感器結構圖,其中每個應力傳感器包含一個完整橋接電路(4個應變片構成)和前級放大器,用于測量應力大小。溫度傳感器用于測量環境溫度并修正應力傳感器錯誤。使用8031個單片機作為數據處理單元和控制單元。多路徑開關輪流選擇每個傳感器通道,0作為溫度傳感器通道,1-6通道作為6個應力傳感器通道,具體取決于單個驅動器執行的命令。 程控放大器選擇不同的放大倍數,以在單個驅動器的程序控制下放大信號。智能傳感器可提供更高的適應性,以判斷工作環境因素的變化,進行必要的更正以確保測量準確性。智能應力傳感器軟件結構,如圖6所示,主程序模塊具有完整的自動檢測、初始化、通道選擇和各個功能模塊調用功能。其中,信號收集器完成數據過濾、非線性凈值、信號處理、錯誤修復和檢索查表、運算采取先乘后除的順序。故障排除模塊的任務是分析每個應力傳感器的信號,以確定檢測到的對象的運行狀態以及是否出現故障。

         

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         圖6 :自由落體傳感器軟件映射 

            ST 3000一種智能壓力傳感器,具有信息檢測和管理功能,可以對增量狀態進行復合測量以自動補償溫度、靜壓等。主要優勢和性能是,可靠的數據測量和存取。量程比率最高可達400:1,涵蓋多個傳感器量程,并可讓您測量工作臺參數以校正和補償精確度最高至±0.1 % fs,穩定性好;溫度靜壓特性好,溫度范圍為- 40°c到110°c,靜壓21 MPa。通過用于直接連接到計算機的數字通信接口,自動診斷故障并確定狀態。 傳感器敏感元件是一個密爾厚l0的硅晶片,它采用離子注入等集成技術,配置差壓、靜壓及溫度三種敏感元件及溫度補償橋路等,總共300個元件、數位信號壓力下的橋接輸出訊號交換,以及將CMOS整合至具有d/a、a/d和其他功能的整合區塊。該片連接到微芯片,并在必要時將4到20ma的數字信號或模擬信號傳輸到控制室。 如圖7所示:

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         圖7 ST-3000模式

            第三階段智能傳感器通常是一個多功能3 d傳感器,一個立體器件。單個3 d多維傳感器是一個智能傳感器,它將傳感器、數據傳輸、存儲和處理模塊集成到基于硅的超大規模集成電路中。平面集成已轉換為3 d集成,允許多層結構,如圖8所示。將敏感組件、電源、記憶、傳輸等集成到硅片中,就像日本3DIC項目的視覺傳感器一樣。集成探測功能,如光源轉換和提取硅芯片信息;具^程由基于硅的集成電路2 d組成。此技術目前可以生成雙層10位線性圖像傳感器,具有pn連接感光二極管和線寬在400到700毫米之間的較低級別的信號處理電路。此集成的3 d技術可將多層傳感器、邏輯功能和內存功能集成到一個芯片中,這是智能傳感器開發的一個重要方向。

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         圖8 :單一亮度傳感器

            未來我們會研發能夠學習和創造的傳感器技術。這些傳感器模擬人類的感知,比如,人類視野可以根據環境改變靈敏度,也可以改變敏感度,甚至改變靈活性。像鹽和糖一樣是白色的粉末,人類可以根據我們的知識來衡量結果。智能傳感器未來還不能制造出這樣的智能傳感器。所謂具有創造力的智能感應器更復雜,更能模擬感應器,它們能夠偵測到所謂的“思想”或“理論”是遠遠超出科學在極端科技發展后所能產生的東西,但是如果仍然能夠確定人性的話.。

          


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