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      工信部發布智能傳感器產業三年行動指南

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             什么是智能傳感器?

        近日,工信部正式下發《智能傳感器產業三年行動指南(2017-2019)》(簡稱“指南”)。為了貫徹中國制造2025等戰略,工信部于2016年4月啟動了該指南的編制工作,于2017年11月20日正式印發?!吨改稀诽岢隹傮w目標,規劃到2019年實現傳感器產業取得明顯突破,智能傳感器產業規模達到260億元,其中主營業務超過10億元的企業達到5家,超過1億元的企業實現20家。微機電系統(MEMS)工藝生產線產能穩步增長。

        什么是智能傳感器?

        作為人類獲取信息的工具,傳感器是現代信息技術的重要組成部分。傳統意義上的傳感器輸出的多是模擬量信號,本身不具備信號處理和組網功能,需連接到特定測量儀表才能完成信號的處理和傳輸功能。智能傳感器能在內部實現對原始數據的加工處理,并且可以通過標準的接口與外界實現數據交換,以及根據實際的需要通過軟件控制改變傳感器的工作,從而實現智能化、網絡化。由于使用標準總線接口,智能傳感器具有良好的開放性、擴展性,給系統的擴充帶來了很大的發展空間。

        智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發宇宙飛船過程中提出來,并于1979年形成產品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面或飛船上的處理器發送溫度、位置、速度和姿態等數據信息,即便使用一臺大型計算機也很難同時處理如此龐大的數據。何況飛船又限制計算機體積和重量,因此希望傳感器本身具有信息處理功能,于是將傳感器與微處理器結合,就出現了智能傳感器。

        智能傳感器是一種能夠對被測對象的某一信息具有感受、檢出的功能;能學習、推理判斷處理信號;并具有通信及管理功能的一類新型傳感器。智能傳感器有自動校零、標定、補償、采集數據等能力。其能力決定了智能化傳感器還具有較高的精度和分辨率,較高的穩定性及可靠性,較好的適應性,相比于傳統傳感器還具有非常高的性價比。

        早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經處理和轉化后由接口送到微處理機進行運算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心,把傳感器信號調節電路、微電子計算機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年代智能化測量技術有了進一步的提高,使傳感器實現了微型化、結構一體化、陣列式、數字式,使用方便、操作簡單,并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數據存貯功能、多參量測量功能、聯網通信功能、邏輯思維以及判斷功能。

        智能傳感器大體上可以分三種類型:

        ●即具有判斷能力的傳感器;

        ●具有學習能力的傳感器;

        ●具有創造能力的傳感器。

        智能傳感器的結構組成

        智能傳感器系統主要由傳感器、微處理器及相關電路組成,如圖所示。傳感器將被測的物理量、化學量轉換成相應的電信號,送到信號調制電路中,經過濾波、放大、A/D轉換后送達微處理器。微處理器對接收的信號進行計算、存儲、數據分析處理后,一方面通過反饋回路對傳感器與信號調理電路進行調節,以實現對測量過程的調節和控制;另一方面將處理的結果傳送到輸出接口,經接口電路處理后按輸出格式、界面定制輸出數字化的測量結果。微處理器是智能傳感器的核心,由于微處理器充分發揮各種軟件的功能,使傳感器智能化,大大提高了傳感器的性能。

        智能傳感器的特點:

        ●精度高

        智能傳感器可通過自動校零去除零點,與標準參考基準實時對比自動進行整體系統標定、非線性等系統誤差的校正,實時采集大量數據進行分析處理,消除偶然誤差影響,保證智能傳感器的高精度。

        ●高可靠性與高穩定性

        智能傳感器能自動補償因工作條件與環境參數發生變化而引起的系統特性的漂移,如環境溫度、系統供電電壓波動而產生的零點和靈敏度的漂移;在被測參數變化后能自動變換量程,實時進行系統自我檢驗、分析、判斷所采集數據的合理性,并自動進行異常情況的應急處理。

        ●高信噪比與高分辨力

        由于智能傳感器具有數據存儲、記憶與信息處理功能,通過數字濾波等相關分析處理,可去除輸入數據中的噪聲,自動提取有用數據;通過數據融合、神經網絡技術,可消除多參數狀態下交叉靈敏度的影響。

        ●強自適應性

        智能傳感器具有判斷、分析與處理功能,它能根據系統工作情況決策各部分的供電情況、與高/上位計算機的數據傳輸速率,使系統工作在最優低功耗狀態并優化傳輸效率。

        ●較高的性能價格比

        智能傳感器具有的高性能,不是像傳統傳感器技術那樣通過追求傳感器本身的完善、對傳感器的各個環節進行精心設計與調試、進行“手工藝品”式的精雕細琢來獲得的,而是通過與微處理器/微計算機相結合,采用廉價的集成電路工藝和芯片以及強大的軟件來實現的,所以具有較高的性能價格比。

        智能傳感器的主要功能

        智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作,結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元,它的出現對原來硬件性能的苛刻要求有所減輕,而靠軟件幫助來使傳感器的性能大幅度提高。

        智能傳感器通??梢詫崿F以下功能

        1、復合敏感功能

        我們觀察周圍的自然現象,常見的信號有聲、光、電、熱、力和化學等。敏感元件測量一般通過兩種方式:直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能,能夠同時測量多種物理量和化學量,給出能夠較全面反映物質運動規律的信息。如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器,可同時測量介質的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GIC Sensors公司研制的復合力學傳感器,可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移等。

        2、自適應功能

        智能傳感器可在條件變化的情況下,在一定范圍內使自己的特性自動適應這種變化。通過采用自適應技術,由于它能補償老化部件引起的參數漂移,所以自適應技術可延長器件或裝置的壽命。同時也擴大其工作領域,因為它能自動適應不同的環境條件。自適應技術提高了傳感器的重復性和準確度。因為其校正和補償數值已不再是一個平均值,而是測量點的真實修正值。

        3、自檢、自校、自診斷功能

        普通傳感器需要定期檢驗和標定,以保證它在正常使用時足夠的準確度,這些工作一般要求將傳感器從使用現場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行,對于在線測量傳感器出現異常則不能及時診斷。采用智能傳感器時,情況則大有改觀。首先是,自診斷功能在電源接通時進行自檢,診斷測試以確定組件有無故障。其次,根據使用時間可以在線進行校正,微處理器利用存在E2PROM內的計量特性數據進行對比校對。

        4、信息存儲功能

        信息往往是成功的關鍵.智能傳感器可以存儲大量的信息,用戶可隨時查詢。這些信息可包括裝置的歷史信息。例如,傳感器已工作多少小時,更換多少次電源等等。也包括傳感器的全部數據和圖表,還包括組態選擇說明等。此外還包括串行數、生產日期、目錄表和最終出廠測試結果等。內容可以無限,只受智能傳感器本身存儲容量的限制。智能傳感器除了增加過程數據處理、自診斷、組態和信息存儲四個方面的功能外,還提供了數字通訊能力和自適應能力。

        5、數據處理功能

        過程數據處理是一項非常重要的任務,智能傳感器本身提供了該功能。智能傳感器不但能放大信號,而且能使信號數字化,再用軟件實現信號調節。通常,基本的傳感器不能給出線性信號,而過程控制卻把線性度作為重要的追求目標。智能傳感器通過查表方式可使非線性信號線性化。當然對每個傳感器要單獨編制這種數據表。智能傳感器過程數據處理的另一個例子是通過數字濾波器對數字信號濾波,從而可減少噪聲或其它相關效應的干擾。而且用軟件研制復雜的濾波器要比用分立電子電路容易得多。環境因素補償也是數據處理的一項重要任務。微控制器能幫助提高信號檢測的精確度。例如,通過測量基本檢測元件的溫度可獲得正確的溫度補償系數,從而可實現對信號的溫度補償。用軟件也能實現非線性補償和其它更復雜的補償。這是因為查詢表幾乎能產生任意形狀的曲線。有時必須測量和處理幾個不同的物理量,這樣將給出各自的數據。智能傳感器的徽控制器使用戶很容易實現多個信號的加、減、乘、除運算。在過程數據處理方面,智能傳感器可以大顯身手。

        此外,它把這些操作從中心控制室下放到接近信號產生點也是大有好處的。其一是因為把附加信號發送到控制室花費很大,而用智能傳感器就省去了附加傳感器和引線的成本。其二是由于附加信息是在信息的應用點檢測到的,這樣就大大降低了長距離傳輸引入的負效應(如噪聲、電位差等),從而使信號更準確。其三是可以簡化主控制器中的軟件,提高控制環的速度。

        6、組態功能

        智能傳感器的另一個主要特性是組態功能。信號應該放大多少倍?溫度傳感器是以攝氏度還是華氏度輸出溫度?對于智能傳感器用戶可隨意選擇需要的組態。例如,檢測范圍,可編程通/斷延時,選組計數器,常開/常閉,8/12位分辨率選擇等。這只不過是當今智能傳感器無數組態中的幾種。靈活的組態功能大大減少了用戶需要研制和更換必備的不同傳感器類型和數目。利用智能傳感器的組態功能可使同一類型的傳感器工作在最佳狀態,并且能在不同場合從事不同的工作。

        7、數字通訊功能

        如上所述,由于智能傳感器能產生大量信息和數據,所以用普通傳感器的單一連線無法對裝置的數據提供必要的輸入輸出。但也不能對應每個信息各用一根引線.因為這樣會使系統非常龐雜。因此它需要一種靈活的串行通訊系統。在過程工業中,通??吹降氖屈c與點串接以及串聯網絡.如今的大趨勢是朝串聯網絡方向發展。因為智能傳感器本身帶有微控制器,所以它自屬于數字式的,因此自然能配置與外部連接的數字串行通訊。因為串行網絡抗環境影響(如電磁干擾)的能力比普通模擬信號強得多。把串行通訊配接到裝置上,可以有效地管理信息的傳輸,使數據只在需要時才輸出。

        智能傳感器的實現途徑

        目前,智能傳感器的實現是沿著傳感器技術發展的三條途徑進行:

        a、利用計算機合成,即智能合成;

        b、利用特殊功能材料,即智能材料;

        c、利用功能化幾何結構,即智能結構。智能合成表現為傳感器裝置與微處理器的結合,這是目前的主要途徑。

        按傳感器與計算機的合成方式,目前的傳感技術沿用以下三種具體方式實現智能傳感器。

        1、非集成化的模塊方式

        非集成化智能傳感器是將傳統的基本傳感器、信號調理電路、帶數字總線接口的微處理器組合為一個整體而構成的智能傳感器系統。這種非集成化智能傳感器是在現場總線控制系統發展形勢的推動下迅速發展起來的。自動化儀表生產廠家原有的一套生產工藝設備基本不變, 附加一塊帶數字總線接口的微處理器插板組裝而成, 并配備能進行通信、控制、自校正、自補償、自診斷等智能化軟件, 從而實現智能傳感器功能。這是一種最經濟、最快速建立智能傳感器的途徑。

        2、集成化實現

        這種智能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來制作敏感元件、信號調理電路以及微處理器單元, 并把它們集成在一塊芯片上構成的。集成化實現使智能傳感器達到了微型化、結構一體化, 從而提高了精度和穩定性。敏感元件構成陣列后, 配合相應圖像處理軟件, 可以實現圖形成像且構成多維圖像傳感器, 這時的智能傳感器就達到了它的最高級形式。

        3、混合實現

        要在一塊芯片上實現智能傳感器系統存在著許多棘手的難題。根據需要與可能, 可將系統各個集成化環節(如敏感單元、信號調理電路、微處理器單元、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。

        智能傳感器技術發展及趨勢

        1、向高精度發展

        隨著自動化生產程度的提高,對傳感器的要求也在不斷提高,必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。

        2、向高可靠性、寬溫度范圍發展

        傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能,研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發展新興材料( 如陶瓷) 傳感器將很有前途。

        3、向微型化發展

        各種控制儀器設備的功能越來越強,要求各個部件體積越小越好,因而傳感器本身體積也是越小越好,這就要求發展新的材料及加工技術,目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的,體積較大、穩定性差、壽命也短,而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。

        4、向微功耗及無源化發展

        傳感器一般都是非電量向電量的轉化,工作時離不開電源,在野外現場或遠離電網的地方,往往是用電池供電或用太陽能等供電,開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向,這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。目前,低功耗損的芯片發展很快,如T12702 運算放大器, 靜態功耗只有1.5 A, 而工作電壓只需2~ 5V.

        5、向智能化數字化發展

        隨著現代化的發展,傳感器的功能已突破傳統的功能,其輸出不再是單一的模擬信號( 如0~ 10mV) , 而是經過微電腦處理好后的數字信號, 有的甚至帶有控制功能, 這就是所說的數字傳感器。

        6、向網絡化發展

        網絡化是傳感器發展的一個重要方向,網絡的作用和優勢正逐步顯現出來。網絡傳感器必將促進電子科技的發展。

        發展重點

        1、應用機器智能的故障探測和預報。任何系統在出現錯誤并導致嚴重后果之前,必須對其可能出現的問題作出探測或預報。目前非正常狀態還沒有準確定義的模型,非正常探測技術還很欠缺,急需將傳感信息與知識結合起來以改進機器的智能。

        2、正常狀態下能高精度、高敏感性地感知目標的物理參數;而在非常態和誤動作的探測方面卻進展甚微。因而對故障的探測和預測具有迫切需求,應大力開發與應用。

        3、目前傳感技術能在單點上準確地傳感物理或化學量,然而對多維狀態的傳感卻困難。如環境測量,其特征參數廣泛分布且具有時空方面的相關性,也是迫切需要解決的一類難題。因此,要加強多維狀態傳感的研究與開發。

        4、目標成分分析的遠程傳感?;瘜W成分分析大多在基于樣本物質,有時目標材料的采樣又很困難。如測量同溫層中臭氧含量,遠程傳感不可缺少,光譜測定與雷達或激光探測技術的結合是一種可能的途徑。沒有樣本成分的分析很容易受到傳感系統和目標組分之間的各種噪音或介質的干擾,而傳感系統的機器智能有望解決該問題。

        5、用于資源有效循環的傳感器智能?,F代制造系統已經實現了從原材料到產品的高效的自動化生產過程,當產品不再使用或被遺棄時,循環過程既非有效,也非自動化。如果再生資源的循環能夠有效且自動地進行,可有效地防止環境的污染和能源緊缺,實現生命循環資源的管理。對一個自動化的高效循環過程,利用機器智能去分辨目標成分或某些確定的組分,是智能傳感系統一個非常重要的任務。

        研究熱點

        1、 物理轉換機理的研究

        數字化輸出是智能傳感器的典型特征之一,它不僅僅是模擬-數字轉換實現簡單的數字化,而是從機理上實現數字化輸出。其中,諧振式傳感器具有直接數字輸出、高穩定性、高重復性、抗干擾能力強,分辨力和測量精度高等優點。傳統寫真式傳感器的頻率信號檢測需要較復雜的設計,這限制了其的廣泛應用和在工業領域內的發展。而現在只需在同一硅片上集成智能檢測電路,就可以迅速提取頻率信號從而使諧振式微機械傳感器成為國際上傳感器的研究熱點。

        2、 多數據融合的研究

        數據融合是一種數據綜合和處理技術,是許多傳統學科和新技術的集成和應用,如通信、模式識別、決策論、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優化處理、計算機科學、人工智能和神經網絡等。目前,數據融合已成為集成智能傳感器理論的重要領域和研究熱點。即,對多個傳感器或多源信息進行綜合處理、評估,從而得到更為準確、可靠的結論。因此,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。近年來,數據融合又引入了遺傳算法、小波分析技術和虛擬技術。

        智能傳感器代表著傳感器發展總趨勢, 它已經受到了全世界范圍的矚目和公認, 因此,可以說智能傳感器是一種發展前景十分看好的新傳感器。今后, 隨著硅微細加工技術的發展,新一代的智能傳感器的功能將會更加增多。它將利用人工神經網、人工智能、信息處理技術等, 使傳感器具有更高級的智能功能, 同時, 它還將朝著微傳感器、微執行器和微處理器三位一體構成一個微系統的方向發展。


      2018年5月1日 13:57

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