7.3智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑7.3.1非集成化智能傳感器7.3.2集成化智能傳感器7.3.3智能傳感器的混合實(shí)現(xiàn)7.3.4實(shí)現(xiàn)智能的其他途徑7.3智能傳感器實(shí)現(xiàn)的途徑目前智能傳感器的實(shí)現(xiàn)主要途徑有三種方法：非集成化實(shí)現(xiàn)。初級(jí)的智能傳感器是由許多互相獨(dú)立的模塊組成，如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理電路模塊、數(shù)據(jù)電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結(jié)構(gòu)內(nèi)則組成模塊式智能傳感器；集成化實(shí)現(xiàn)。利用大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)；混合實(shí)現(xiàn)。根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元，以不同的組合方式集成在二塊或三塊芯片上，并封裝在一個(gè)殼體中，實(shí)現(xiàn)混合集成。7.3.1非集成化智能傳感器1.非集成化智能傳感器非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)的經(jīng)典傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)處理電路、帶數(shù)據(jù)總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)信號(hào)處理電路用來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的輸出信號(hào)，即將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入微處理器，再由微處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線接口掛接在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)總線上，這是實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)的最快途徑與方式。7.3.1非集成化智能傳感器1.非集成化智能傳感器圖為RP6系列智能壓力/差壓變送器，是VIRVO公司在金屬電容式壓力變送器基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字芯片技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代產(chǎn)品。傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換原理上采用隔離數(shù)字電容電路替代傳統(tǒng)模擬信號(hào)放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路，并利用數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)對(duì)溫度、靜壓進(jìn)行補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度，降低溫度漂移；具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，高可靠性，自診斷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。7.3.1非集成化智能傳感器1.非集成化智能傳感器圖為E+H智能型壓力變送器，是德國(guó)恩德斯豪斯公司采用陶瓷—抗過(guò)載金屬傳感器結(jié)合微處理器、HistoROM/M-DAT記憶模塊、通用壓力和差壓電子模塊研制的智能型產(chǎn)品，通過(guò)4～20mA帶HART通信、PROFIBUSPA或FF通信可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行方便且安全的菜單引導(dǎo)操作，具有擴(kuò)展診斷功能。模塊化設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品能夠適用于各種工業(yè)場(chǎng)合。7.3.1非集成化智能傳感器1.非集成化智能傳感器如圖為SMART公司生產(chǎn)的智能型藍(lán)寶石壓力傳感器，是在原有傳統(tǒng)式非集成化電容式變送器基礎(chǔ)上附加一塊帶數(shù)字總線接口的微處理器插板后組裝而成。同時(shí)，開(kāi)發(fā)配備可進(jìn)行通信、控制、自校正、自補(bǔ)償、自診斷等智能化軟件，從而形成智能傳感器。7.3.1非集成化智能傳感器2.傳感器的智能化換個(gè)角度，非集成化智能傳感器也稱為傳感器的智能化，特指?jìng)鞲衅髋c微處理器分為兩個(gè)獨(dú)立部分，微處理器是智能式傳感器的核心。傳感器的信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的硬件電路處理后，以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)入微處理器，微處理器根據(jù)其內(nèi)存中駐留的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，以及信息輸送等功能，從而使傳感器獲得智能。為了使智能式傳感器真正具有智能，控制功能應(yīng)包括鍵盤(pán)控制功能、量程自動(dòng)切換功能、多路與多路通道切換功能、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報(bào)警功能、自診斷與自校正功能。鍵盤(pán)控制功能7.3.1非集成化智能傳感器2.傳感器的智能化如圖為美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1460壓阻式傳感器專用單片集成處理芯片。MAX1460器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四大主要部分：模擬前端、數(shù)字處理器、輸出接口和測(cè)試接口。7.3.1非集成化智能傳感器1）模擬前端PGA&誤差校正為具有誤差校正功能的可編程放大器。其中的可編程放大器PGA可由二位數(shù)碼（D1D0）來(lái)設(shè)置增益，對(duì)外接的硅壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行放大；誤差校正功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行偏置調(diào)整，由三位數(shù)碼（D2D1D0）控制一個(gè)失調(diào)校正電路，使失調(diào)校正信號(hào)落在ADC的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其控制字來(lái)自片內(nèi)的配置E2PROM寄存器。7.3.1非集成化智能傳感器2）數(shù)字處理模塊及溫度補(bǔ)償MAX1460內(nèi)有一個(gè)低功耗的16位數(shù)字信號(hào)處理器（digitalsignalprocessor，DSP），因而可以按照用戶確定的校正方程對(duì)模擬前端送來(lái)的量化后的輸入信號(hào)S和溫度信號(hào)T進(jìn)行融合計(jì)算，對(duì)輸入信號(hào)S進(jìn)行溫度補(bǔ)償后再給予輸出。7.3.1非集成化智能傳感器3）輸出模塊輸出模塊含12位并行數(shù)字輸出口D11～D0、12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC、運(yùn)算放大器OPAMP等。經(jīng)過(guò)校正的數(shù)字信號(hào)可以直接從12位并行數(shù)據(jù)口輸出，也可以經(jīng)過(guò)12位DAC的數(shù)/模轉(zhuǎn)換后再?gòu)哪M輸出口輸出。用戶可以利用運(yùn)放OPAMP來(lái)構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，以對(duì)DAC的輸出進(jìn)行濾波。7.3.1非集成化智能傳感器4）測(cè)試接口接口信號(hào)主要有片選信號(hào)（CS1和CS2）、啟動(dòng)信號(hào)（START）、測(cè)試使能信號(hào)（TEST）、復(fù)位信號(hào)（RESET）、串行數(shù)據(jù)信號(hào)（SDIO，SDO）和轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)（EOC）。測(cè)試者可以按照給定的操作時(shí)序來(lái)通過(guò)此接口對(duì)芯片進(jìn)行配置、寫(xiě)入校正系數(shù)（以確定校正方程）以及讀出經(jīng)DSP補(bǔ)償校正的結(jié)果。7.3.2

集成化智能傳感器1.集成化智能傳感器集成化智能傳感器是21世紀(jì)最具代表性的高新科技成果之一，也是當(dāng)今國(guó)際科技界研究的熱點(diǎn)。集成化智能傳感器主要是指利用集成電路工藝和MEMS微機(jī)技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在同一塊芯片上（或二次集成在同一外殼內(nèi)），它內(nèi)嵌了標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字接口，使傳感器之間或傳感器與外部具有信號(hào)提取、信號(hào)處理、邏輯判斷、雙向通信、決策、量程切換、自檢、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、自診斷、計(jì)算等功能。與經(jīng)典的傳感器相比，集成智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、響應(yīng)速度快、可靠性高、精度高，以及功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)7.3.2

集成化智能傳感器1.集成化智能傳感器如圖為ADIS16405三軸陀螺儀、磁力計(jì)和加速計(jì)慣性檢測(cè)系統(tǒng)。該傳感器結(jié)合了ADI公司的iMEMS?與混合信號(hào)處理技術(shù)，提供校準(zhǔn)的數(shù)字慣性檢測(cè)；SPI接口和輸出寄存器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了方便的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和配置控制，通過(guò)SPI端口可以訪問(wèn)下列嵌入式傳感器：X、Y和Z軸角速度（相對(duì)首向檢測(cè)），X、Y和Z軸線性加速度，相對(duì)于地球磁場(chǎng)的X、Y和Z軸姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，電源，以及輔助模擬輸入。7.3.2

集成化智能傳感器1.集成化智能傳感器慣性傳感器在各個(gè)軸上執(zhí)行精密對(duì)準(zhǔn)，并對(duì)失調(diào)和靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。嵌入式控制器可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償對(duì)MEMS傳感器的所有主要影響?？删幊烫匦院?jiǎn)化了系統(tǒng)集成：系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)偏置校準(zhǔn)、數(shù)字濾波與采樣速率、自檢、電源管理、條件監(jiān)控，以及輔助數(shù)字輸入/輸出。模塊的尺寸約為23×23×23mm3，并提供方便的柔性連接器系統(tǒng)?？捎糜跓o(wú)人航天器（Unmannedaerialvehicles）、海上航行平臺(tái)控制（Platformcontrol）、數(shù)字陀螺儀（Digitalcompassing）、導(dǎo)航儀（Navigation）等。7.3.2

集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展及微米、納米技術(shù)的問(wèn)世，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)日臻完善，集成電路器件的集成度越來(lái)越高。它已成功地使各種數(shù)字電路芯片、模擬電路芯片、微處理器芯片、存儲(chǔ)器電路芯片等的價(jià)格性能比大幅度下降。反過(guò)來(lái)，它又促進(jìn)了微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，形成了與傳統(tǒng)傳感器制作工藝完全不同的現(xiàn)代智能集成傳感器。7.3.2

集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)1）微型化微型壓力傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)送進(jìn)血管用于測(cè)量血液流動(dòng)情況，裝在飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面用于測(cè)量氣體的流速和壓力。美國(guó)最近研究成功的微型加速度計(jì)可以使火箭或飛船制導(dǎo)系統(tǒng)的質(zhì)量從幾千克下降至幾克。2）結(jié)構(gòu)一體化壓阻式壓力（差）傳感器是最早實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的。采用微機(jī)械加工和集成化工藝，采用硅杯整體一次成形技術(shù)，先在硅杯受力區(qū)刻蝕電阻變換器，然后在硅杯非受力區(qū)制作處理電路、微處理器單元，甚至微執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)不同程度的，乃至整個(gè)系統(tǒng)的一體化。7.3.2

集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)3）精度高與分立結(jié)構(gòu)相比，傳感器結(jié)構(gòu)本身一體化后，遲滯、重復(fù)性等指標(biāo)將大大改善，時(shí)間漂移將大大減小，因而精度提高。同時(shí)后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路與敏感元件一體化后可大大減小由引線長(zhǎng)度帶來(lái)的寄生參量的影響，這對(duì)電容式傳感器更有特別重要的意義。4）多功能微米級(jí)敏感元件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)特別有利于在同一硅片上制作不同功能的多個(gè)傳感器，如美國(guó)霍尼韋爾公司在20世紀(jì)80年代初期生產(chǎn)的ST-3000型智能壓力（差）和溫度變送器，就是在一塊硅片上制作了可感受壓力、壓差及溫度三個(gè)參量的敏感元件，形成了具有三種功能（可測(cè)壓力、壓差和溫度）的集成智能傳感器。7.3.2

集成化智能傳感器ST-3000系列智能壓力/差壓變送器由傳感部件、變換部件和現(xiàn)場(chǎng)通訊器組成。傳感部件是硅杯，在硅杯上除制作了感受壓力（差壓）的應(yīng)變電阻外，還同時(shí)制作出溫度敏感元件和靜壓敏感元件，即把差壓、溫度、靜壓三個(gè)傳感器中的敏感元件，都集成在一起組成帶補(bǔ)償電路的傳感器，將差壓、溫度、靜壓這三個(gè)被測(cè)量轉(zhuǎn)換成三路電信號(hào)，分時(shí)采集后送入微處理器。這樣不僅增加了傳感器的功能，而且可以采用多信息數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除交叉靈敏度的影響，提高了傳感器的穩(wěn)定性與精度。7.3.2

集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)5）陣列式微米技術(shù)已經(jīng)可以在1cm2大小的硅芯片上制作幾千個(gè)壓力傳感器陣列。例如，豐田中央研究所半導(dǎo)體研究室用微機(jī)械加工技術(shù)制作的集成化應(yīng)變計(jì)式面陣觸覺(jué)傳感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1,024（32×32）個(gè)敏感觸點(diǎn)（橋），基片四周還制作了信號(hào)處理電路，其元件總數(shù)約16,000個(gè)。敏感元件構(gòu)成陣列后，配合相應(yīng)的圖像處理軟件，可以實(shí)現(xiàn)圖形成像且構(gòu)成多維圖像傳感器。目前已成為研究熱點(diǎn)的氣敏傳感器陣列，有望實(shí)現(xiàn)氣體種類判別和混合氣體成分分析與濃度測(cè)量。7.3.2

集成化智能傳感器2.集成化智能傳感器的特點(diǎn)6）全數(shù)字化通過(guò)微機(jī)械加工技術(shù)可以制作各種形式的微結(jié)構(gòu)，其固有諧振頻率可以設(shè)計(jì)成某種物理參量（如溫度或壓力）的單值函數(shù)，因此可以通過(guò)檢測(cè)其諧振頻率來(lái)檢測(cè)被測(cè)物理量。這是一種諧振式傳感器，直接輸出數(shù)字量（頻率），它的性能極為穩(wěn)定、精度高，無(wú)須A/D轉(zhuǎn)換器便能與微處理器方便地進(jìn)行連接。這對(duì)于減小芯片體積、簡(jiǎn)化集成工藝，均十分有利。7）使用方便，操作簡(jiǎn)單集成化智能傳感器沒(méi)有外部連接元件，外接連線數(shù)量極少，包括電源、通信線，可以減少至4條，因此，接線極其簡(jiǎn)便?？梢宰詣?dòng)進(jìn)行整體自校，無(wú)須用戶長(zhǎng)時(shí)間地反復(fù)多環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)與校驗(yàn)。智能含量越高的智能傳感器，它的操作使用就越簡(jiǎn)便，用戶只需編制簡(jiǎn)單的主程序就可方便地進(jìn)行應(yīng)用。7.3.3智能傳感器的混合實(shí)現(xiàn)混合實(shí)現(xiàn)是指根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個(gè)集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號(hào)處理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里。集成化敏感單元包括彈性敏感元件及變換器；信號(hào)處理電路包括多路開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大器、基準(zhǔn)、A／D轉(zhuǎn)換器等；微處理器單元包括數(shù)字存儲(chǔ)（E2PROM、RAM）、I／O接口、微處理器、D／A轉(zhuǎn)換器等。7.3.4

實(shí)現(xiàn)智能的其他途徑

智能傳感器的“智能”主要體現(xiàn)在強(qiáng)大的信息處理功能上，在技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)途徑有：1）采用新的檢測(cè)原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。例如3D加速度傳感器和3D軸陀螺儀就是利用這種方式實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的。MEMS陀螺儀（gyroscope）的工作原理是測(cè)量科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力，通過(guò)方程計(jì)算加速度實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。采用超小LGA封裝的多軸陀螺儀三軸陀螺儀掃描電子顯微鏡圖片7.3.4

實(shí)現(xiàn)智能的其他途徑2）應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)。利用人工智能材料的自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)、自完善、自調(diào)節(jié)和自學(xué)習(xí)特性，制造智能傳感器。7.3.4

實(shí)現(xiàn)智能的其他途徑3）采用軟件化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。傳感器與微處理器相結(jié)合的智能傳感器，利用計(jì)算機(jī)軟件編程的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的信息處理功能主要包括以下方面：運(yùn)用軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)非線性校正、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等，提高傳感器的精度、重復(fù)性等；用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波，如快速傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、小波變換等技術(shù)，簡(jiǎn)化硬件、提高信噪比、改善傳感器動(dòng)態(tài)特性；運(yùn)用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等，使傳感器具有更高智能即分析、判斷、自學(xué)習(xí)的功能。7.3.4

實(shí)現(xiàn)智能的其他途徑4）通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)。多傳感器系統(tǒng)通過(guò)多