傳感技術作為一種與現(xiàn)代科學密切相關的新興學科也得到迅速的發(fā)展,并且在工業(yè)自動化測量和檢測技術、航天技術軍事工程、醫(yī)療診斷等學科被越來越廣泛地利用,同時對各學科發(fā)展還有促進作用。隨著MEMS、激光技術、高科技材料等的技術進步,傳感器的研發(fā)呈現(xiàn)多樣化的趨勢,有的利用生物材料模擬人類皮膚,創(chuàng)新傳感器的觸覺;有的利用MEMS技術研發(fā)微型智能化傳感器,從而有利于復雜系統(tǒng)的集成;有的利用高精度的激光技術創(chuàng)造激光雷達,從而利于系統(tǒng)實時感知周邊障礙物與環(huán)境等等。
從定義上理解,智能傳感器(intelligentsensor)是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機,具有采集、處理、交換信息的能力,是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)由多個傳感器集合而成,采集的信息需要計算機進行處理,而使用智能傳感器就可將信息分散處理,從而降低成本。與一般傳感器相比,智能傳感器具有以下三個優(yōu)點:通過軟件技術可實現(xiàn)高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的編程自動化能力;功能多樣化。概括而言,智能傳感器的主要功能是:
(1) 具有自校零、自標定、 自校正功能;
(2) 具有自動補償功能;
(3) 能夠自動采集數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行預處理;
(4) 能夠自動進行檢驗、自選量程、 自尋故障;
(5) 具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能;
(6) 具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能;
(7) 具有判斷、決策處理功能。
物聯(lián)網市場引發(fā)智能傳感技術新需求
智能傳感器這一概念是由國外引進的,通常定義為“帶有微處理器,具有信息處理功能的傳感器”。根據(jù)《敏感組件和傳感器名詞術語》國家標準,這里“傳感器”的定義是:能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感組件和轉換組件組成。
80年代,將信號處理電路(濾波、放大、調零)與傳感器設計在一起,輸出4~20mA電流或0~5V電壓,這樣的傳感器為當時意義的智能傳感器。我們稱之為“第一代智能傳感器”。
80年代末到90年代中后期,將單片微處理器嵌入傳感器中,實現(xiàn)溫補、修正、校準,同時由A/D變換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號。這種類型的傳感器不但有硬件,還可通過軟件對信號進行簡單處理,輸出為數(shù)字信號。我們稱之為“第二代智能傳感器”。
“現(xiàn)場總線”概念提出后,對傳感器的設計提出了新要求,要求實現(xiàn)全數(shù)字、開放式的雙向通信,測量和控制信息的交換在底層上主要是通過現(xiàn)場總線來完成,數(shù)據(jù)交換主要是通過Intranet等網絡來實現(xiàn),傳感器設計上軟件占主要地位,通過軟件將傳感器內部各個敏感單元或與外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起。我們稱之為“第三代智能傳感器”。
進入21世紀后,由于MEMS技術、低能耗的模擬和數(shù)字電路技術、低能耗的無線射頻(RF)技術、傳感器技術的發(fā)展,使得開發(fā)小體積、低成本、低功耗的微傳感器成為可能。這種微傳感器一般裝備有:一個用于感知外界環(huán)境物理量的敏感組件(如壓力、溫度、濕度、光、聲、磁等),一個用于處理敏感組件采集信息的計算模塊,一個用于通信的無線電收發(fā)模塊,一個為微傳感器的各種操作提供能量的電源模塊。我們稱之為“第四代智能傳感器”或“智能網絡化傳感器”。
物聯(lián)網(IoT)是把任何物品與互聯(lián)網連接起來,進行信息交換和通訊,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。簡而言之,物聯(lián)網就是“物物相連的互聯(lián)網”。傳感器作為物聯(lián)網三大層次結構之一的感知層的重要組成部分,將現(xiàn)實世界中的物理量、化學量、生物量等轉化成可供處理的數(shù)字信號,是實現(xiàn)物聯(lián)網的基礎和前提,同時MEMS(微機電)技術作為支撐技術,在物聯(lián)網的發(fā)展中起著至關重要的作用。
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