智能传感技术

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第11章 智能传感技术
（1） 网络传感器及其特点 网络传感器是指在现场级就实现了TCP/IP协议(这 里，TCP/IP协议是一个相对广泛的概念，还包括UDP、 HTTP、SMTP、POP3等协议)的传感器，这种传感器使 得现场测控数据可就近登临网络，在网络所能及的范围 内实时发布和共享。
图11-2 非集成化智能传感器框图
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第11章 智能传感技术
图10-2中信号调理电路用来调理传感器的输出信号， 即将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号后送入 微处理器，再由微处理器通过数字总线接口挂接在现场 数字总线上。
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（2） 集成化结构 这种智能传感器系统采用微机加工技术和大规模集 成电路工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、 信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯 片上而构成，故又可称为集成智能传感器(integrated smart/intelligent sensor)。其外形如图11-5所示。
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第11章 智能传感技术
③精度高。比起分体结构，结构一体化后传感器迟 滞、重复性指标将大为改善，时间漂移大大减小，精度 提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以有 效减小由引线长度带来的寄生变量影响，这对电容式传 感器更有特别重要的意义。
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第11章 智能传感技术
④多功能。微米级敏感元件结构的实现特别有利于 在同一硅片上制作不同功能的多个传感器，如美国霍尼 韦尔公司20世纪80年代初生产的ST—3000型智能压力 (差)和温度变送器，即是在一块硅片上制作感受压力、 压差及温度三个参量的敏感元件结构的传感器，不仅增 加了传感器功能，而且可以通过采用数据融合技术消除 交叉灵敏度的影响，提高传感器的稳定性和精度。
第11章 智能传感技术
结构上，智能传感器系统将传感器、信号调理电路、 微控制器及数字信号接口结合为一整体，其框图如图111所示。传感元件将被测非电量信号转换成为电信号，信 号调理电路对传感器输出的电信号进行调理并转换为数 字信号后送入微控制器，由微控制器处理后的测量结果 经数字信号接口输出。智能传感器系统不仅有硬件作为 实现测量的基础，还有强大的软件支持保证测量结果的 正确性和高精度。以数字信号形式作为输出易于和计算 机测控系统接口，并具有很好的传输特性和很强的抗干 扰能力。
现代传感器技术是指以硅材料为基础，采用微米级 的微机械加工技术和大规模集成电路工艺实现各种仪表 传感器系统的微米级尺寸化。国外也称其为专用集成微 型传感技术(ASIM)。由此制作的智能传感器具有以下 特点。
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①微型化。微型压力传感器已经可以小到放在注射 针头内送进血管，测量血液流动情况，或安装在飞机发 动机叶片表面，测量气体的流速和压力。美国最近研制 成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统质量 从几千克下降至几克。
图11-1 智能传感器系统功能框图
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11.1 智能传感器 （1） 非集成化结构 非集成化智能传感器是将传统的经典传感 器(采用 非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能)、 信号调理电路及带数字总线接口的微处理器组合为一整 体而构成的一个智能传感器。其框图如图11-2所示。
敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可 以实现图像显示，构成多维图像传感器。敏感元件组成 阵列后，通过计算机或微处理器解耦运算、模式识别、 神经网络技术的应用，有利于消除传感器的时变误差和 交叉灵敏度的不利影响，提高传感器的可靠性、稳定性 与分辨力。
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பைடு நூலகம்
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⑥全数字化。通过微机械加工技术可以制作各种形 式的微结构。其固有谐振频率可以设计成某种物理量(如 温度或压力)的单值函数。因此，可以通过检测谐振频率 来检测被测物理量。这是一种谐振式传感器，直接输出 数字量(频率)。其的性能极为稳定，精度高，不需A/D 转换器便能与微处理器方便地接口，免去了A/D转换器， 对节省芯片面积、简化集成化工艺十分有利。
⑦使用方便，操作简单。没有外部连接元件，外接 连线数量极少，包括电源、通信线可以少至4条，因此， 接线极其简便，它还可以自动进行整体自校准，无需用 户长时间地反复多环节调节与校验。“智能”含量越高 的智能传感器，其的操作使用越简便，用户只需编制简 单的使用主程序。
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12.5 网络传感器 随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展， 传感器的通信方式从传统的现场模拟信号方式转为 现场级全数字通信方式，即传感器现场级的数字化 网络方式。基于现场总线、以太网等的传感器网络 化技术及应用迅速成长起来，因而在FCS(field bus control system)中得到了广泛应用，成为FCS中现场 级数字化传感器。
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②结构一体化。压阻式压力(差)传感器最早实现一 体化结构。传统的作法是先分别宏观机械加工金属圆膜 片与圆柱状环，然后将二者粘贴形成周边固支结构的 “金属杯”，再在圆膜片上粘贴应变片而构成压力(差) 传感器。因此，不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特 性。采用微机械加工和集成化工艺，不仅“硅杯”一次 整体成型，而且应变片与硅杯完全一体化，进而可在硅 杯非受力区制作调理电路、微处理器单元，甚至微执行 器，从而实现不同程度的、乃至整个系统的一体化。
图11-5 集成智能传感器结构示意图
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随着微电子技术的飞速发展、微米/纳米技术的问 世，大规模集成电路工艺技术的日臻完善，集成电路器 件的密集度越来越高，已成功地使各种数字电路芯片、 模拟电路芯片、微处理器芯片、存储器电路芯片的价格 性能比大幅度下降。反过来，它又促进了微机加工技术 的发展，形成了与传统的经典传感器制作工艺完全不同 的现代传感器技术。
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⑤阵列式。微米技术已经可以在1 cm2大小的硅芯片 上制作含有几千个压力传感器的阵列。例如，丰田中央 研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成化应 变计式面阵触觉传感器，在8 mm×8 mm的硅片上制作了 1 024个(32×32)敏感触点(桥)，基片四周还制作了信号处 理电路，其元件总数约16 000个。