智能傳感器的工作原理:智能傳感器

2022/01/17 01:02 · 傳感器知識資訊 ·  · 智能傳感器的工作原理:智能傳感器已關閉評論
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智能傳感器
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本詞條由“科普中國”科學百科詞條編寫與應用工作項目
審核
。
智能傳感器(intelligent sensor)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。與一般傳感器相比,智能傳感器具有以下三個優點:通過軟件技術可實現高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的編程自動化能力;功能多樣化。一個良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅動的傳感器與儀表套裝,并且具有通信與板載診斷等功能。智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來,并按照指令處理這些數據,從而創造出新數據。智能傳感器之間能進行信息交流,并能自我決定應該傳送的數據,舍棄異常數據,完成分析和統計計算等。
[1]
中文名
智能傳感器
外文名
intelligent sensor
定 義
具有信息處理功能的傳感器
特 點
高精度的信息采集,成本低
目錄
1
簡介
2
通信
3
診斷程序
4
定義
5
功能
6
特點
7
發展進步
?
應用與方向
?
應用產業
8
注意事項
9
推動產業升級
智能傳感器簡介
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語音
自動化領域所取得的一項最大進展就是智能傳感器的發展與廣泛使用。但究竟什么是“智能”傳感器?下面,來自6個傳感器廠家的專家對這一術語進行了定義。據Honeywell工業測量與控制部產品經理Tom Griffiths的定義:“一個良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅動的傳感器與儀表套裝,并且具有通信與板載診斷等功能,為監控系統和/或操作員提供相關信息,以提高工作效率及減少維護成本?!敝悄軅鞲衅骷闪藗鞲衅?、智能儀表全部功能及部分控制功能,具有很高的線性度和低的溫度漂移,降低了系統的復雜性、簡化了系統結構。
智能傳感器通信
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語音
無故障通信“智能傳感器的優勢,”GE Fanuc自動化公司控制器產品經理Bill Black說,“是能從過程中收集大量的信息以減少宕機時間及提高質量?!盡TS傳感器公司Temposonics(磁致伸縮位移傳感器)產品經理David Edeal對此補充說:“分布式智能的基本前提是,在適當位置和時間擁有有關系統、子系統或組件的狀態的全部知識,以進行‘最優的’過程控制決策?!盋ognex公司Checker機器視覺部產品營銷經理John Keating繼續補充說,“對于一種真正的‘智能’(機器視覺)傳感器,它應該不需要使用者懂得機器視覺?!?br /> 智能傳感器
智能傳感器必須具備通信功能?!白钇鸫a,除了滿足最基本應用的反饋信號,‘智能’傳感器必須能傳輸其它信息?!盓deal表示。這可以是疊加在標準4-20 mA過程輸出、總線系統或無線安排上的HART(可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議)信號。該領域正在增長的因素是IEEE 1451——一系列旨在為不同廠家生產的傳感器提供即插即用能力的智能傳感器接口標準。
智能傳感器診斷程序
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語音
智能傳感器可對其運行的各個方面進行自監控,包括“攝像頭的污濁,超容忍限或不能開關等,”GE Fanuc自動化公司的Black說。Pepperl+Fuchs公司智能系統經理Helge Hornis補充說,“(除此之外),還有線圈監控功能,目標超出范圍或太近?!彼部梢詫r的變化進行補償?!啊悄堋瘋鞲衅?,”Omron電子有限公司戰略創意總監Dan Armentrout表示,“必須首先能監視自身及周圍的環境,然后再決定是否對變化進行自動補償或對相關人員發出警告?!焙芏嘀悄軅鞲衅鞫寄苤匮b到控制現場,通過提供“可設置參數,使用戶能替換一些‘標準’傳感器,”Hornis說道,“例如,典型的傳感器一般都設置為常開(NO)或常關(NC),而智能傳感器則能設置為以上任何一種狀態?!敝悄軅鞲衅鲹碛泻芏鄡瀯?。隨著嵌入式計算功能的成本繼續減少,“智能”器件將被更多地應用。獨立的內部診斷功能可避免代價高昂的宕機,從而迅速收回投資
智能傳感器定義
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語音
智能傳感器系統是一門現代綜合技術,是當今世界正在迅速發展的高科技新技術,但還沒有形成規范化的定義。早期,人們簡單、 機械地強調在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結合, 認為“傳感器的敏感元件及其信號調理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。關于智能傳感器的中、英文稱謂,尚未有統一的說法。John Brignell和Nell White認為“Intelligent Sensor”是英國人對智能傳感器的稱謂, 而“Smart Sensor” 是美國人對智能傳感器的俗稱。 而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同,分別稱為“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 對“Smart Sensor”的中文譯名有譯為“靈巧傳感器”的, 也有譯為“智能傳感器”的?!吨悄軅鞲衅飨到y》書上的定義: “傳感器與微處理器賦予智能的結合,兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器(系統)”;模糊傳感器也是一種智能傳感器(系統),將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構成智能傳感器(系統)的一種方式。(《智能傳感器系統》,劉君華,西安電子科技大學出版社)《現代新型傳感器原理與應用》書上的定義:所渭智能式傳感器就是一種帶行微處理機的,兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。( 《現代新型傳感器原理與應用》 ,劉迎春,葉湘濱等,國防工業出版社,2000.5)
智能傳感器功能
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語音
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) 能夠自動采集數據, 并對數據進行預處理;(4) 能夠自動進行檢驗、 自選量程、 自尋故障;(5) 具有數據存儲、記憶與信息處理功能;(6) 具有雙向通訊、標準化數字輸出或者符號輸出功能;(7) 具有判斷、決策處理功能??蓪崿F的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苛刻要求有所減輕,而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。1、信息存儲和傳輸——隨著全智能集散控制系統(SmartDistributedSystem)的飛速發展,對智能單元要求具備通信功能,用通信網絡以數字形式進行雙向通信,這也是智能傳感器關鍵標志之一。智能傳感器通過測試數據傳輸或接收指令來實現各項功能。如增益的設置、補償參數的設置、內檢參數設置、測試數據輸出等。2、自補償和計算功能——多年來從事傳感器研制的工程技術人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補償工作,但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣,放寬傳感器加工精密度要求,只要能保證傳感器的重復性好,利用微處理器對測試的信號通過軟件計算,采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償,從而能獲得較精確的測量結果壓力傳感器。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。采用智能傳感器情況則大有改觀,首先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EPROM內的計量特性數據進行對比校對。4、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、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。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(加速度傳感器)、速度(速度傳感器)、位移(位移傳感器),等等。
[2]
5、智能傳感器的集成化----由于大規模集成電路的發展使得傳感器與相應的電路都集成到同一芯片上,而這種具有某些智能功能的傳感器叫作集成智能傳感器集成智能傳感器的功能有三個方面的優點:較高信噪比:傳感器的弱信號先經集成電路信號放大后再遠距離傳送,就可大大改進信噪比。改善性能:由于傳感器與電路集成于同一芯片上,對于傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過自校單元定期自動校準,又可以采用適當的反饋方式改善傳感器的頻響。信號規一化:傳感器的模擬信號通過程控放大器進行規一化,又通過模數轉換成數字信號,微處理器按數字傳輸的幾種形式進行數字規一化,如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。
智能傳感器特點
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語音
智能式傳感器是一個以微處理器為內核擴展了外圍部件的計算機檢測系統。相比一般傳感器,智能式傳感器有如下顯著特點:1.提高了傳感器的精度智能式傳感器具有信息處理功能,通過軟件不僅可修正各種確定性系統誤差(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、服度誤差、零點誤差、正反行程誤并等)而且還可適當地補償隨機誤差、降低噪聲,大大提高了傳感器精度。2.提高了傳感器的可靠性集成傳感器系統小型化,消除了傳統結構的某些不可靠因素,改善整個系統的抗干擾件能;同時它還有診斷、校準和數據存儲功能(對于智能結構系統還有自適應功能),具有良好的穩定性。3.提高了傳感器的性能價格比在相同精度的需求下,多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比,性能價格比明顯提高,尤其是在采用較便宜的單片機后更為明顯。4.促成了傳感器多功能化智能式傳感器可以實現多傳感器多參數綜合測量,通過編程擴大測量與使用范圍;有一定的自適應能力,根據檢測對象或條件的改變,相應地改變量程反輸出數據的形式;具有數字通信接口功能,直接送入遠地計算機進行處理;具有多種數據輸出形式(如Rs232串行輸批,PIO并行輸出,IEE-488總線輸出以及經D/A轉換后的模擬量輸出等),適配各種應用系統。
[3]
智能傳感器發展進步
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語音
電子自動化產業的迅速發展與進步促使傳感器技術、特別是集成智能傳感器技術日趨活躍發展,隨著半導體技術的迅猛發展,國外一些著名的公司和高等院校正在大力開展有關集成智能傳感器的研制,國內一些著名的高校和研究所以及公司也積極跟進,集成智能傳感器技術取得了令人矚目的發展。國產智能傳感器逐漸在智能傳感器領域邁開步伐,運用軍工產品的生產線和工藝,精度高,穩定性好,成本低,采用高性能微控制器(MCU),同時具備數字和模擬兩種輸出方式,同時針對用戶的特定需求(如組網式測量,自定義通訊協議),均可在原產品基礎上進行二次開發,周期極短,為用戶節省時間,提高效率。已廣泛應用于航空、航天、石油、化工、礦山、機械、大壩、地質、水文等行業中測量各種氣體和流體的壓力、壓差、流量和流體的高度和重量。
智能傳感器應用與方向
智能傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防、科技和工農業生產等各個領域中。例如,它在機器人領域中有著廣闊應用前景,智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現象,完成各種動作。在工業生產中,利用傳統的傳感器無法對某些產品質量指標(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產品質量指標有函數關系的生產過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等),利用神經網絡或專家系統技術建立的數學模型進行計算,可推斷出產品的質量。
智能傳感器
在醫學領域中,糖尿病患者需要隨時掌握血糖水平,以便調整飲食和注射胰島素,防止其它并發癥。通常測血糖時必須刺破手指采血,再將血樣放到葡萄糖試紙上,最后把試紙放到電子血糖計上進行測量。這是一種既麻煩又痛苦的方法。而“葡萄糖手表”,其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實現無疼、無血、連續的血糖測試?!捌咸烟鞘直怼鄙嫌幸粔K涂著試劑的墊子,當墊子與皮膚接觸時,葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發生電化學反應,產生電流。傳感器測量該電流,經處理器計算出與該電流對應的血糖濃度,并以數字量顯示。
智能傳感器應用產業
1、應用于電池拓展閱讀基于智能傳感器的彈藥庫溫/濕度監控系統設計
智能傳感器注意事項
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好的傳感器的設計是經驗加技術的結晶。一般理解傳感器是將一種物理量經過電路轉換成一種能以另外一種直觀的可表達的物理量的描述。比如轉換成僅依賴于此測物理量的較高的電壓電流等信號,再顯示出來。因此需要注意幾點:1、一般所測得的物理量是非常小的,通常還帶有作為傳感器物理轉換元件固有的轉換噪聲。比如傳感器在1被放大倍率下的信號強度為0.1~1uV,此時的背景噪聲信號也有這么大的水平,甚至于將其湮滅。如何將有用信號盡量取出并且壓低噪聲是傳感器設計的首要解決的問題。2、傳感器電路一定要簡單精煉。設想具有3級放大電路的,帶有2級有源濾波器的放大回路,放大了信號的同時也將噪聲放大了,如果噪聲不是明顯偏離有用信號頻譜,則無論怎樣濾波兩者同時放大,結果信噪比沒有提高。因此傳感器電路一定要精煉簡約。能省1只電阻或電容就一定要將它去掉。這一點是許多設計傳感器的工程師們容易忽略的問題。已知的情況是,傳感器電路隨著噪聲的問題困擾,電路越修改越復雜,成為怪圈。
[4]
3、功耗問題。傳感器通常在后續電路的前端,有可能需要較長的引線連接。當傳感器功耗較大時引線的連接將會所有的無謂噪聲以及電源噪聲引入使得后續電路愈發難以設計。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個不小的考驗。4、元器件的選用和電源回路。元器件的選用一定要夠用為好,只要器件指標在需要的范圍之內就可以了,余下的就是電路設計問題。電源是傳感器電路設計過程一定要遇到的難題,不要追求無法達到的電源指標,而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運放,采用差分放大電路設計可能最普通的開關電源以及器件就能滿足你的要求。電源的退偶一定要可靠設計,并且遵循器件手冊的要求,寧多勿少。
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智能傳感器推動產業升級
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語音
智能傳感器作為廣泛地系統前端感知器件,既可以助推傳統產業的升級,例如,傳統工業的升級、傳統家電的智能化升級;又可以對創新應用進行推動,比如機器人、VR/AR(虛擬現實/增強現實)、無人機、智慧家庭、智慧醫療和養老等領域。在工業領域,傳統企業面臨人力成本提高、市場需求下降等問題,傳統企業開始從勞動密集型轉向自動化、智能化。在整個轉型中,智能傳感器發揮著至關重要的作用,推動傳統工業的轉型升級。2015年我國傳感器市場規模達1100億元,預計到2020年將達到2115億元,年復合增長率達到14%。但是由于國內傳感器企業技術水平、生產工藝、規模和盈利能力等方面的差距導致國內傳感器市場高度依賴進口。特別是高端傳感器方面,由于種類多、跨學科研發技術水平高、開發成本大,企業不愿承擔開發風險,造成我國高端傳感器基本依靠進口。2015 年,我國中高端傳感器進口比例達到80%。智能傳感技術是智能制造和物聯網的先行技術,作為前端感知工具,具有非常重要的意義。
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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。與一般傳感器相比,智能傳感器具有以下三個優點:通過軟件技術可實現高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的...
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智能傳感器有什么不一樣
隨著測控系統自動化、智能化的發展,傳統的傳感器已經不能滿足一定的數據處理能力以及自檢、自校、自補償的功能,智能傳感器和多功能傳感器的研發和應用已經走向市場。智能傳感器的結構及特點傳感器像人的五官一樣,是獲取信息的重要工具。它在工業生產、國防建設和科學技術領域發揮著巨大的作用...
2019-04-190
參考資料
1.

張福學.傳感器電子學及其應用:國防工業出版社,1990年
2.

智能傳感器系統
.超星發現.2010[引用日期2017-11-27]
3.

走向智能傳感器時代
.超星發現.2015[引用日期2017-11-27]
4.

智能傳感器
.電子發燒友網[引用日期2017-11-27]
5.

智能傳感器技術綜述
.超星發現.2014[引用日期2017-11-27]
智能傳感器的工作原理:智能傳感器  第1張

智能傳感器的工作原理:智能傳感器工作原理.ppt

第12章 智能傳感器 11.1 智能傳感器概述 11.2 計算型智能傳感器 11.3 特殊材料型智能傳感器 11.4 幾何結構型智能傳感器 11.5 智能傳感器實例 11.1 智能傳感器概述 11.1 智能傳感器概述 國際電氣電子工程師學會(IEEE)在1998年通過了智能傳感器的定義,即 “除產生一個被測量或被控量的正確表示之外,還同時具有簡化換能器的綜合信息以用于網絡環境的功能的傳感器”。 11.1.1 智能傳感器的功能 先看一個智能傳感器的例子,圖11-1所示為智能紅外線測溫儀原理框圖。 紅外傳感器將被檢測目標的溫度轉換為電信號,經A/D變換后輸入單片機。 溫度傳感器將環境溫度轉換為電信號,經A/D變換后輸入單片機。 單片機中存放有紅外傳感器的非線性校正數據。 紅外傳感器檢測的數據經單片機計算處理,消除非線性誤差后,可獲得被測目標的溫度特性與環境溫度的關系。 供記錄、顯示、存儲備用。 可見,智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力,輸出期望值的傳感器。 (1)能提供更全面、更真實的信息,消除異常值、例外值。 (2)具有信號處理包括溫度補償、線性化等功能。 (3)隨機調整和自適應。 (4)一定程度的存儲、識別和自診斷。 (5)含有特定算法并可根據需要改變算法。 這種傳感器不僅在物理層面上檢測信號,而且在邏輯層面上對信號進行分析、處理、存儲和通信。 相當于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力,即具備了人類的智能。 所以稱之為智能傳感器。 11.1.2 智能傳感器的層次結構 人類的智能是怎么構成的呢? 人類的智能是基于即時獲得的信息和原先掌握的知識。 人類的智能是實現了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識結合了起來,如圖11-2所示。 智能傳感器也應該由多重傳感器或不同類型傳感器從外部目標以分布和并行的方式收集信息; 通過信號處理過程把多重傳感器的輸出或不同類型傳感器的輸出結合起來或集成在一起,實現傳感器信號融合或集成; 最后,根據先前擁有的關于被測目標的有關知識,進行最高級的智能信息處理過程。 將信息轉換為知識和概念提供使用。 理想智能傳感器的層次結構應是三層: 1.底層,分布并行傳感過程,實現被測信號的收集。 2.中間層,將收集到的信號融合或集成,實現信息處理。 3.頂層,中央集中抽象過程,實現融合或集成后的信息的知識處理。 11.1.3 智能傳感器的實現 實現傳感器智能化,讓傳感器具備理想智能傳感器的層次結構,讓傳感器具備記憶、分析和思考能力。 就目前發展狀況看,有3條不同的途徑: (1)利用計算機合成(智能合成); (2)利用特殊功能的材料(智能材料); (3)利用功能化幾何結構(智能結構); 11.2 計算型智能傳感器 11.2 計算型智能傳感器 11.2.1 計算型智能傳感器構成方式 計算型智能傳感器最常見,其底層、中間層和頂層分別由基本傳感器、信號處理電路和微處理器構成。 它們可以集成在一起,形成一個整體,封裝在一個殼體內,稱為集成化方式。 也可以互相遠離,分開放置在不同的位置或區域,稱為非集成化方式。 介于兩種方式之間的混合集成化方式。 1.非集成化方式 非集成化傳感器是把基本傳感器、信號處理電路和帶數字總線接口的微處理器相隔一定距離組合在一起,構成智能傳感器系統。 此類智能傳感器系統實現方式方便快捷,熟悉自動化儀表與嵌入式系統設計的人都能入手。 目前國內外已有不少此類產品。 2.集成化方式 集成化方式是采用微型計算機技術和大規模集成電路工藝,把傳感元件、信號處理電路、微處理器集成在一個硅材料芯片上制成獨立的智能傳感器功能塊。 作為商品已有多種集成化智能傳感器,如單片智能壓力傳感器和智能溫度傳感器等。 3.混合集成方式 混合集成方式是將智能傳感器的傳感元件、信號處理電路、微處理器等各個部分以不同的組合方式分別集成在幾個芯片上。 然后封裝在同一個外殼里。 11.2.2 計算型智能傳感器基本結構 計算型智能傳感器通常表現為并行的多個基本傳感器(也可以是一個)與期望的數字信號處理硬件結合的傳感功能組件,如圖11-3所示。 期望的數字信號處理硬件安裝有專用程序,可以有效的改善測量質量,增加準確性,可以為傳感器加入智能傳感器的工作原理:智能傳感器  第2張

智能傳感器的工作原理:智能傳感器工作原理及應用

智能傳感器工作原理及應用
在家庭當中可以通過安裝各種傳感器,已達到舒適,安全,保護等功能。像在廚房里安裝有害氣體的傳感器,可以在有害氣體達到臨界狀態時,將信息傳送中央處理系統。
提示人們要緊急處理漏氣問題了,如果沒有人在家處理,可以通過中央處理系統將信息反映到處理部門,以防止慘劇的發生。 在房間放上溫度傳感器,溫度傳感器將室內的溫度情況發給處理器,處理器可以將信息反饋給空調以達到一個舒適穩定的溫度。
那些這些傳感器到底是如何工作的,它們的原理到又是什么,今天就給大家介紹一下。
溫度傳感器

溫度傳感器,利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為可用輸出信號。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分,品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類?,F代的溫度傳感器外形非常得小,這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中,也為我們的生活提供了無數的便利和功能。
雖然溫度傳感器的分類頗多,但是總的原理就是感應溫度的變化,使敏感元件(如:熱敏電阻、熱電偶等)的阻值發生變化,從而在電路中,使輸出的電壓發生變化)。接下來便以熱電偶傳感器為例,具體的介紹一下。
兩種不同成份的導體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路,當兩個接合點的溫度不同時,在回路中就會產生電動勢,這種現象稱為熱電效應,而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就 是利用這種原理進行溫度測量的,其中,直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端),另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。
水浸傳感器

水浸傳感器是基于液體導電原理,用電極探測是否有水存在,再用傳感器轉換成干接點輸出?;谝后w導電原理,用電極探測是否有水存在,再用傳感器轉換成干接點輸出,具有兩種輸出狀態:常開和常閉。
浸傳感器分為接觸式水浸探測器和非接觸式水浸探測器。
接觸式水浸探測器,利用液體導電原理進行檢測。正常時兩極探頭被空氣絕緣;在浸水狀態下探頭導通,傳感器輸出干接點信號。當探頭浸水高度約1毫米時,即產生告警信號。
非接觸式水浸探測器,利用光在不同介質截面的折射與反射原理進行檢測。塑料半球內放置有LED和光電接收器,當探測器置于空氣中時,因全反射,絕大部分LED光子被光電接收器接收;當靠近半球表面時,由于光的折射,光電接收器接收到的LED光子將會減少,從而輸出也發生改變。適合于部署在一般腐蝕導電液體泄露地點。
氣敏傳感器

氣敏傳感器可用來測量氣體的類型、濃度和成分,能把氣體中的特定成分檢測出來,并將成分參量轉換成電信號的器件或裝置。也稱氣體傳感器。主要包括半導體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等,其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。
具體原理為,聲波器件表面的波速和頻率會隨外界環境的變化而發生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜,當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用(化學作用或生物作用,或者是物理吸附),( 電工之家)使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發生變化時,引起壓電晶體的聲表面波頻率發生漂移;氣體濃度不同,膜層質量和導電率變化程度亦不同,即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以獲得準確的反應氣體濃度的變化值。
氣敏元件的參數主要有加熱電壓、電流,測量回路電壓,靈敏度,響應時間,恢復時間,標定氣體(0.1%丁烷氣體)中電壓,負載電阻值等。
門磁傳感器

門磁系統,作為智能家居安防部分的第一道防線,其重要性不言而喻。門磁傳感器作為門磁系統中的基礎,其技術原理主要是:
無線門磁傳感器由無線發射模塊和磁塊兩部份組成,在無線發射模塊有兩個箭頭處有一個“鋼簧管”的元器件,當磁體與鋼簧管的距離保持在1.5厘米內時,鋼簧管處于斷開狀態,一旦磁體與鋼簧管分離的距離超過1.5厘米時,鋼簧管就會閉合,造成短路,報警指示燈亮的同時向主機發射報警信號。
無線門磁的無線報警信號在開闊地能傳輸200米,在一般住宅中能傳輸20米,和周圍的環境密切相關。無線門磁一般采用省電設計,當門關閉時它不發射無線電信號,此時耗電只有幾個微安,當門被打開的瞬間,立即發射1秒左右的無線報警信號,然后自行停止,這時就算門一直打開也不會再發射信號了。
無線門磁還設計有電池低電壓檢測電路,當電池的電壓低于8伏時,下方的LP發光二極管就會點亮,這時需要立即更換A23報警器專用電池,否則會影響報警的可靠性。
紅外傳感器

紅外線感應器是通過紅外線反射原理,當人體的某一部分在紅外線區域內,紅外線發射管發出的紅外線由于人體摭擋反射到紅外線接收管,通過集成線路將信號發送給脈沖電磁閥,電磁閥接受信號后按指定的指令控制閥芯。
紅外線傳感器包括光學系統、檢測元件和轉換電路三大部分。光學系統按結構不同可分為透射式和反射式。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏檢測元件中最常見的就是熱敏電阻,熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高,電阻發生變化,通過轉換電路變成電信號輸出。
聲音傳感器

聲音傳感器的原理很簡單,主要使用的是與人類耳朵相似具有頻率反應的電麥克風。電路把信號放大并把信號傳送給電訊接口。
實際上,信號通過2條不同的線送達數據采集器。聲音傳感器內置一個對聲音敏感的電容式駐極體話筒。聲波使話筒內的駐極體薄膜振動,導致電容的變化,而產生與之對應變化的微小電壓。這一電壓隨后被轉化成0-5V的電壓,經過A/D轉換被數據采集器接受,并傳送給計算機。
總的來說,聲音傳感器的作用相當于一個話筒。它用來接收聲波,顯示聲音的振動圖象。但不能對噪聲的強度進行測量。
智能傳感器的工作原理:智能傳感器  第3張

智能傳感器的工作原理:檢測原理:

1.智能傳感器簡介

1.1智能傳感器的概念

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。IEEE協會將能提供受控量或待感知量大小且能典型簡化其應用于網絡環境的集成的傳感器稱為智能傳感器?!冬F代新型傳感器原理與應用》一書中認為智能傳感器是帶微處理機的,兼有信息檢測、信息記憶以及邏輯思維與判斷功能的傳感器。

智能傳感器是正在高速發展的高新技術,至今還未形成統一的規范化的定義,人們普遍認為智能傳感器是具有對外界環境等信息進行自動收集、數據處理以及自診斷與自適應能力的傳感器。

1.2智能傳感器的功能

(1)自補償與自診斷功能:通過微處理器中的診斷算法能夠檢驗傳感器的輸出,并能夠直接呈現診斷信息,使傳感器具有自診斷的功能。

(2)信息存儲與記憶功能:利用自帶空間對歷史數據和各種必需的參數等的數據存儲,極大地提升了控制器的性能。

(3)自學習與自適應功能:通過內嵌的具有高級編程功能的微處理器可以實現自學習功能,同時在工作過程中,智能傳感器還能根據一定的行為準則重構結構和參數,具有自適應的功能。

(4)數字輸出功能:智能傳感器內部集成了模數轉換電路,能夠直接輸出數字信號,緩解了控制器的信號處理壓力。

2.智能傳感器應用領域及其發展現狀

2.1土木工程

我國作為重大的土木工程和基礎設施大國,橋梁、水壩、核電站、供水供電系統工程等使用年限長達幾十年,由于腐蝕作用、材料老化等環境和自身因素,不可避免的造成工程損傷和災害抵抗力下降等問題,因此智能傳感器在土木工程領域的作用就顯得尤為重要。

哈爾濱工業大學的周智、歐進萍等人分析了光纖光柵溫度傳感特性及其應變傳感的溫度補償原理和方法,開發了一種滿足工程應用的光纖光柵封裝傳感器,建立了包括傳感器、光開關、數據采集和控制軟件在內的大規模、分布式的光纖光柵智能監測系統,并將其成功的運用到橋梁的實際施工中,將溫度傳感器與建筑材料復合,用于橋梁的局部健康監測總并取得了良好的效果。

2.2醫學

在生物醫學領域中,傳感器作為核心部件被應用到了眾多的檢測儀器中,關乎到人體健康往往對醫用傳感器有更高要求,不僅對其精確度、可靠性、抗干擾性,同時在傳感器的體積、重量等外部特性上也有其特殊的要求,因此傳感器在醫學中的應用在一定程度上反映了傳感器的發展水平。

隨著可穿戴式、可植入式微型智能傳感器逐漸面世,醫學檢測儀器的發展有了里程碑式的飛躍。中山大學馮巍、陳仲本等人研究了一種人體實時監控系統,該系統利用多個微型智能傳感器通過基于藍牙技術的無線網絡實現人體健康數據獲取、處理及通信等任務,主服務器對數據進行分析計算后反饋給各個節點,實時監控被監測對象以避免突發性疾病,這種可穿戴式的智能傳感器也可以在運用于類似于足球比賽等高強度的體育比賽或運動員的高強度訓練中。

2.3汽車及交通

交通發展的逐漸走向體系化、規范化、智能化管理,在城市內建立完整的智能交通系統,利用智能信息搜集與處理、數據通信等技術實現人、車和路信息的多元統一,進一步智能調控交通運行系統,利用道路傳感網絡獲取當前交通系統中基礎設施、各類車輛以及人群移動的狀態等數據,使交通系統實現智能檢測與控制成為可能。

目前在汽車安全行駛系統、車身系統、智能交通系統等領域已經實現了智能傳感器的規?;a,隨著智能傳感器的不斷更新改良,其在汽車領域的應用已經比較廣泛。輪胎壓力監測系統(TPMS)是一種監測汽車輪胎壓力和溫度的智能監測系統,監視器收集各個輪胎的溫度和壓力數據,并根據輪胎溫度和壓力數據的異常情況發出不同的報警信號提醒駕駛者采取一定的措施,對防止重大交通事故發揮積極作用。溫州大學的雷鵬飛、沈華東等人對紅外傳感器在智能車避障系統的應用進行了研究與設計,避障傳感器放射的紅外線在一定范圍內遇到障礙物會被反射,傳感器檢測到紅外線反射回的信號并發送給單片機,單片機通過輸入內部的算法對車輛輪胎的方向、距離進行智能協調,從而完成躲避障礙物動作。同時獨輪式平衡車作為新興的個人交通工具也是利用內置傳感器收集用戶的姿勢信息控制平衡車的前進方向與速度,成為傳感器在交通領域的一大創新。

2.4軍事與國防

軍事力量是衡量一國國防實力和綜合實力的關鍵指標,對于國防建設具有重要的作用。作為軍事力量的重要組成部分,武器系統的性能決定了軍事隊伍作戰的成敗,在武器系統中引入智能傳感器不僅能夠實時監測戰場形勢變化從而及時調整偵察和作戰計劃,而且可以通過應用各類微小傳感裝置實現隱蔽性監視,為摧毀敵人目標點和攻擊武裝力量奠定技術和環境基礎。美國海軍陸戰隊的地面偵查機器人在機身上裝有具備俯仰角度和側傾角的智能傳感器,這種裝備主要用于實現潛水偵察,另外還在機身上裝有基于衛星導航的智能傳感器用于準確模擬戰場及其周邊地形,從而實現水陸兩棲作戰的完美配合。

2.5家電

鄭志輝等人研究了紅外傳感器在智能云空調上的應用,將紅外熱成像技術引入智能空調應用開發,實現智能送風和智能啟停功能,根據室內溫度與用戶體感溫度的差異選擇是否開啟空調,以及選擇送風方式及相應的調節參數,該應用搭配志高云平臺實現智能防火功能,智能檢測、報警,用戶可通過APP了解現場情況。

2.6電子裝備

智能手環是最常見的一種可穿戴式的電子設備,能夠通過微型貼身傳感器實時監測并記錄用戶的飲食、睡眠、健身等數據,同時將這些數據同步到智能手機、平板等電子設備上,用數據指導健康生活。桂林電子科技大學的李易陸、陳洪波等人設計了一種基于MEMS數據輸出加速度傳感器與超低功耗單片機的智能記步手環,該手環利用傳感器隨時隨地記錄運動者的步行量、卡路里消耗等信息,通過藍牙方式傳輸到手機,實現了計步功能的良好適應,也提高了智能手環的可靠性運行。Helios設計了一款配備了UV紫外線傳感器的智能戒指,用戶只需在Helios應用上反饋著裝、防曬等的涂抹情況,智能戒指就可以根據當天的紫外線按強度提供準確的結果幫助用戶確定日光浴時長等。

2.7農業

智慧農業是現代農業發展的高級階段,涉及到應用傳感和測量技術、自動控制技術、計算機與通信技術等智能信息技術,依托安置在農產品種植區的各個傳感器節點和通信網絡,實施監測農業生產的田間智慧種植數據,實現可視化管理、智能預警等,因此傳感器技術是現代農業發展的一項關鍵技術。

中國農業大學的承洋洋、王庫、劉超等人設計開發了一種農業環境智能監控系統,通過分布式的傳感器節點構建ZigBee無線傳感網絡,采集和傳輸空氣溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度和光照強度等信息,并將這些信息與攝像頭收集的圖像數據匯集到一起,通過無線電臺傳輸到遠程服務器上,遠程監控農業生產中的環境問題,實現農業生產管理的智能化與高效率。

2.8海洋探測

開發海洋資源的前提是海洋信息的實時收集與檢測,隨著物聯網技術在海洋環境領域的廣泛應用,為實現海洋環境實時監測、海洋信息實時采集,海洋信息智能采集成為保證海洋環境監測的基礎。楊秀芳等人設計開發了基于無線傳感器的信息采集系統,通過構建無線傳感器網絡,實時提供海洋環境數據,充分利用ZigBee網絡優勢,通過智能激活傳感器節點所形成的最佳時間間隔減少網絡成型時間,降低功耗和復雜度的同時延長無線傳感器網絡的生存時間,保證傳感器能夠長時間對海洋環境進行實時監測以及海洋信息的實時采集,對未來海洋環境保護和資源開發具有一定的價值。

2.9航空航天

NASA為檢測制造航天飛機的材料是否達到使用壽命,需要經常檢測運載火箭的艙內設施以及各個關鍵部件結構的的健康狀況,因此美國斯坦福大學開發了一項斯坦福多致動器接收轉換(SMART)層專利技術,艙身各部分安裝傳感器接收器,在接收到中央傳感器發射的電磁波,將其轉換為實時數據并傳輸到計算機中,計算機利用自身的一套算法處理該數據并實現信息反饋,提供了一種結構健康監測的實現方法。

3.展望

3.1MEMS傳感器

MEMS傳感器是利用MEMS技術制備的新一代傳感器件。MEMS是一個獨立的智能微小系統,其系統尺寸在幾毫米乃至更小,其內部結構一般在微米甚至納米量級,可大批量生產,常見的產品包括MEMS氣體傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS光學傳感器、MEMS加速度計、MEMS麥克風及MEMS陀螺儀等以及它們的集成產品。

3.2仿生傳感器

仿生傳感器是將生物物質作為識別標識與待測物質發生生物學反應,產生的信息將會轉化成物理、化學信號并輸出的裝置。仿生傳感器運用于農業生產能夠快速地對農產品品質、土壤污染情況進行檢測,是目前研究和應用最廣泛的智能傳感器。

3.3電化學傳感器

電化學傳感器能夠對諸如pH值、離子活度的等土壤數據進行直接測量,是農業領域中的一個新的重要應用。中國科學院上海應用物理研究所在2014年研究發布了一種基于氣泡介導的電化學生物傳感器,單一反應實現免疫分析的問題得到解決,并且能夠快速準確地檢測多種疾病的標志物,該傳感器有望為現場生化檢測提供新的手段。

4.小結

智能傳感器是物聯網發展的最重要的技術之一,在為傳統行業注入新鮮血液的同時也引領了傳感器產業的潮流,在醫學、工業、海洋、航天、軍事、農業等領域均發揮著核心作用,隨著智能傳感器技術的發展,新一代智能傳感器將結合人工神經網絡、人工智能等技術不斷完善其功能,具有十分可觀的發展前景。

人工智能、大數據、云計算和物聯網的未來發展值得重視,均為前沿產業,多智時代專注于人工智能和大數據的入門和科譜,在此為你推薦幾篇優質好文:
1.智能化成為傳感器行業發展主要方向
2.智能傳感器的新技術,應用場景、行業標準及產業鏈發展情況
3.什么是智能傳感器,智能傳感器在物聯網領域,面臨哪些挑戰?
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