近几年来,随着智能传感器的发展,智能温度传感器也从传统的模拟式向数字化、智能化的方向发展。在智能温度传感器中,软件和硬件的合理配合既可以增强传感器的功能、提高传感器的精度,又可以使温度传感器的结构简单和紧凑,使用方便。将智能温度传感器的软件和硬件相结合就是将温度传感器与各种微处理器结合,连接到网络中,通过智能理论(人工智能技术、神经网技术、模糊技术等)对采样数据进行处理,形成带有信号处理、温度控制、逻辑功能等一系列功能的智能温度传感器。
一、智能传感器的概述
智能传感器是一门涉及多种学科的综合技术。早期,很多人认为智能传感器是在工艺上将“传感器与微处理器组装在同一个芯片上的装置”,或者认为智能传感器是用IC技术将“一个或者多个敏感元件和信号处理器集成在同一块硅芯片上的装置”。随着以传感器系统发展为特征的智能传感器技术的出现,人们逐渐发现上述对智能传感器的认识并非总是,而且是不的。对智能传感器而言,重要的是将传感器与微处理器如何智能的结合,若没有赋予足够的智能的结合,只能说是“传感器微型化”,或者是智能传感器的低级阶段,还不能说是“智能传感器”。一个意义上的智能传感器具备如下六个功能:
(1)具有自校准、自标定和自动补偿功能;(2)具有自动采集数据、逻辑判断和数据处理功能;(3)具有自调整、自适应的功能;(4)具有程度的存储、识别和信息处理功能;(5)具有双向通信、标准数字化输出或者符号输出功能;(6)具有算法判断、决策处理的功能。
由于智能传感器具备上述六大功能,它则具有如下特点:
(1)和高分辨力:由于智能传感器具备自校准、自标定和自动补偿的功能,这些功能大部分由软件形式来完成,因此,它具备了和高分辨力这一特点。对零位的自校准能系统的零点漂移;自标定可以通过大量数据的统计处理偶然误差的影响;自动切换量程、软件数字滤波和相关分析等处理可以测量的高分辨、自动补偿非线性的误差,从而了智能传感器的和高分辨力的特点。
(2)高稳定性和高性:智能传感器的自动补偿能力除了该传感器的特点外,还能够自动补偿因工作条件或者环境参数发生变化而引起的智能传感器特性漂移。智能传感器的适时自我检验、分析、诊断和校正能力,使系统在异常情况下也能、稳定地工作。例如,美国Atemel公司推出的FCD4814、AT77C101B型单片硅晶体指纹传感器集成电路,抗磨损性强,在指纹传感器的表面有专门的保护层,手指接触磨损的次数可超过百万次。
(3)强自适应性:由于智能传感器具有判断、分析和处理能力,它能根据系统工作情况决定各部件的供电情况、与系统中的上位机之间的数据传输速率,从而使系统以最适当的数据传送速率工作在低功率状态。
(4)价格比:智能传感器采用廉的集成电路工艺和芯片,使硬件开销减少,并具有软件功能,其性能价格比远高于传统传感器。
由此可见,智能传感器的设计是传感器传统设计中的一处改革,是传感器发展的主要方向。
二、智能传感器的发展
(1)传感器信号数字化
在设计带有传感器的系统时,首先会建立传感器对被测物理量的响应的数学模型,以及信号调理电路对传感器输出信号的期望响应的数学模型,然后用电路实现这些数学模型。尽管这些模型都很好,但是这些模型与实际电路的响应有偏差,这是因为数字不会随时间而改变。正是这个原因,如今的设计中包含模-数转换电路,它负责将模拟信号转换为数字量,那么就能通过微处理器中运行的软件来完成信息处理。模-数转换器其实就是一枚单片的半导体器件,它能够准确地、稳定地工作于变化的环境中,大多数的环境补偿电路都可以集成到ADC器件中,减少了系统的器件总数,无论从系统性能还是商业前景的角度来看,都是大有益处的。
(2)增加智能化
传感器信号被数字化之后,主要有两种途径来对这些数据进行处理,从而实现算法定义的功能。种是采用的数字硬件电路,通件连线实现我们设计的算法;另一种则是采用微处理器完成。一般来说,硬件比微处理器系统的速度,但是其成本较高并且缺乏灵活性。当不需要硬件那么高的运算速度时,由于微处理器适用的场合,因此具有的设计灵活性,设计成本。
系统具有了智能的特点,就可以解决自动完成标定,通过纯数学的处理算法器件漂移,甚至还能通过定期监控环境条件自动进行适当的调整来补偿环境变化。可见,只要赋予系统一个“大脑”,就能实现许多人们想实现的功能。
(3)实现而的通信
实现传感器数据共享,就可以很容易地扩大那些需要共享传感器输出信号的系统的规模。由于传感器定的输出信号是数字的,因此能够地实现共享。就像在人类的世界中共享信息后会使信息量增大一样,与本系统或者其它系统中的某个部件共享传感器测量值后也会使系统的总测量值变多。为了实现传感器数据共享的目标,装备带有标准通信接口的智能传感器,使它们能与其他部件交换信息。通过标准通信方式,尽可能广泛、简便和地共享传感器输出信号,从而限度地发挥传感器及其产生信息的作用。
(4)智能传感器的生成
如今,智能传感器就是把上述的三个特点结合在一起,即:含有用于测量的一个或者多个敏感元件;具有用于分析敏感元件所测结果的运算元件;与外界相连的通信接口,它使传感器能在一个的系统中与其他部件交换信息。其中后面两点是智能传感器与常规传感器的主要区别,智能传感器具有将数据直接转变为信息的能力,能在本地使用信息,还能将信息传输至系统中的其他部件,这些都是常规的传感器无法做到的。