1 智能传感器的定义
传感器(sensor)一词来自拉丁语sentire,意思是觉察、领悟。其作用是对于诸如热、光、力、声、运动等物理或化学的刺激做出反应,感受被测刺激后定量地将其转化为电信号,信号调理电路对该信号进行放大、调制等处理,再由变送器转化成适于记录和显示的形式输出。
智能传感器(smart sensor)指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器。相对于仅提供表征待测物理量的模拟电压信号的传统传感器,智能传感器充分利用集成技术和微处理器技术,集感知、信息处理、通信于一体,能提供以数字量方式传播的具有一定知识级别的信息。智能传感器可分两大部分:基本传感器和信息处理单元。基本传感器是构成智能传感器的基础,其性能很大程度上决定着智能传感器的性能,由于微机械加工工艺的逐步成熟以及微处理器的补偿作用,基本传感器的某些缺陷(如:输入输出的非线性)得到较大程度的改善;信息处理单元以微处理器为核心,接受基本传感器的输出,并对该输出信号进行处理,如标度变换、线性化补偿、数字调零、数字滤波等,处理工作大部分由软件完成。智能传感器的两大部分可以集成在一起设置成为一个整体,封装在一个表壳内;也可分开设置,以利用电子元器件和微处理器的保护,尤其在测试环境较恶劣时更应该分开设置。
在当前智能时代的推动下,传感器的重要性更加凸显,不仅在《中国制造2025》、《德国2020高技术战略》及欧盟、美国、韩国、新加坡等推进的智慧城市等战略方面发挥着重要的支撑作用,而且也在物联网、虚拟现实(VR)、机器人、智能家居、自动驾驶汽车等产业发展中发挥着关键作用。高性能、高可靠性的多功能复杂自动、测控系统以及基于射频识别技术的物联网的兴起与发展,愈发凸显了具有感知、认知能力的智能传感器的重要性及其大力、快速发展的迫切性。随着与CMOS兼容的MEMS技术的发展,微型智能传感器的发展得到了有力的技术支撑,智能传感器产业面临着一个非常重要的历史发展契机。
2 智能传感器的结构
最初的智能传感器设计主要集中在输出端数字处理上,旨在获得高精度的温度补偿和校正。后来的设计包括增强数字特性(如远距离通讯和可寻址能力)等,但研制工作还未涉及到制造过程所用的测试系统接口,这种接口可实现传感器的批量生产,从而大大降低传感器成本。