什么是接近傳感器，傳感器的結(jié)構(gòu)組成

　　接近傳感器是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)意義上的傳感器輸出的多是模擬量信號(hào)，本身不具備信號(hào)處理和組網(wǎng)功能，需連接到特定測(cè)量?jī)x表才能完成信號(hào)的處理和傳輸功能。智能傳感器能在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的加工處理，并且可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以及根據(jù)實(shí)際的需要通過(guò)軟件控制改變傳感器的工作，從而實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。由于使用標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)接口，接近傳感器具有良好的開(kāi)放性、擴(kuò)展性，給系統(tǒng)的擴(kuò)充帶來(lái)了很大的發(fā)展空間。

　　接近傳感器概念最早由美國(guó)宇航局在研發(fā)宇宙飛船過(guò)程中提出來(lái),并于1979年形成產(chǎn)品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面或飛船上的處理器發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息,即便使用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)也很難同時(shí)處理如此龐大的數(shù)據(jù)。何況飛船又限制計(jì)算機(jī)體積和重量,因此希望傳感器本身具有信息處理功能，于是將傳感器與微處理器結(jié)合，就出現(xiàn)了智能傳感器。

　　智能傳感器是一種能夠?qū)Ρ粶y(cè)對(duì)象的某一信息具有感受、檢出的功能；能學(xué)習(xí)、推理判斷處理信號(hào)；并具有通信及管理功能的一類(lèi)新型傳感器。智能傳感器有自動(dòng)校零、標(biāo)定、補(bǔ)償、采集數(shù)據(jù)等能力。其能力決定了智能化傳感器還具有較高的精度和分辨率，較高的穩(wěn)定性及可靠性，較好的適應(yīng)性，相比于傳統(tǒng)傳感器還具有非常高的性?xún)r(jià)比。

　　接近傳感器是將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心，把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微電子計(jì)算機(jī)存貯器及接口電路集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測(cè)量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高，使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式，使用方便、操作簡(jiǎn)單，并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測(cè)量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。

　　接近傳感器大體上可以分三種類(lèi)型：即具有判斷能力的傳感器；具有學(xué)習(xí)能力的傳感器；具有創(chuàng)造能力的傳感器。

　　接近傳感器的結(jié)構(gòu)組成

　　接近傳感器系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成，如圖所示。傳感器將被測(cè)的物理量、化學(xué)量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)制電路中，經(jīng)過(guò)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送達(dá)微處理器。微處理器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析處理后，一方面通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制；另一方面將處理的結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)接口電路處理后按輸出格式、界面定制輸出數(shù)字化的測(cè)量結(jié)果。微處理器是智能傳感器的核心，由于微處理器充分發(fā)揮各種軟件的功能，使傳感器智能化，大大提高了傳感器的性能。

　　接近傳感器的特點(diǎn)

　　接近傳感器智能傳感器可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定、非線(xiàn)性等系統(tǒng)誤差的校正，實(shí)時(shí)采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，消除偶然誤差影響，保證智能傳感器的高精度。

　　接近傳感器智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化而引起的系統(tǒng)特性的漂移，如環(huán)境溫度、系統(tǒng)供電電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度的漂移;在被測(cè)參數(shù)變化后能自動(dòng)變換量程，實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)自我檢驗(yàn)、分析、判斷所采集數(shù)據(jù)的合理性，并自動(dòng)進(jìn)行異常情況的應(yīng)急處理。

　　高信噪比與高分辨力

　　由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過(guò)數(shù)字濾波等相關(guān)分析處理，可去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，自動(dòng)提取有用數(shù)據(jù);通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響。

　　接近傳感器智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況、與高/上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，使系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)并優(yōu)化傳輸效率。

　　接近傳感器具有的高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣通過(guò)追求傳感器本身的完善、對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試、進(jìn)行“手工藝品"式的精雕細(xì)琢來(lái)獲得的，而是通過(guò)與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以具有較高的性能價(jià)格比。

　　接近傳感器的功能是通過(guò)模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來(lái)的。是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能單元，它的出現(xiàn)對(duì)原來(lái)硬件性能的苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助來(lái)使傳感器的性能大幅度提高。

　　智能傳感器通?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：

　　1、復(fù)合敏感功能

　　我們觀察周?chē)淖匀滑F(xiàn)象，常見(jiàn)的信號(hào)有聲、光、電、熱、力和化學(xué)等。敏感元件測(cè)量一般通過(guò)兩種方式：直接和間接的測(cè)量。而智能傳感器具有復(fù)合功能，能夠同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。如美國(guó)加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時(shí)測(cè)量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國(guó)EG&GIC Sensors公司研制的復(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測(cè)量物體某一點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度、速度、位移等。

　　2、自適應(yīng)功能

　　智能傳感器可在條件變化的情況下,在一定范圍內(nèi)使自己的特性自動(dòng)適應(yīng)這種變化。通過(guò)采用自適應(yīng)技術(shù),由于它能補(bǔ)償老化部件引起的參數(shù)漂移,所以自適應(yīng)技術(shù)可延長(zhǎng)器件或裝置的壽命。同時(shí)也擴(kuò)大其工作領(lǐng)域,因?yàn)樗茏詣?dòng)適應(yīng)不同的環(huán)境條件。自適應(yīng)技術(shù)提高了傳感器的重復(fù)性和準(zhǔn)確度。因?yàn)槠湫Ｕ脱a(bǔ)償數(shù)值已不再是一個(gè)平均值,而是測(cè)量點(diǎn)的修正值。

　　3、自檢、自校、自診斷功能

　　普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證它在正常使用時(shí)足夠的準(zhǔn)確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸送到實(shí)驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門(mén)進(jìn)行,對(duì)于在線(xiàn)測(cè)量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時(shí)診斷。采用智能傳感器時(shí)，情況則大有改觀。首先是，自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢，診斷測(cè)試以確定組件有。其次，根據(jù)使用時(shí)間可以在線(xiàn)進(jìn)行校正，微處理器利用存在 E2PROM內(nèi)的計(jì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校對(duì)。

　　4、信息存儲(chǔ)功能

　　信息往往是成功的關(guān)鍵.智能傳感器可以存儲(chǔ)大量的信息，用戶(hù)可隨時(shí)查詢(xún)。這些信息可包括裝置的歷史信息。例如，傳感器已工作多少小時(shí)，更換多少次電源等等。也包括傳感器的全部數(shù)據(jù)和圖表，還包括組態(tài)選擇說(shuō)明等。此外還包括串行數(shù)、生產(chǎn)日期、目錄表和最終出廠測(cè)試結(jié)果等。內(nèi)容可以無(wú)限，只受智能傳感器本身存儲(chǔ)容量的限制。智能傳感器除了增加過(guò)程數(shù)據(jù)處理、自診斷、組態(tài)和信息存儲(chǔ)四個(gè)方面的功能外，還提供了數(shù)字通訊能力和自適應(yīng)能力。

　　5、數(shù)據(jù)處理功能

　　過(guò)程數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，智能傳感器本身提供了該功能。智能傳感器不但能放大信號(hào)，而且能使信號(hào)數(shù)字化，再用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)節(jié)。通常，基本的傳感器不能給出線(xiàn)性信號(hào)，而過(guò)程控制卻把線(xiàn)性度作為重要的追求目標(biāo)。智能傳感器通過(guò)查表方式可使非線(xiàn)性信號(hào)線(xiàn)性化。當(dāng)然對(duì)每個(gè)傳感器要單獨(dú)編制這種數(shù)據(jù)表。智能傳感器過(guò)程數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)例子是通過(guò)數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波，從而可減少噪聲或其它相關(guān)效應(yīng)的干擾。而且用軟件研制復(fù)雜的濾波器要比用分立電子電路容易得多。環(huán)境因素補(bǔ)償也是數(shù)據(jù)處理的一項(xiàng)重要任務(wù)。微控制器能幫助提高信號(hào)檢測(cè)的精確度。例如，通過(guò)測(cè)量基本檢測(cè)元件的溫度可獲得正確的溫度補(bǔ)償系數(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的溫度補(bǔ)償。用軟件也能實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性補(bǔ)償和其它更復(fù)雜的補(bǔ)償。這是因?yàn)椴樵?xún)表幾乎能產(chǎn)生任意形狀的曲線(xiàn)。有時(shí)必須測(cè)量和處理幾個(gè)不同的物理量，這樣將給出各自的數(shù)據(jù)。智能傳感器的徽控制器使用戶(hù)很容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的加、減、乘、除運(yùn)算。在過(guò)程數(shù)據(jù)處理方面，智能傳感器可以大顯身手。

　　此外，它把這些操作從中心控制室下放到接近信號(hào)產(chǎn)生點(diǎn)也是大有好處的。其一是因?yàn)榘迅郊有盘?hào)發(fā)送到控制室花費(fèi)很大，而用智能傳感器就省去了附加傳感器和引線(xiàn)的成本。其二是由于附加信息是在信息的應(yīng)用點(diǎn)檢測(cè)到的，這樣就大大降低了長(zhǎng)距離傳輸引入的負(fù)效應(yīng)(如噪聲、電位差等)，從而使信號(hào)更準(zhǔn)確。其三是可以簡(jiǎn)化主控制器中的軟件，提高控制環(huán)的速度。

　　6、接近傳感器的另一個(gè)主要特性是組態(tài)功能。信號(hào)應(yīng)該放大多少倍?溫度傳感器是以攝氏度還是華氏度輸出溫度?對(duì)于智能傳感器用戶(hù)可隨意選擇需要的組態(tài)。例如，檢測(cè)范圍，可編程通/斷延時(shí)，選組計(jì)數(shù)器，常開(kāi)/常閉，8/12位分辨率選擇等。這只不過(guò)是當(dāng)今智能傳感器無(wú)數(shù)組態(tài)中的幾種。靈活的組態(tài)功能大大減少了用戶(hù)需要研制和更換的不同傳感器類(lèi)型和數(shù)目。利用智能傳感器的組態(tài)功能可使同一類(lèi)型的傳感器工作在最佳狀態(tài)，并且能在不同場(chǎng)合從事不同的工作。

　　7、接近傳感器如上所述，由于智能傳感器能產(chǎn)生大量信息和數(shù)據(jù)，所以用普通傳感器的單一連線(xiàn)無(wú)法對(duì)裝置的數(shù)據(jù)提供必要的輸入輸出。但也不能對(duì)應(yīng)每個(gè)信息各用一根引線(xiàn).因?yàn)檫@樣會(huì)使系統(tǒng)非常龐雜。因此它需要一種靈活的串行通訊系統(tǒng)。在過(guò)程工業(yè)中，通?？吹降氖屈c(diǎn)與點(diǎn)串接以及串聯(lián)網(wǎng)絡(luò).如今的大趨勢(shì)是朝串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。因?yàn)橹悄軅鞲衅鞅旧韼в形⒖刂破?，所以它自屬于?shù)字式的，因此自然能配置與外部連接的數(shù)字串行通訊。因?yàn)榇芯W(wǎng)絡(luò)抗環(huán)境影響(如電磁干擾)的能力比普通模擬信號(hào)強(qiáng)得多。把串行通訊配接到裝置上，可以有效地管理信息的傳輸，使數(shù)據(jù)只在需要時(shí)才輸出。

　　接近傳感器的實(shí)現(xiàn)是沿著傳感器技術(shù)發(fā)展的三條途徑進(jìn)行：a、利用計(jì)算機(jī)合成，即智能合成；b、利用特殊功能材料，即智能材料；c、利用功能化幾何結(jié)構(gòu)，即智能結(jié)構(gòu)。智能合成表現(xiàn)為傳感器裝置與微處理器的結(jié)合，這是目前的主要途徑。

　　按傳感器與計(jì)算機(jī)的合成方式，目前的傳感技術(shù)沿用以下三種具體方式實(shí)現(xiàn)智能傳感器。