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信号检测中的新型传感器

关键词:微弱信号检测 新型传感器 微传感器 智能传感器 网络化传感器

时间:2008-08-20 14:02:00      来源:

本文在介绍智能传感器、微传感器、多功能传感器和多参数传感器等倍受关注的新型传感器原理的基础上,结合国内外最新动态,研究了新型传感器在信号检测中的应用,指出在信号检测中存在的问题,给出了未来新型传感器的发展趋势。

一、前言
    
传感器技术已发展成为一门新兴的交叉科学。新型传感器与传统传感器相比,其内涵拓宽了许多。信息量的不断增大、信息种类的不断增加、信息传输速度的不断提高,微弱信号的精确提取和处理,二维或三维图像信号的获取等都对传感器在信号检测方面的应用提出了更新、更严格的要求。许多新型传感器应运而生,例如:网络化传感器、多功能传感器、多参数传感器、智能传感器、固态图像传感器、紫外荧光传感器、生物传感器、机器人传感器、非晶态合金传感器、微波传感器、超导传感器、液晶传感器、射线式传感器等,在信号检测领域发挥着不可替代的作用。21世纪的传感器必将朝着微型化、智能化和多功能化的方向前进。  

二、智能传感器与信号检测
    
自八十年代产生以来,智能传感器一直是检测领域的热点,现在在分布式实时检测、网络检测以及多信号检测方面大显身手。而光纤材料的实用化,由于其时分复用、分布传感、耐高温、耐腐蚀等特点,光纤与智能传感器的结合使智能检测系统的性能大大提高。
    
所谓智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器,它不仅具有传统传感器的所有功能,而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯等许多功能。它的产生是微型计算机和传感器相结合的结果。
    
从组成上看,智能传感器由主传感器、辅助传感器和微机硬件系统三部分构成,以智能压力传感器为例,主传感器是压力传感器,测量被测压力参数,辅助传感器是温度传感器和环境压力传感器。温度传感器检测主传感器工作时,由于环境温度变化或被测介质温度变化而使其压力敏感元件温度变化,以便根据其温度变化修正与补偿由于温度变化对测量带来的误差。环境压力传感器则测量工作环境大气压变化,以修正其影响。微机硬件系统对传感器输出的微弱信号进行放大、处理、存储和与计算机通信。
    
通常,一个传统的检测器件只能检测一个物理量,其信号调节是由若干与主检测单元连接的模拟电子电路实现的;而一个智能传感器就能实现同样所有这些功能,并且更加小巧、低成本和高性能。与传统的传感器相比,智能传感器具有以下优点:
    
(1)有逻辑思维与判断、信息处理功能,可对检测数值进行分析、修正和误差补偿。智能传感器可通过查表方式使非线性信号线性化可容易地通过用软件研制的滤波器对数字信号滤波,还能用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境因素补偿,因而提高了测量准确度;
    
(2)有自诊断、自校准功能,提高了可靠性。智能传感器可以检测工作环境,并当环境条件接近临界极限时能给出报警信号,还能通过分析器输入信号状态给出诊断信息。当智能传感器因内部故障不能正常工作时,通过内部测试环节,可检测出不正常现象或部分故障;
    
(3)可实现多传感器多参数复合测量,扩大了检测与适用范围。微处理器使智能传感器很容易实现多个信号的运算,其组态功能可使同一类型的传感器工作在最佳状态,并能在不同场合从事不同的工作;
    
(4)检测数据可以存取,使用方便。智能传感器可以存储大量的信息供查询,包括装置的历史信息、目录表、测试结果等;
    
(5)有数字通信接口,能与计算机直接联机,相互交换信息,便于信息管理,如可以对检测系统进行遥控以及跟定测量工作方式,也可将测量数据传送给远方用户等。  

三、多功能传感器与信号检测
    
传统的单一传感器只能测量一个物理量,而在许多领域为了全面准确地反映对象及环境,常需要同时测量多个物理量。多功能传感器由数种敏感元件组成,不但体积小,而且功能强。根据一个敏感元件的不同物理或化学效应及其不同的特性,可以实现传感器的多种功能。随着传感器和微加工技术的发展,人们可以在同一材料或硅片上制作几种敏感元件,制成集成化多功能传感器。多功能传感器主要有以下几种不同的实现原理及结构形式:
    
(1)几种不同的敏感元件组合在一起形成一个传感器,可以同时测量几个参数。各敏感元件是独立的。例如把测温度和测湿度敏感元件组合在一起,可以同时测量温度和湿度;
    
(2)几种不同的敏感元件制作在同一个硅片上,制成集成化多功能传感器。这种传感器的集成度高、体积小。由于集成在一个芯片上,各个敏感元件的工作条件相同,容易实现补偿和校正,这是多功能传感器的发展方向;
    
(3)利用同一个敏感元件的不同效应,得到不同的信息。如用线圈作为敏感元件,在具有不同磁导率或介质常数物质的作用下,表现出不同的电容和电感;
    
(4)同一个敏感元件在不同激励下表现出不同特性,例如传感器施加不同的激励电压、电流,或工作在不同的温度下,其特性不同,有时可相当于几个不同的传感器。有的多功能传感器检测出的几个信息混在一起,需要用信号处理的方法将各种信息进行分离。
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