什么是数字传感器 数字传感器的结构特征及工作原理详解

数字传感器的结构特征及工作原理详解

数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量(或数字编码)的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU）、存储器、通讯接口、温度测试电路等，在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。

在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。尤其是MEMS（微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低。以纳米碳管或其它纳米材料制成的纳米传感器同样具有巨大的潜力

数字传感器

数字传感器有以下九个特点：

1、先进的A/D转换技术和智能滤波算法，在满量程的情况下仍可保证输出码的稳定。

2、可行的数据存储技术，保证模块参数不会丢失。

3、良好的电磁兼容性能。

4、传感器的性能采用数字化误差补偿技术和高度集成化电子元件，用软件实现传感器的线性、零点、温漂、蠕变等性能参数的综合补偿，消除了人为因素对补偿的影响，大大提高了传感器综合精度和可靠性。

5、传感器的输出一致性误差可以达到0.02%以内甚至更高，传感器的特性参数可完全相同，因而具有良好的互换性。

6、采用A/D转换电路、数字化信号传输和数字滤波技术，传感器的抗干扰能力增加，信号传输距离远，提高了传感器的稳定性。

7、数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆，具有唯一标记，便于故障诊断。

8、传感器采用标准的数字通讯接口，可直接连入计算机，也可与标准工业控制总线连接，方便灵活。

9、数字传感器是将AD，EPROM，DIE（传感器芯片），封装在一块用PCB，金属块或陶瓷板上的集成。通过各种温度，压力点的校准，计算出DIE的线性，再利用AD去补偿的方法加工而成的。

数字传感器按结构可分成三种类型：

1、绝对式角度数字编码器:

绝对式角度数字编码器

其角度分辨率决定于数字编码器（码盘）的位数。目前有14位的产品，如再增加码道和细分电路可制成19位和23位的。

2、周期计数式数字传感器:

周期计数式数字传感器

此种结构的位移分辨率对低精度的周期计数式数字传感器而言，仅由周期信号发生器的性质决定。例如，光栅当长1mm有100条刻线时，其分辨率即为0.01mm；对高精度的周期计数式数字传感器而言，还要考虑到电子细分数。如前例，在100倍电子细分数下，此光栅的分辨率就是0.1µm。此种结构属于增量式结构，结构的特点（位移方向的要求）决定它不但备有辨向电路，而且周期计数器还具有可逆性质。

3、频率式数字传感器：

频率式数字传感器

按振荡器的形式，可将此种数字传感器分成带有晶体谐振器的和不带晶体谐振器的两种。前者，按被测量的作甩点，又分作用在石英谐振器上的石英晶体谐振式数字传感器和作用在谐振器中储能元件上的带有晶体谐振器的调频式数字传感器。按采用敏感元件的形式，又可分为简单的a)和差动的b)两种。

从上述三种类型数字传感器的结构图可以看出，它们都具有抗干扰能力强以及数字量输出的特点。如考虑到对电源电压的波动，环境温度波动和非线性等因素的补偿（图中没有画出），则精度还可提高。如果采用单片微型计算机去进行信息处理，诸如补偿、频倍（细分）和数字转换等硬件线路可软件化，不仅使线路简化，还可使分辨率，测量精度和工作可靠性进一步调高。

解读新思维 什么是数字孪生

浙江新闻客户端刘振宇 编辑 章 忻

数字孪生又称“数字双胞胎”，是将工业产品、制造系统、城市等复杂物理系统的结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟世界，通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统，实现复杂系统虚实融合，使系统全要素、全过程、全价值链达到最大限度的闭环优化。

近年来，数字孪生技术受到国内外产业界与学术界的高度重视。中国工程院发布的《全球工程前沿2020》报告将数字孪生驱动的智能制造列为机械与运载工程领域研究前沿之首。全球IT研究与顾问咨询公司Gartner连续三年（2017-2019）将数字孪生列为十大战略科技发展趋势之一。由于数字孪生契合了我国以信息技术为产业转型升级赋能的战略需求，已成为应对当前百年未有之大变局的关键使能技术之一。

具体而言，数字孪生的实质是建立现实世界物理系统的虚拟数字镜像，贯穿于物理系统的全生命周期，并随着物理系统动态演化。建立数字孪生的基本思路是，在对物理系统进行数字化精确建模和状态信息实时传感的基础上，建立传感数据与数字化模型的连接映射，使得数字化模型能够实时、真实反映物理系统在现实世界的行为，并通过人工智能算法实现对系统当前状态的精确分析和未来状态的科学预测。值得注意的是，在现有的技术手段下，数字孪生还无法做到对复杂物理系统的全息复制，往往是对物理系统关键信息的局部复制。

数字孪生的具体应用

近年来，随着5G、物联网、云计算、大数据、人工智能和混合现实等新一代信息技术的发展，数字孪生在理论层面和应用层面均取得了快速发展。数字孪生与产业技术的深度融合，有力推动了相关产业数字化、网络化和智能化的发展进程，正成为产业转型升级的强大推动力。

在工业产品研发领域，通过构建工业产品与装备的数字孪生，可以实现产品装备的服役监测和健康管理。例如，当航空飞行器在天上飞行的时候，地面的数字孪生系统就可以通过采集的飞行器实时传感数据，精确模拟飞行器的运行状态，预测飞行器的未来性能和潜在故障等，甚至可以提前15~30天发现一些潜在的故障。数字孪生深刻改变了未来产品的形态，未来企业交付给客户的产品将不仅仅是物理实体，而是虚实共融的孪生形态。

在生产制造领域，通过数字孪生，在建设实体工厂的同时在电脑上构建一个虚拟工厂，把实体工厂的每个车间、每条流水线、每台设备、每个生产动作都映射在虚拟工厂上。在生产过程中，通过数字孪生实时监控实体工厂的生产状态，及时发现生产瓶颈，优化车间生产调度，从而提高工厂的生产效率和管控水平。基于数字孪生的智能工厂，将成为未来工厂的重要发展趋势。

在城市管理领域，通过构建城市的数如，通过数字孪生对城市交通数据进行实时分析，可精准预测城市交通拥堵的关键节点，进而提前进行交通管制，缓解交通压力。未来的城市，将建立在数字孪生的基础上，具备自主学习的能力，演变为具有高度智慧的城市新形态。

除了上述领域之外，智慧医疗、智慧物流、智慧农业以及安全应急等众多行业领域都在大力发展数字孪生技术，数字孪生应用场景非常广阔。

【作者为浙江大学机械工程学院副院长、教授、博士生导师】

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