设计一个传感器 设计一个智能传感器只需要4步

设计一个智能传感器只需要4步

当工程师设计带有传感器的系统时，他们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。尽管上述模型都很好，但是必须注意，这些模型只能近似等于实际电路的响应（尽管通常希望这些模型都是精确无误的 ）。如果能以数学形式表示系统中尽可能多的部分，那么模型就更接近于实际响应。这是因为，数字不会随时间而改变，并且也可准确地和经松地处理它们。事实上，这种数字信号处理（DSP）的原则已经确立并得到广泛应用， DSP就是利用数学而不是电路对信号进行处理的。利用 DSP可以很容易地实现标准变换，比如通过滤波去除不想要的噪声或者通过频率映射来识别特定的信号分量。此外，利用DSP理论还能实现一些即使是最先进的电路也无法完成的处理。

正因为上述原因，如今的设计中都包含一级信号调理电路，它负责将模拟信号转换为数字量。这一步被称作模－数转换，或称A/D转换，也可简记为ADC, 这一步极为关键。因为一旦将传感器信号转换为数字量，那么就能通过微处理器中运行的软件来完成信息处理。通常所说的模—数转换器其实是一枚单片的半导体器件，它能够精确地、稳定地工作于变化的环境中。由于大多数环境补偿电路都可以集成到ADC器件中，而滤波处理则可由软件实现，因此，对信号调理电路的需求会显著减少。我们很快就会看到，出于系统的器件大大减少并且所有处理几乎都通过数学运算完成的，因此无论是从系统性能还是商业前景的角度来看，都是大有益处的。

将传感器信号数字化之后，主要有两种途径来处理这些数据，以实现算法定义的功能。第一种是采用专用的数字硬件电路，通过硬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运算。一般来说，专用硬件比微处理器系统的速度更快，但是其成本较高并且缺乏灵活性。当不需要专用硬件那么高的运算速度时，由于微处理器适用的场合更广泛，因此具有更好的设计灵活性，并且可能成本更低。

一旦系统具有了智能，就能解决我们之前提出的问题。比如可以自动完成标定，也可以通过纯数学的处理算法消除器件漂移，甚至还能通过定期监控环境条件并自动进行适当的调整来补偿环境变化。可见，只要赋于系统一个大脑，就能使设计师的生活自在得多。

第三步——实现快速而可靠的通信

最后还剩下一个问题：如果能实现传感器数据共享，那么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。这里再次强调，由于传感器的输出信号是数字的，因此能够可靠地实现共享。就像在人类的世界中共享信息后会使信息量增大一样，与本系统或者其他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。为了实现这个目标，我们必须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，我们就能保证尽可能广泛、简便和可靠地共享传感器输出信号，从而最大限度地发挥传感器及其产生的信息的作用。

第四步——将所有的东西连在一起，就得到一个智能传感器

这里要强调大多数工程师认为的智能传感器（有时也称作灵巧传感器）的三个必备特征。

(1) 含有用于测量一个或者多个物理量的敏感元件(本质上就是我们提到过的传统传感器)。

(2) 具有用于分析敏感元件所测结果的运算元件。

(3) 与外界相连的通信接口，它使传感器能在一个更大的系统中与其他部件交换信息。

其中，后两点是智能传感器与常见的常规传感器的主要区别（见图1)。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。这些都是常见的常规传感器无法做到的。

图1 常规传感器和智能传感器的框图

本质上看，智能传感器使传感器世界"扁平化"， 它使得传感器能与附近的或者遍布全球的其他传感器相连，共同完成以前无法完成的任务。更为重要的是，由于智能传感器的大多数功能都由软件实现，因此设计师只需改变传感器的软件配置就能得到各种各样的产品。

这对智能传感器供应商造成两点重要影响。一个是供应商要从提供硬件产品转变为提供软件产品。尽管传感器仍然需要一个基本的硬件平台（毕竟它还是个物理设备 ），但是提高或争夺利润的主要因素已不再是硬件，而是控制智能传感器的软件。由于制造商只需稍改一点儿软件就能添减产品的功能，因此他们几乎可以即时地改变产品的搭配。那些定制的产品甚至可以直到完成最终测试和运输前才进行配置。此外，一种硬件平台可以用于不同市场。不同价格的多种产品。最后，一旦供应商开发出了新功能，那么无需增加产品的硬件成本就能使之具备新功能，从而使边际利润猛增。

另一个影响是，由于智能传感器能与外界相连，因此供应商如今可以在调试现场收集传感器的运行信息，并能在传感器出厂后更新设备的软件。传感器工作现场的信息不但能使传感器制造商准确掌握用户需求及其关注点，而且还能提供——对用户来说最为重要的——定位故障或缺陷的可靠数据（很可能就是用户将来最在意的东西 ）。掌握这些信息后，传感器制造商就能快速地为产品增加新功能、根据用户需求提供相应的配置并实施产品维护，而且在进行上述工作时都无需接触到传感器本身。如今，供应商可以足不出户地提供低成本的服务，这又给供应商带来了额外的价值和利益。

声明：本文内容出自Creed Huddleston【美】的《智能传感器设计》一书，张鼎等译，人民邮电出版社出版。此书对我的启发很大，在此分享给大家。

干货 一文读懂传感器材料的设计流程及注意事项

所谓材料设计，即是用科学的方法制造或选择所需要的材料。从新创造的或已有的材料中，用科学的方法选择出敏感功能，且在使用条件下耐久和可靠的材料，称为传感器材料的设计。

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材料设计可分为三种：

①从材料数据库中选择和判断与所希望的材料相近的材料；

②使选择出的材料实用化；

③探索新的功能材料。

选择材料

给某材料施加物理量，则该材料产生其他物理量。例如，给某材料加上电能，该材料即发出声波能量，则可用这种材料构成声敏传感器和电声换能器。

从资料积累丰富的已有材料可知，对某种材料施加某一物理量能产生相同或不同的物理量，比较各种材料输入-输出能量变化的差异，则可选择出所希望的材料。

表1列出了无机功能材料的能量变换，査阅输入-输出能量变换的具体数据，则可得到灵敏度高的功能材料。

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表1 无机功能材料的能量变换

材料实用化

无论有机、无机或金属功能材料，为了达到各种传感器所需的特性，有时需要控制原子和分子的排列，把材料加工成薄膜化、微小型化、纤维化、气孔化和复合化等形态。

通过改变材料形态，即可能在光学、电磁、声、热、分离、吸收、力学、输送和载体、化学和生物体等功能的基础上附加新功能。

表2列出无机系功能材料的形态与功能的关系，显然，材料通过改变形态能提高功能。

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表2 无机系列功能材料的形态与功能

探索新的功能材料

探索新的功能材料的常用方法列于表3中。

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表3 探索新的功能材料的常用方法

1.考察结晶化学 表3列出了用考察结晶化学的方法探索新的功能材料的一些例子。这里以ZnO -Al2O3-Li2O系为例简述材料设计。

氧化锌 用于制作检测可燃性气体的敏感元件，要求灵敏度高和电阻的变化范围适当，故材料应是多孔质。敏感气体的机理是氧化锌表面的氧吸附和脱附，故首先要考虑氧化锌的多孔性。

此外，因为吸附氧时电阻变高，又由于可燃性气体作用使氧脱附时导致电阻变低，从而可检测可燃性气体，故氧化锌多孔体的电阻在高阻或低阻时都必须在容易检测的范围。多孔体电阻过小（即参与导电的载流子浓度n过高）时，氧吸附和脱附产生的载流子浓度变化△n小到可以忽略不计。

因此，需要寻求一种即使载流子浓度微小变化而电导率变化也大的载流子迁移率大的物质(在陶瓷情况下通常为N型)。通过这种物质的电导率使△n～n，从而控制n。

采用可固熔的Al2O3(氧化铝)和Li2O(氧化锂)添加物，能控制氧化锌的电导率和烧结性。掺入Al2O3时，作为载流子的电子(e)浓度变高，烧结时成为扩散起因的晶格间的锌(Zn)减少。因此，由于掺入Al2O3而电导率升高，且容易得到稳定的多孔体。掺入Li2O，主要在Al2O3浓度低时Zn2+和Li+进行置换固熔。Li2O固熔使电导率降低，且容易烧结。当希望获得多孔体时，掺入Al2O3很有效，但仅掺入Al2O3则电阻变得过小。解决的办法是采用两段掺入法，即为了制作稳定的多孔体而首先掺入Al2O3，然后用浸溃法或蒸发法将Li2O仅掺入该多孔体的外表面，用这种方法可提高气敏特性。

2.机遇（偶然性）

当为了某种目的而进行材料开发时，有时得到的不是预期的结果，而是出现出人意料的新发现，人们称这种现象为机遇。表3中列出机遇材料的一些例子，如敏感材料作为氧离子导体的稳定氧化锆，它原来的开发目的是耐火材料。

根据现有材料设计原理开发新材料是理想的材料设计方法，但这样的方法难以有重大的新发现。因此，在新材料的开发中，必须有“广阔的视野”、“价值判断能力”、“好奇心”和“探索真理的决心”。这些都是机遇的前提。只有这样，发现新材料的机遇才会越来越大。

3.相乘作用

两种以上物质混合时，若加成性不成立，则定量设计近乎不可能，但有时可得到特异性能的材料。所谓加成性不成立，是指两种以上的物质间的相乘作用大。利用相乘作用探索新的材料时，使两种相对立的物质混合或结合，表3列出了部分例子。

探索湿敏或气敏材料的例子有酸－碱系、主－客系，以及P－N结或非欧姆结系。酸－碱系是适敏陶瓷，其中酸性材料是TiO2，碱性材料是MgCr2O4，它们都是可用作耐火物质使用的耐久性好的材料，即使加热清洗吸附的油分子等污物也不必担心劣化。

根据吸附水分子使电导率变化的现象检测湿度，单独TiO2或MgCr2O4的灵敏度低于两种混合物的灵敏度。这种现象可认为是酸－碱界面附近水分子容易解离。主－客相互作用有含Li2O的ZnO系湿敏材料。P－N结的情况，发现NiO－ZnO结的V－I 特性随温度而变的现象，对CuO－ZnO系观察了无感湿特性的溶剂，下图示出了CuO/ZnO异质接触的V－I 特性与溶剂的关系。

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CuO/ZnO的V－I 特性

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