简析智能传感器

申明：文章主要就是整合了他人的综述，有需要的同学可以看一下 简析智能传感器 摘要：文章通过介绍智能传感器的定义，结构，功能与应用等，阐述了智能传感器是未来传感器的发展方向，它的发展拥有广阔的市场前景。 关键词：智能传感器;  信息技术 Introduces a intelligent sensor Abstract: Articles through the introduction of the definition of smart sensors, structure, function and application and so on, elaborated the intelligent sensor is the future direction of development, its development has extensive market prospect. Keywords：intelligent sensor,  information technology 0  引言 随着科技的发展，传感器作为朝阳产业，近几年得到了飞速的发展，加上计算机等的发展，传感器也越来越向智能化方向发展。目前在很多领域，传统的传感器已经不能达到要求，这也迫使传感器向智能化方向发展。综合，智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术, 是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合性技术。 1  智能传感器的定义 传统传感器( 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, 然后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。智能传感器是在传统传感器的基础上发展而来的，由于对其“智能”含义理解的不断深化, 各个时期的学者给予智能传感器的定义也随着历史的推移而演变，所以至今还没有形成规范化的定义[6]。 智能传感器( inte lligent sensor)的概念最初是由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出并形成的,1978年研发出产品。宇宙飞船上需要用大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息, 用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据, 于是提出把CPU 分散化, 从而产生出智能化传感器。 早期，人们简单、机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合， 认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。 后来出现了一些其他的定义，比如《智能传感器系统》书上的定义： “传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)”；模糊传感器也是一种智能传感器(系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。（《智能传感器系统》，刘君华，西安电子科技大学出版社）。和《现代新型传感器原理与应用》书上的定义：所渭智能式传感器就 是一种带行微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器[5]。（ 《现代新型传感器原理与应用》 ，刘迎春，叶湘滨等，国防工业出版社，2000.5） 此外，对于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓， 而“Smart Sensor” 是美国人对智能传感器的俗称。 而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 对 “Smart Sensor”的中文译名有译为“灵巧 传感器”的， 也有译为“智能传感器”的。 虽然，截止目前为止, 智能传感器尚无公认的科学定义, 但普遍认为智能传感器是由传统传感器与专用微处理器组成的。 2.  智能传感器的原理与结构 图1 智能传感器一般可分两大部分: 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 传感器的某些缺陷得到了较大程度的改善; 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。 当然，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。 现在智能传感器主要设计结构有两种: 一种是数字传感器信号处理( DSSP), 另一种是数字控制的模拟信号处理( DCASP)[1]。如图1所示。 最精确的设计都采用DSSP 结构, 通常包括两个传感器: 被测量传感器(例如压力)和温度(补偿)传感器。在硅器件中, 温度信 微控器 号可直接从被测量传感器提取出来, 传感器信号经多路调制器送到A /D变换器, 然后再送到微控器进行信号的补偿和校正。校正时可用传感器输出的算法趋近或多表面逼近法进行信号处理, 每个给定传感器的校正系数都被单独储存在永久性寄存器中。如果需要模拟输出, 可另外加一个D /A 变换器。 DSSP结构的分辨率受输入A /D 变换器的分辨率和补偿/校正处理分辨率的限制。响应时间受A /D变换时间和补偿时间限制。而基本的DCASP结构在传感器和模拟输出之间直接提供了一个模拟通道, 因此, 被测量分辨率和响应时间不受影响。温度补偿和校正都在并联回路实现, 并联回路能改变信号放大器的失调和增益[2]。要获得数字输出信号, 可加一个A /D 变换器。 3  智能传感器的功能与特点 智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。现在的智能传感器不仅具有视觉、触觉、听觉、味觉, 还有了储存、思维和逻辑判断能力等人工智能。概括而言, 主要功能有以下几点[4]: （1）信息存储和传输功能 强大的通讯接口功能，具有双向通讯、化数字输出或者符号输出功能。随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。 （2）自动补偿，计算功能 智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度飘移和非线性补偿开辟了新道路, 这样，就放宽了对传感器加工精密度的要求, 只要能保证其重复性好, 利用微处理器对测试的信号通过软件计算也能获得较精确的测量结果。另外还可进行统计处理、能够重新标定某个敏感元件, 使它重新有效。 （3）自动进行检验、 自选量程、 自寻故障功能 普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，通常这些工作比较麻烦，而带微控器的智能传感器则具有先进的自诊断功能, 对于外部环境条件引起的工作不可靠和传感器内部故障造成的性能下降都能以直观的指示方式, 可持续显示诊断结果和工作状态。无论内外因素, 诊断信息都能使系统在故障出现之前报警, 从而减少系统停机时间, 提高生产效率。 （4）复合敏感功能 敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器能够同时测量多种物理量和化学量, 具有复合敏感功能, 能够给出全面反映物质变化规律的信息,如美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度（加速度传感器）、速度（速度传感器）、位移（位移传感器）等。 （5）智能传感器的集成化功能 由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪比；改善性能；信号规一化。 （6）掉电保护功能 由于微型计算机的RAM 的内部数据在掉电时会自动消失, 这给仪器的使用带来很大的不便。为此在智能仪器内装有备用电源, 当系统掉电时, 能自动把后备电源接入RAM, 以保证数据不丢失 。 除了这些主要功能外，由于智能式传感器是一个以微处理器为内核扩展了外围部件的计算机检测系统。所以相比一般传感器，智能式传感器有以下显著特点： （1）提高了传感器的精度 （2）提高了传感器的可靠性 （3）提高了传感器的性能价格比 （4）促成了传感器多功能化 4 智能传感器的主要实现途径 目前, 智能传感器的实现是沿着传感器技术发展的三条途径进行，分别是非集成化实现，集成化实现和混合实现。 （1）非集成化实现 非集成化智能传感器是将传统的基本传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的智能传感器系统 [7]。这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。自动化仪表生产厂家原有的一套生产工艺设备基本不变, 附加一块带数字总线接口的微处理器插板组装而成, 并配备能进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件, 从而实现智能传感器功能。这是一种最经济、最快速建立智能传感器的途径。 总线 接口 图2 以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上, 并装在一个外壳里。 5 智能传感器的应用 虽然对于智能传感器的研究尚处于开发阶段, 但市场已出现了一些实用的智能传感器。与传统的传感器相比,智能传感器提高了检测的准确度, 具有可设置灵活的检测窗口、快捷方便的按钮编程等优点, 使传统传感器的适用范围得到延伸。它的主要应用有：检测不能直接测量的参数和检测不便直接测量的参数。