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1、浅析智能传感器 摘要：随着科学技术的发展，人们要求获得的信息不断增多，因此对传感器的要求越来越高。目前在不断提高传感器性能和可靠性的同时，还谋求多种信号的同时检测和处理，这就推动了传感器的集成化和智能化不断发展。本文简单介绍了智能传感器的结构、功能、实现途径及其应用前景。关键词：智能传感器、结构、功能、实现途径、应用前景Abstract:Withthedevelopmentofscienceandtechnology,moreinformationisneeded,whilepeopleplacehigherstandardsonsensors.Atpresent,wenotonlyimpro
2、vethereliabilityandqualityofsensors,butalsoresearchintheconcurrentdetectionandprocessingofvarioussignals,whichinturnpromotesthecontinuousdevelopmentoftheintegrationandintelligenceofsensors.Thisarticlesimplyintroducesthestructure,function,accomplishingmeansandapplicationprospectsofintelligentsensors.
3、 Keywords: intelligentsensor, structure, function, accomplishingmeans,applicationprospects1. 引言智能传感器概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来,并于1979年形成产品。宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面或飞船上的处理器发送温度、位置、速度和姿态等数据信息,即便使用一台大型计算机也很难同时处理如此庞大的数据。何况飞船又限制计算机体积和重量,因此希望传感器本身具有信息处理功能，于是将传感器与微处理器结合，就出现了智能传感器。1智能传感器是一种能够对被测对象的某一信息具有感受、检出的功能；能学习
4、、推理判断处理信号；并具有通信及管理功能的一类新型传感器。智能传感器有自动校零、标定、补偿、采集数据等能力。其能力决定了智能化传感器还具有较高的精度和分辨率，较高的稳定性及可靠性，较好的适应性，相比于传统传感器还具有非常高的性价比。2对智能传感器目前尚无统一定义，早期人们简单地认为智能传感器就是将传统的传感器与微处理器集成在同一块芯片上。随着智能传感器技术的发展，较多学者认为智能传感器是将传统传感器结合并赋予智能化功能的系统，即智能传感器系统。2. 智能传感器的结构组成智能传感器系统主要由传感器、微处理器及相关电路组成，如图2-1所示。传感器将被测的物理量、化学量转换成相应的电信号，送到信号调
5、制电路中，经过滤波、放大、A/D转换后送达微处理器。微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节，以实现对测量过程的调节和控制；另一方面将处理的结果传送到输出接口，经接口电路处理后按输出格式、界面定制输出数字化的测量结果。微处理器是智能传感器的核心，由于微处理器充分发挥各种软件的功能，使传感器智能化，大大提高了传感器的性能。1 2-1 智能传感器原理框图3. 智能传感器的功能 智能传感器不仅具有视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉功能,且应具有记忆、学习、思维、推理和判断等“大脑”能力。前者由传统的传感器来完成。此处的传统传感器的功能结构包括敏感
6、元件、调理电路和模数转换器(ADC)，敏感元件将描述客观对象与环境状态或特性的物理量转换成电路元件参量或状态参量，调理电路将电路参量转换成电压信号并进行归一化处理以满足ADC动态范围。智能处理器应对ADC输出的数字信号进行智能处理，主要智能处理功能如下： 1）自补偿功能。根据给定的传统传感器和环境条件的先验知识，处理器利用数字计算方法，自动补偿传统传感器硬件线性、非线性和漂移以及环境影响因素引起的信号失真，以最佳地恢复被测信号。计算方法用软件实现，达到软件补偿硬件缺陷的目的。 2）自计算和处理功能。根据给定的间接测量和组合测量数学模型，智能处理器利用补偿的数据可计算出不能直接测量的物理量数值。
7、利用给定的统计模型可计算被测对象总体的统计特性和参数。利用已知的电子数据表，处理器可重新标定传感器特性。 3）自学习与自适应功能。传感器通过对被测量样本值学习，处理器利用近似公式和迭代算法可认知新的被测量值，即有再学习能力。同时，通过对被测量和影响量的学习，处理器利用判断准则自适应地重构结构和重置参数。例如，自选量程，自选通道、自动触发、自动滤波切换和自动温度补偿等。 4）自诊断功能。因内部和外部因素影响，传感器性能会下降或失效，分别称为软、硬故障。处理器利用补偿后的状态数据，通过电子故障字典或有关算法可预测、检测和定位故障。 5）软件组态功能。智能传感器设置有多种模块化的硬件和软件，用户可通
8、过操作指令改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，以达到不同应用目的，完成不同功能，实现多传感、多参数的复合测量，增加传感器的灵活性和可靠性。 6）人机对话功能。智能传感器与仪表等组合在一起，配备各种显示装置和输入键盘，是系统具有灵活的人机对话功能。7）其它的常用功能包括用于数据交换通信接口功能，数字和模拟输出功能，信息储存和记忆功能及使用备用电源的断电保护功能等。4.智能传感器的实现途径目前,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：利用计算机合成，即智能合成；利用特殊功能材料，即智能材料；利用功能化几何结构，即智能结构。智能合成表现为传感器装置与微处理器的结合，这是目前的主
9、要途径。按传感器与计算机的合成方式，目前的传感技术沿用以下三种具体方式实现智能传感器。4.1非集成化的模块方式 非集成化智能传感器是将传统的基本传感器、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。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。4.2集成化实现 这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工
10、艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。集成化实现使智能传感器达到了微型化、结构一体化，从而提高了精度和稳定性。敏感元件构成阵列后，配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器，这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。4.3混合实现要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题。根据需要与可能，可将系统各个集成化环节(如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口)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。35. 智能传感器的应用前景大多数智能传感器都涉及多种学科、多个领域的高新技术，但目
11、前远没有达到真正的人工智能水平，为提高传感器智能化、微型化的程度，还需要向多传感器融合技术、模糊技术、人工神经网络技术、微传感器系统等方面发展。多传感器信息融合简称信息融合，被认为是对自动检测、互联、关联、估计和联合的多源信息进行多级、多层次的处理，利用多个传感器的联合数据及关联数据库提供的相关信息得到比单个传感器更准确、更详细的推论。模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊处理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器，用模糊语言来表述信息具有简单、方便，且易于进行高层逻辑推理等优点，更加接近人类的思维方式。人工神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的数
12、学模型。可以依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，达到处理信息的目的，具有自学习和自适应的功能。4 目前，智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。 在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等),利用神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算,可推断出
13、产品的质量。在医学领域中,糖尿病患者需要随时掌握血糖水平,以便调整饮食和注射胰岛素,防止其它并发症。美国Cygnus公司生产了一种葡萄糖手表,其外观像普通手表一样,戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。葡萄糖手表上有一块涂着试剂的垫子,当垫子与皮肤接触时,葡萄糖分子就被吸附到垫子上,并与试剂发生电化学反应,产生电流。传感器测量该电流,经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。此外，一种超薄透明的智能传感器可用于贴合皮肤，不间断的测量皮肤的温度、含水量等数据，更简便有效的观察人体皮肤状态。随着智能传感器的不断发展，现已出现生产了多种新型智能传感器系统，如微机电智能传感器系统、生物
14、芯片、智能微尘传感器以及虚拟传感器等。6.结束语 传感器技术与通信技术和计算机技术构成了现代信息技术的三大支柱，在信息系统中分别起着“感官”、“神经”和“大脑”的作用。目前传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化方向发展。智能传感器作为21世纪最具影响力和发展前景高新技术，正引起国内外电子信息界的高度重视。光电行业开发协会（OIDA）预测，智能传感器的国际市场销售量将以每年20%的高速度增长，智能传感器将在21世纪信息时代扮演更加重要角色5。7. 参考文献1刘少强，张靖.现代传感器技术面向物联网应用M.北京：电子工业出版社，2014.2. 2邵云龙，陈越.浅析智能传感器技术J.科协论坛(下半月)，2011，(07)3张子栋，吴雪冰，吴慎山.智能传感器原理及应用J.河南科技学院学报(自然科学版)，2008，(02)4张志勇，王雪文，翟春雪等.现代传感器原理及应用M.北京：电子工业出版社，2014.15徐国军.新型电气信号检测元件智能传感器J.自动化应用，2011，(07)
