智能傳感器的概念，智能傳感器的結構、功能、特點(diǎn)及其應用

　　智能傳感器（intelligent sensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產(chǎn)物。一般智能機器人的感覺(jué)系統由多個(gè)傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。

　　自動(dòng)化領(lǐng)域所取得的一項最大進(jìn)展就是智能傳感器的發(fā)展與廣泛使用。但究竟什么是“智能”傳感器？下面，來(lái)自6個(gè)傳感器廠(chǎng)家的專(zhuān)家對這一術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義。據Honeywell工業(yè)測量與控制部產(chǎn)品經(jīng)理Tom Griffiths的定義：“一個(gè)良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅動(dòng)的傳感器與儀表套裝，并且具有通信與板載診斷等功能，為監控系統和/或操作員提供相關(guān)信息，以提高工作效率及減少維護成本。”智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線(xiàn)性度和低的溫度漂移，降低了系統的復雜性、簡(jiǎn)化了系統結構。

　　智能傳感器的基本概念

　?、畔到y；⑵傳感器；⑶智能。

　　定義1：智能傳感器是能夠調節系統內部性能以?xún)?yōu)化外界數據獲取能力的傳感器系統。

　　定義2：智能傳感器是將敏感元件及信號處理器組合為單一集成電路的器件。

　　定義3：智能傳感器是可提供比正確表達被測對象參量更多功能的傳感器。

　　智能傳感器系統是一門(mén)現代綜合技術(shù)，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒(méi)有形成規范化的定義。早期，人們簡(jiǎn)單、 機械地強調在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結合， 認為“傳感器的敏感元件及其信號調理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

　　關(guān)于智能傳感器的中、英文稱(chēng)謂，尚未有統一的說(shuō)法。John Brignell和Nell White認為“Intelligent Sensor”是英國人對智能傳感器的稱(chēng)謂， 而“Smart Sensor” 是美國人對智能傳感器的俗稱(chēng)。 而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱(chēng)為“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。 對“Smart Sensor”的中文譯名有譯為“靈巧傳感器”的， 也有譯為“智能傳感器”的。

　　智能傳感器的結構

　　智能傳感器的功能

　　概括而言， 智能傳感器的主要功能是：

　?。?） 具有自校零、 自標定、 自校正功能；

　?。?） 具有自動(dòng)補償功能；

　?。?） 能夠自動(dòng)采集數據， 并對數據進(jìn)行預處理；

　?。?） 能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗、 自選量程、 自尋故障；

　?。?） 具有數據存儲、記憶與信息處理功能；

　?。?） 具有雙向通訊、標準化數字輸出或者符號輸出功能；

　?。?） 具有判斷、決策處理功能。

　　可實(shí)現的功能

　　智能傳感器的功能是通過(guò)模擬人的感官和大腦的協(xié)調動(dòng)作，結合長(cháng)期以來(lái)測試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗而提出來(lái)的。是一個(gè)相對獨立的智能單元，它的出現對原來(lái)硬件性能苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。

　　1、信息存儲和傳輸——隨著(zhù)全智能集散控制系統（SmartDistributedSystem）的飛速發(fā)展，對智能單元要求具備通信功能，用通信網(wǎng)絡(luò )以數字形式進(jìn)行雙向通信，這也是智能傳感器關(guān)鍵標志之一。智能傳感器通過(guò)測試數據傳輸或接收指令來(lái)實(shí)現各項功能。如增益的設置、補償參數的設置、內檢參數設置、測試數據輸出等。

　　2、自補償和計算功能——多年來(lái)從事傳感器研制的工程技術(shù)人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線(xiàn)性作大量的補償工作，但都沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線(xiàn)性補償開(kāi)辟了新的道路。這樣，放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復性好，利用微處理器對測試的信號通過(guò)軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線(xiàn)性進(jìn)行補償，從而能獲得較精確的測量結果壓力傳感器。

　　3、自檢、自校、自診斷功能——普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時(shí)足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現場(chǎng)拆卸送到實(shí)驗室或檢驗部門(mén)進(jìn)行。對于在線(xiàn)測量傳感器出現異常則不能及時(shí)診斷。采用智能傳感器情況則大有改觀(guān)，首先自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢，診斷測試以確定組件有無(wú)故障。其次根據使用時(shí)間可以在線(xiàn)進(jìn)行校正，微處理器利用存在EPROM內的計量特性數據進(jìn)行對比校對。

　　4、復合敏感功能——我們觀(guān)察周?chē)淖匀滑F象，常見(jiàn)的信號有聲、光、電、熱、力、化學(xué)等。敏感元件測量一般通過(guò)兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能，能夠同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運動(dòng)規律的信息。如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復合液體傳感器，可同時(shí)測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。復合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測量物體某一點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度（加速度傳感器）、速度（速度傳感器）、位移（位移傳感器），等等。

　　5、智能傳感器的集成化----由于大規模集成電路的發(fā)展使得傳感器與相應的電路都集成到同一芯片上，而這種具有某些智能功能的傳感器叫作集成智能傳感器集成智能傳感器的功能有三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：較高信噪比：傳感器的弱信號先經(jīng)集成電路信號放大后再遠距離傳送，就可大大改進(jìn)信噪比。改善性能：由于傳感器與電路集成于同一芯片上，對于傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過(guò)自校單元定期自動(dòng)校準，又可以采用適當的反饋方式改善傳感器的頻響。信號規一化：傳感器的模擬信號通過(guò)程控放大器進(jìn)行規一化，又通過(guò)模數轉換成數字信號，微處理器按數字傳輸的幾種形式進(jìn)行數字規一化，如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。

　　智能傳感器的特點(diǎn)

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　?、诳煽啃院头€定性高

　?、坌旁氡群头洲q力高

　?、茏赃m應性強

　?、菪?xún)r(jià)比高

　　智能式傳感器是一個(gè)以微處理器為內核擴展了外圍部件的計算機檢測系統。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著(zhù)特點(diǎn)：

　　1.提高了傳感器的精度

　　智能式傳感器具有信息處理功能，通過(guò)軟件不僅可修正各種確定性系統誤差（如傳感器輸入輸出的非線(xiàn)性誤差、服度誤差、零點(diǎn)誤差、正反行程誤并等）而且還可適當地補償隨機誤差、降低噪聲，大大提高了傳感器精度。

　　2.提高了傳感器的可靠性

　　集成傳感器系統小型化，消除了傳統結構的某些不可靠因素，改善整個(gè)系統的抗干擾件能;同時(shí)它還有診斷、?；春蛿祿鎯δ埽▽τ谥悄芙Y構系統還有自適應功能），具有良好的穩定性。

　　3.提高了傳感器的性能價(jià)格比

　　在相同精度的需求下，多功能智能式傳感器與單一功能的普通傳感器相比，性能價(jià)格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機后更為明顯。

　　4.促成了傳感器多功能化

　　智能式傳感器可以實(shí)現多傳感器多參數綜合測量，通過(guò)編程擴大測量與使用范圍;有一定的自適應能力，根據檢測對象或條件的改變，相應地改變量程反輸出數據的形式;具有數字通信接口功能，直接送入遠地計算機進(jìn)行處理;具有多種數據輸出形式（如Rs232串行輸批，PIO并行輸出，IEE-488總線(xiàn)輸出以及經(jīng)D/A轉換后的模擬量輸出等），適配各種應用系統。

　　智能傳感器的應用

　　近20年來(lái)，我國智能交通系統的發(fā)展經(jīng)歷了體系框架制定、示范城市建設到目前各級城市全面展開(kāi)智能交通系統建設的過(guò)程。時(shí)至今日，我國城市智能交通系統在城市交通管理、信息服務(wù)及發(fā)展決策等方面開(kāi)始發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，對于緩解日益嚴峻的道路交通擁堵?tīng)顩r起到了良好的支撐作用。在整個(gè)智能交通系統里，傳感器就如同人的五官一樣，發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用，并且在交通運輸的各個(gè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的作用。

　　下面就是我國智能傳感器在智能交通方面的主要研究方向：

　　1、采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、計算機技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)出將傳感器和微處理器結合、具有各種功能的單片集成化智能傳感器，這是當前智能傳感器的主要發(fā)展方向之一；

　　2、針對傳感器的材料，利用生物工藝和納米技術(shù)，開(kāi)發(fā)分子和原子生物傳感器，這將為以后智能傳感器的發(fā)展奠定基礎；

　　3、整合國內外芯片技術(shù)，結合敏感電子元件，研發(fā)出混合型集成智能傳感器，這種傳感器精度更高、成本更低、穩定性更好。

　　我國在集成智能傳感器領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大突破，國產(chǎn)傳感器逐步打開(kāi)了智能傳感器的市場(chǎng)份額。

　　智能傳感器發(fā)展主要分為三個(gè)階段，即數字化階段、智能化補償和校準階段、智能化應用和網(wǎng)絡(luò )階段。達到第三階段的傳感器，擁有信號的檢測和處理、邏輯判斷、雙向通信、閉環(huán)控制、自檢和自診斷、智能校正和補償、功能計算、網(wǎng)絡(luò )通信等多種功能。但目前國內僅有少部分制造商達到這一階段，未能大規模普及。

　　傳感器的另一個(gè)發(fā)展方向是微型化。在汽車(chē)電子化、智能化工程中，傳統傳感器的體積和重量大、成本高，應用受到限制，在此情況下，微型傳感器應運而生。

　　微型傳感器不僅僅指傳感器的體積小、質(zhì)量輕。就單一的傳感器而言，微傳感器是指尺寸微小的傳感器，如敏感元件的尺寸從微米級到毫米級、甚至達到納米級，主要采用精密加工、微電子以及微機電系統技術(shù)，實(shí)現傳感器尺寸的縮小。

　　就集成的傳感器而言，微傳感器是指將微小的敏感元件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一塊芯片上而形成的集成傳感器；就傳感器系統而言，微傳感器是指傳感系統中不但包括微傳感器，還包括微執行器，可以獨立工作，甚至由多個(gè)微傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò )，或者可實(shí)現異地聯(lián)網(wǎng)；就市場(chǎng)占有率來(lái)講，微型傳感器是目前最為成功并最具實(shí)用性的微型機電器件，目前，微型傳感器已在汽車(chē)應用和提高員工效率等方面積累了良好的應用經(jīng)驗。其次，由于微型傳感器具有體積小、功能新、便于大批量生產(chǎn)、單件成本低等優(yōu)勢，其未來(lái)市場(chǎng)前景也非常光明。