測控系統(tǒng)的智能傳感器的結(jié)構(gòu)及特點

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(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優(yōu)點：通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低;具有一定的編程自動化能力;功能多樣化。一個良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅(qū)動的傳感器與儀表套裝，并且具有通信與板載診斷等功能。智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)。智能傳感器之間能進行信息交流，并能自我決定應(yīng)該傳送的數(shù)據(jù)，舍棄異常數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計計算等。自動化領(lǐng)域所取得的一項最大進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，來自6個傳感器廠家的專家對這一術(shù)語進行了定義。據(jù)Honeywell工業(yè)測量與控制部產(chǎn)品經(jīng)理Tom Griffiths的定義：“一個良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅(qū)動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(jiān)控系統(tǒng)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?！敝悄軅鞲衅骷闪藗鞲衅?、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

隨著測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)不能滿足一定的數(shù)據(jù)處理能力以及自檢、自校、自補償?shù)墓δ?，智能傳感器和多功能傳感器的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)走向市場。

智能傳感器的結(jié)構(gòu)及特點

傳感器像人的五官一樣，是獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但與飛速發(fā)展的計算機相比較，作為“五官”的傳感器遠遠趕不上作為“大腦”的計算機的發(fā)展速度。

隨著測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。

另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進材料工藝也很困難，需要利用計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，彌補其性能的不足，計算機技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生功能強大的智能傳感器。國外稱為Intelligentsensor(智能傳感器)或Smartsensor(靈巧的、機敏的、智能傳感器)。另外，傳統(tǒng)的傳感器一般只能測量一個參數(shù)，有些場合需要同時測量多個參數(shù)的體積小的多功能傳感器。現(xiàn)在多國科學家已重視這一方向的開拓，并已研制出一些多功能傳感器。

1、智能傳感器

智能傳感器是當今國際科技界研究的熱點，尚無統(tǒng)一的、確切的定義。本文不討論(Intelligentsensor或Smartsensor)兩個術(shù)語的區(qū)別，統(tǒng)稱為智能傳感器。

目前國內(nèi)外學者普遍認為，智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計算機)相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，并能對它的內(nèi)部行為進行調(diào)節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能傳感器的功能如下：

(1)自補償能力：

通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應(yīng)時間等進行自動補償。

(2)自校準功能：

操作者輸入零值或某一標準量值后，自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。

(3)自診斷功能：

接通電源后，可對傳感器進行自檢，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發(fā)生故障的部件。

(4)數(shù)值處理功能：

可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序，自動處理數(shù)據(jù)，如進行統(tǒng)計處理，剔除異常值等。

(5)雙向通信功能：

微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán)，微處理機不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，對測量過程進行調(diào)節(jié)和控制。

(6)信息存儲和記憶功能。

(7)數(shù)字量輸出功能：

輸出數(shù)字信號，可方便的和計算機或接口總線相連。

目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件，檢測物理量的變化，而智能傳感器則包括測量信號調(diào)理(如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能?？梢娭悄軅鞲衅鞯墓δ芤蜒由斓絻x器的領(lǐng)域。

早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機進行運算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心，把傳感器信號調(diào)節(jié)電路、微電子計算機存貯器及接口電路集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術(shù)有了進一步的提高，使傳感器實現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式，使用方便、操作簡單，并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的功能將逐步增強，它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等)，使傳感器具有更高級的智能，具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學習的功能，可以完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)。

智能傳感器大體上可以分三種類型：即具有判斷能力的傳感器;具有學習能力的傳感器;具有創(chuàng)造能力的傳感器。

2、智能傳感器的結(jié)構(gòu)

智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計算機)及相關(guān)電路組成。

傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，送到信號調(diào)理電路中，進行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后，送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心，它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進行計算、存儲、數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)。由于計算機充分發(fā)揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，從而大大降低傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。

智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成度高，體積小。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下還很難實現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號處理電路作在不同的芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器(HybridSmart2Sensor)。

目前這類結(jié)構(gòu)較多。初級的智能傳感器也可以有許多互相獨立的模塊組成，如將微計算機、信號調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)，則組高，體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實用的結(jié)構(gòu)形式。

智能傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

1)在智慧農(nóng)業(yè)中的運用

由于環(huán)境的特殊性，農(nóng)業(yè)項目大多都在田間進行，校正操作非常的不方便，人工成本也非常高，因此對傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的要求非常高，智能傳感器是最有效的一種傳感器。

2)在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量?？梢哉f，沒有了優(yōu)良的智能傳感器，工業(yè)自動化也就無從談起。

3)在機器人中的應(yīng)用

如今的機器人已具有類似人一樣的肢體及感官功能，有一定程度的智能，動作程序靈活，在工作時可以不依賴人的操縱，而這一切都少不了傳感器的功勞，傳感器是機器人感知外界的重要幫手。

4)在智慧醫(yī)療中的應(yīng)用

隨著智能傳感器的發(fā)展，醫(yī)學智能傳感器作為拾取生命體征信息的五官，它的作用日益顯著，并得到廣泛應(yīng)用。如：在圖像處理、臨床化學檢驗、生命體征參數(shù)的監(jiān)護監(jiān)測、呼吸、神經(jīng)、心血管疾病的診斷與治療等方面，智能傳感器的作用不可替代，未來它在現(xiàn)代醫(yī)學儀器設(shè)備中幾乎無所不在。

5)在智能家電中的應(yīng)用

智能家居是未來的一大趨勢，而智能家電將是很多家庭的必備產(chǎn)品，智能傳感器未來在很多家電中均可應(yīng)用，如電視劇、風扇、空調(diào)、洗衣機、晾衣機、冰箱、衣柜等，它是實現(xiàn)人與家電交流的基本器件，也是構(gòu)成家居物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

我國智能傳感器行業(yè)發(fā)展的不足

1、關(guān)鍵技術(shù)尚未突破

傳感器的設(shè)計技術(shù)囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識，突破起來十分困難，目前，在人才匱乏、研發(fā)成本高昂、企業(yè)惡性競爭激烈的情況下，我國還沒有突破傳感器一些共性關(guān)鍵技術(shù)。

2、產(chǎn)業(yè)化能力不足

由于我國企業(yè)技術(shù)實力的落后，行業(yè)發(fā)展規(guī)范尚未形成，導(dǎo)致國內(nèi)傳感器產(chǎn)品不配套且不成系列，重復(fù)生產(chǎn)、惡性競爭的現(xiàn)象的多發(fā)，使得產(chǎn)品可靠性較差、低端偏移較為嚴重，產(chǎn)業(yè)化程度與品種和系列不成正比，只能長期依賴國外進口。

3、資源不集中

目前我國傳感器企業(yè)又1，600余家，但大都以小微企業(yè)為主，盈利能力不強，缺乏技術(shù)引領(lǐng)的龍頭企業(yè)，最終導(dǎo)致資金、技術(shù)、企業(yè)布局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、市場等方面都變現(xiàn)出分散的狀態(tài)，資源得不到有效集中，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也遲遲無法走向成熟。

4、高端人才較為匱乏

由于傳感器行業(yè)發(fā)展處于起步階段，資金、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)都較為薄弱，加之涉及學科多，要求知識面廣，新技術(shù)層出不窮，導(dǎo)致很難吸引到高端人才投身其中。此外，我國人才培養(yǎng)機制的不完善、不合理，也導(dǎo)致行業(yè)面臨人才缺乏問題。

智能傳感器技術(shù)發(fā)展及趨勢

1、向高精度發(fā)展

隨著自動化生產(chǎn)程度的提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。

2、向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展

傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發(fā)展新興材料( 如陶瓷) 傳感器將很有前途。

3、向微型化發(fā)展

各種控制儀器設(shè)備的功能越來越強，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。

4、向微功耗及無源化發(fā)展

傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時離不開電源，在野外現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如T12702 運算放大器， 靜態(tài)功耗只有1.5 A， 而工作電壓只需2~ 5V.

5、向智能化數(shù)字化發(fā)展

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是單一的模擬信號( 如0~ 10mV) ， 而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號， 有的甚至帶有控制功能， 這就是所說的數(shù)字傳感器。

6、向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

網(wǎng)絡(luò)化是傳感器發(fā)展的一個重要方向，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢正逐步顯現(xiàn)出來。網(wǎng)絡(luò)傳感器必將促進電子科技的發(fā)展。

智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最重要的技術(shù)之一，在為傳統(tǒng)行業(yè)注入新鮮血液的同時也引領(lǐng)了傳感器產(chǎn)業(yè)的潮流，在醫(yī)學、工業(yè)、海洋、航天、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均發(fā)揮著核心作用，隨著智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，新一代智能傳感器將結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)不斷完善其功能，具有十分可觀的發(fā)展前景。