智能傳感器的主要功能和應(yīng)用發(fā)展

目前，國際傳感器領(lǐng)域已對(duì)“SmartSensor”定義形成了基本共識(shí)，但中文譯法尚未形成定論，本文所用的“智能傳感器”僅為引用。智能傳感器從其功能來說是具有一種或多種敏感功能，能夠完成信號(hào)探測(cè)、變換處理、邏輯判斷、功能計(jì)算和雙向通訊，內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)自檢、自校、自補(bǔ)償、自診斷以及具備以上部分功能或全部功能的器件。

從使用的角度看，傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。長期以來研究工作大都集中在硬件方面，雖然人們不斷利用新材料研制敏感器件，改進(jìn)傳感器芯片的制造工藝方法來提高芯片的質(zhì)量以及通過外電路補(bǔ)償方法來改善傳感器的線性度、穩(wěn)定性和輸出漂移，但都沒有根本性的突破。20世紀(jì)70年代，微處理器舉世矚目的成就帶來了數(shù)字化的革命，對(duì)儀器儀表的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。如90年代的虛擬儀器(VXI)飛速發(fā)展，使以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)控系統(tǒng)都需要傳感器來提供賴以作出實(shí)時(shí)決策的數(shù)據(jù)。隨著系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高和復(fù)雜性的增加，對(duì)傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高。傳統(tǒng)的傳感器因其功能單一，不能滿足多種測(cè)試要求，為此，人們將微處理器的智能技術(shù)用于傳感器。八十年代末期，人們又將微機(jī)械加工技術(shù)應(yīng)用到傳感器，從而產(chǎn)生新概念傳感器“SmartSensor”，或稱為“智能傳感器”。

智能傳感器的主要功能

智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長期以來測(cè)試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來的。是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能單元，它的出現(xiàn)對(duì)原來硬件性能的苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助來使傳感器的性能大幅度提高。智能傳感器通常可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）復(fù)合敏感功能

我們觀察周圍的自然現(xiàn)象，常見的信號(hào)有聲、光、電、熱、力和化學(xué)等。敏感元件測(cè)量一般通過兩種方式：直接和間接的測(cè)量。而智能傳感器具有復(fù)合功能，能夠同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時(shí)測(cè)量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GICSensors公司研制的復(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測(cè)量物體某一點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度、速度、位移等。

（2）自補(bǔ)償和計(jì)算功能

多年來，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性作大量的補(bǔ)償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)償開辟了新的道路。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(fù)性好，利用微處理器對(duì)測(cè)試的信號(hào)通過軟件計(jì)算，采用多次擬合和差值計(jì)算方法對(duì)漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而能獲得較為精確的測(cè)量結(jié)果。

（3）自檢、自校、自診斷功能

普通傳感器需要定期檢驗(yàn)和標(biāo)定，以保證它在正常使用時(shí)足夠的準(zhǔn)確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸送到實(shí)驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門進(jìn)行,對(duì)于在線測(cè)量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時(shí)診斷。采用智能傳感器時(shí)，情況則大有改觀。首先是，自診斷功能在電源接通時(shí)進(jìn)行自檢，診斷測(cè)試以確定組件有無故障。其次，根據(jù)使用時(shí)間可以在線進(jìn)行校正，微處理器利用存在E2PROM內(nèi)的計(jì)量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校對(duì)。

（4）信息存儲(chǔ)和傳輸功能

隨著全智能集散控制系統(tǒng)(SmartDistributedSystem)的飛速發(fā)展，對(duì)智能單元要求具備通信功能，用通信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式進(jìn)行雙向通信，這也是智能傳感器關(guān)鍵標(biāo)志之一。智能傳感器通過測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。如增益的設(shè)置、補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出等。

智能傳感器的集成化

由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展使得傳感器與相應(yīng)的電路都可以集成到同一芯片上，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)：一是有較高的信噪比：傳感器的弱信號(hào)先經(jīng)集成電路信號(hào)放大后再遠(yuǎn)距離傳送，就可大大改進(jìn)信噪比；二是可以改善性能：由于傳感器與電路集成于同一芯片，故對(duì)傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過自校單元定期自動(dòng)校準(zhǔn)，又可以采用適當(dāng)?shù)姆答伔绞礁纳苽鞲衅鞯念l響；其三是信號(hào)的規(guī)一化：傳感器的模擬信號(hào)通過程控放大器進(jìn)行規(guī)一化，又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，微處理器按數(shù)字傳輸?shù)膸追N形式進(jìn)行數(shù)字規(guī)一化，如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。

微機(jī)械加工技術(shù)與軟件

智能傳感器的制造基礎(chǔ)是微機(jī)械加工技術(shù)，將硅進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)、焊接加工，再采用不同的封裝技術(shù)來封裝，近幾年又發(fā)展了一種LIGA工藝(深層X射線光刻電鍍成敏膜)用于制造傳感器。

智能傳感器一般都具有實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的功能，尤其在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，常要求在幾微秒內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理和輸出。智能傳感器的一系列功能都是在程序支持下進(jìn)行。如功能多少、基本性能、方便使用、工作可靠，大都在一定程度上依賴于軟件設(shè)計(jì)和其質(zhì)量，這些軟件主要有五大類，其中包括標(biāo)度換算、數(shù)字調(diào)零、非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、數(shù)字濾波技術(shù)。

國內(nèi)外應(yīng)用情況

十幾年前，美國Honeywell公司研制第一只智能傳感器。它是將硅敏感元件技術(shù)與微處理器的計(jì)算、控制能力結(jié)合在一起，建立了新的傳感器概念。目前智能傳感器多使用于壓力、力、振動(dòng)沖擊加速度、流量、溫濕度的測(cè)量。如美國Honeywell公司的ST3000系列全智能變送器，德國Strohrmann公司的二維加速度傳感器等。

目前，智能傳感器系統(tǒng)本身都是數(shù)字式的，但其通信規(guī)定仍采用4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。國際上有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)正在積極推出國際規(guī)格的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)場(chǎng)總線)。在現(xiàn)在的過渡階段采用了HART協(xié)議(HighwayAddressableRemoteTransducer，尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)線)。這是一種智能傳感器的通信協(xié)議，與現(xiàn)有的4～20mA的系統(tǒng)兼容，模擬與數(shù)字可以同時(shí)進(jìn)行通信。這樣使不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品具有通用性。

我國對(duì)智能傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，始于20世紀(jì)80年代中期，80年代末，中國國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等大專院校相繼報(bào)道了研究成果。90年代初，國內(nèi)幾家研究機(jī)構(gòu)采用混合集成技術(shù)成功的研制出實(shí)用的智能傳感器，標(biāo)志著我國智能傳感器的研究進(jìn)入了國際行列，但是與國外的先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距，主要在：先進(jìn)的計(jì)算、模擬和設(shè)計(jì)方法；先進(jìn)的微機(jī)械加工技術(shù)與設(shè)備；先進(jìn)的封裝技術(shù)于設(shè)備；可靠性技術(shù)研究等方面。所以加強(qiáng)技術(shù)的研究和引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，提高整體水平是我們今后努力的方向。

今后幾年，智能傳感器將擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，越來越多的智能傳感器將會(huì)在我國國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。