智能傳感器的概念、結(jié)構(gòu)、功能、特點及其應用

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(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，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優(yōu)點：通過軟件技術可實現(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。

自動化領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，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復雜性、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

智能傳感器的基本概念

⑴系統(tǒng);⑵傳感器;⑶智能。

定義1：智能傳感器是能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部性能以優(yōu)化外界數(shù)據(jù)獲取能力的傳感器系統(tǒng)。

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

關于智能傳感器的中、英文稱謂，尚未有統(tǒng)一的說法。John Brignell和Nell White認為“Intelligent Sensor”是英國人對智能傳感器的稱謂， 而“Smart Sensor” 是美國人對智能傳感器的俗稱。 而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“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(jié)構(gòu)

智能傳感器的功能

概括而言， 智能傳感器的主要功能是：

(1) 具有自校零、 自標定、 自校正功能;

(2) 具有自動補償功能;

(3) 能夠自動采集數(shù)據(jù)， 并對數(shù)據(jù)進行預處理;

(4) 能夠自動進行檢驗、 自選量程、 自尋故障;

(5) 具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能;

(6) 具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能;

(7) 具有判斷、決策處理功能。

可實現(xiàn)的功能

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)動作，結(jié)合長期以來測試技術的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元，它的出現(xiàn)對原來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——隨著全智能集散控制系統(tǒng)(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)絡以數(shù)字形式進行雙向通信，這也是智能傳感器關鍵標志之一。智能傳感器通過測試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來實現(xiàn)各項功能。如增益的設置、補償參數(shù)的設置、內(nèi)檢參數(shù)設置、測試數(shù)據(jù)輸出等。

2、自補償和計算功能——多年來從事傳感器研制的工程技術人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補償工作，但都沒有從根本上解決問題。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性補償開辟了新的道路。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性好，利用微處理器對測試的信號通過軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償，從而能獲得較精確的測量結(jié)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足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行。對于在線測量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時診斷。采用智能傳感器情況則大有改觀，首先自診斷功能在電源接通時進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。其次根據(jù)使用時間可以在線進行校正，微處理器利用存在EPROM內(nèi)的計量特性數(shù)據(jù)進行對比校對。

4、復合敏感功能——我們觀察周圍的自然現(xiàn)象，常見的信號有聲、光、電、熱、力、化學等。敏感元件測量一般通過兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能，能夠同時測量多種物理量和化學量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。復合力學傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度(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(guī)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方面的優(yōu)點：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自校單元定期自動校準，又可以采用適當?shù)姆答伔绞礁纳苽鞲衅鞯念l響。信號規(guī)一化：傳感器的模擬信號通過程控放大器進行規(guī)一化，又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器按數(shù)字傳輸?shù)膸追N形式進行數(shù)字規(guī)一化，如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。

智能傳感器的特點

①精度高

②可靠性和穩(wěn)定性高

③信噪比和分辯力高

④自適應性強

⑤性價比高

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

1.提高了傳感器的精度

智能式傳感器具有信息處理功能，通過軟件不僅可修正各種確定性系統(tǒng)誤差(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、服度誤差、零點誤差、正反行程誤并等)而且還可適當?shù)匮a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(tǒng)小型化，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些不可靠因素，改善整個系統(tǒng)的抗干擾件能;同時它還有診斷、?；春蛿?shù)據(jù)存儲功能(對于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應功能)，具有良好的穩(wěn)定性。

3.提高了傳感器的性能價格比

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

智能傳感器的應用

近20年來，我國智能交通系統(tǒng)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智能交通系統(tǒng)建設的過程。時至今日，我國城市智能交通系統(tǒng)在城市交通管理、信息服務及發(fā)展決策等方面開始發(fā)揮越來越重要的作用，對于緩解日益嚴峻的道路交通擁堵狀況起到了良好的支撐作用。在整個智能交通系統(tǒng)里，傳感器就如同人的五官一樣，發(fā)揮著不可替代的作用，并且在交通運輸?shù)母鱾€領域有著廣泛的作用。

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、采用先進的微電子技術、計算機技術，研究開發(fā)出將傳感器和微處理器結(jié)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，開發(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(nèi)外芯片技術，結(jié)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(wěn)定性更好。

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

智能傳感器發(fā)展主要分為三個階段，即數(shù)字化階段、智能化補償和校準階段、智能化應用和網(wǎng)絡階段。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)絡通信等多種功能。但目前國內(nèi)僅有少部分制造商達到這一階段，未能大規(guī)模普及。

傳感器的另一個發(fā)展方向是微型化。在汽車電子化、智能化工程中，傳統(tǒng)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(tǒng)技術，實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)而言，微傳感器是指傳感系統(tǒng)中不但包括微傳感器，還包括微執(zhí)行器，可以獨立工作，甚至由多個微傳感器組成傳感器網(wǎng)絡，或者可實現(xiàn)異地聯(lián)網(wǎng);就市場占有率來講，微型傳感器是目前最為成功并最具實用性的微型機電器件，目前，微型傳感器已在汽車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，其未來市場前景也非常光明。