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智能传感器原理及应用姓名：张军子湖北理工学院机电工程学院，黄石435000摘要：智能传感器技术是综合多种学科的复合型技术,是一门正在蓬勃发展的现代使感器技术。通过对其概念、结构、功能的阐述,指明了它的实现途径及应用过程中的特殊作用表明了智能传感器是未来发展的向。Abstract: Nowadays the intelligentsensorhas been applied ratherwidely since its extrusion. The conceptof the intelligentsensor, theway of its constitution, the characteristic of its function, the trend of its development and itsmain applicationwere introduced comprehensively in this paper. From this paperwe can draw a conclusion that the emerge of the intelligentsensor has represented the sensors developing direction in the future.引言 智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术,是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合性技术.在智能传感器发展进程中,由于对其“智能”含义的理解不断深化,各个时期的学者给予智能传感器的定义也随着历史的推移而演变.用,表明了智能传感器是未来发展的方向。1智能传感器的定义传感器(sensor)一词来自拉丁语sentire,意思是“觉察,领悟”。其作用是对于诸如热、光、力、声、运动等物理或化学的刺激做出反应,感受被测刺激后定量地将其转化为电信号,信号调理电路对该信号进行放大、调制等处理,再由变送器转化成适于记录和显示的形式输出。智能传感器( intelligent sensor)的概念最初是由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出并形成的,1978年研发出产品。宇宙飞船上需要用大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据信息,用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据,于是提出把CPU分散化,从而产生出智能化传感器。目前,智能传感器尚无公认的科学定义,但普遍认为智能传感器是由传统传感器与专用微处理器组成的。智能传感器可分两大部分:基本传感器和信息处理单元。基本传感器是构成智能传感器的基础,其性能很大程度上决定着智能传感器的性能,由于微机械加工工艺的逐步成熟以及微处理器的补偿作用,基本传感器的某些缺陷(如:输入输出的非线性)得到较大程度的改善;信息处理单元以微处理器为核心,接受基本传感器的输出,并对该输出信号进行处理,如标度变换、线性化补偿、数字调零、数字滤波等,处理工作大部分由软件完成。智能传感器的两大部分可以集成在一起设置成为一个整体,封装在一个表壳内;也可分开设置,以利用电子元器件和微处理器的保护,尤其在测试环境较恶劣时更应该分开设置。2智能传感器的结构最初的智能传感器设计主要集中在输出端数字处理上,旨在获得高精度的温度补偿和校正。后来的设计包括增强数字特性(如远距离通讯和可寻址能力)等,但研制工作还未涉及到制造过程所用的测试系统接口,这种接口可实现传感器的批量生产,从而大大降低传感器成本。智能传感器主要设计结构有两种一种是数字传感器信号处理(DSSP),另一种是数字控制的模拟信号处理(DCASP)1。如图1所示。最精确的设计都采用DSSP结构,通常包括两个传感器:被测量传感器(例如压力)和温度(补偿)传感器。在硅器件中,温度信号可直接从被测量传感器提取出来,传感器信号经多路调制器送到A/D变换器,然后再送到微控器进行信号的补偿和校正。校正时可用传感器输出的算法趋近或多表面逼近法进行信号处理,每个给定传感器的校正系数都被单独储存在永久性寄存器中。如果需要模拟输出,可另外加一个D/A变换器。DSSP结构的分辨率受输入A/D变换器的分辨率和补偿/校正处理分辨率的限制。响应时间受A/D变换时间和补偿时间限制。而基本的DCASP结构在传感器和模拟输出之间直接提供了一个模拟通道,因此,被测量分辨率和响应时间不受影响。温度补偿和校正都在并联回路实现,并联回路能改变信号放大器的失调和增益2。要获得数字输出信号,可加一个A/D变换器。3智能传感器的功能与特点智能传感器的功能概括起来主要有以下7个:1自校零、自标定、自校正;2自动补偿;3能自动采集数据,并对数据进行预处理;4能自动进行检验,自选量程,自寻故障;5能进行数据存储、记忆与信息处理;6双向通讯、标准化数字输出或符号输出;7能进行判断和决策处理.与传统传感器相比,智能传感器的特点是:1精度高智能传感器有多项功能来保证它的高精度,如;通过自动校零去除零点;与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定;对整体系统的非线性等系统误差进行自动校正;通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响等.这样,保证了智能传感器的高精度.2可靠性与稳定性好智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后所引起的系统特性的漂移,如:温度变化产生的零点和灵敏度漂移;当被测参数变化后能自动改换量程;能实时、自动地对系统进行自我检验,分析、判断所采集的数据的合理性,并给出异常情况的应急处理(报警或故障提示).3信噪比高、分辨力强由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能,通过软件进行数字滤波、相关分析等处理,可以去除输入数据中的噪声,将有用信号提取出来;通过数据融合、神经网络技术,可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响,从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力.4自适应性强智能传感器具有判断、分析与处理功能,它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况和高/上位计算机的数据传送速率,使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态.5价格性能比低智能传感器所具有的上述高性能,不是像传统传感器技术用追求传感器本身的完善、对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得的,而是通过与微处理器/微计算机相结合,采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的,因此,其价格性能比低.传感器本身是一个系统,随着科学技术的发展,这个系统的组成及其研究内容也在不断更新.早期人们曾简单片面地认为只要在工艺上将传感器与微处理器两者结合、将敏感元件及信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器.后来在实践中发现这是不必要和不经济的,成为智传感器的关键是传感器(通过信号调理电路)与微处理器/微型计算机赋予智能的结合,兼有信息检测与信息处理的功能.有的学者更进一步强调了智能化功能,认为“一个真正意义上的智能传感器,必须具备学习、推理、感知、通讯,以及管理等功能”.这相当于要具备一个知识与经验丰富的专家的能力.然而,知识的最大特点是它所具有的模糊性,所以模糊传感器是一种新型智能传感器,是一种能够在线实现符号处理的智能传感器,同时它也是一种智能测量设备.随着现代传感技术的发展,人工神经网络在智能传感器系统中将得到越来越广泛的应用.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的。4.1非集成化实现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5。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。5智能传感器的应用目前,虽然尚处于研究开发阶段,但市场已出现了一些实用的智能传感器。与传统的传感器相比,智能传感器提高了检测的准确度,具有可设置灵活的检测窗口、快捷方便的按钮编程等优点,使传统传感器的适用范围得到延伸。5.1检测不能直接测量的参数利用传统的传感器无法对标志产品质量的指标(如:粘度、硬度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制,很多场合就只好由人工定期检测,这使得测量结果引入了人为的误差,影响了产品质量。但这些质量指标与生产过程中的某些量(如:温度、压力、流量等)有着对应关系,使用智能传感器可根据检测到的那些辅助变量信息,利用由神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算,从而推断出产品的质量。5.2检测不便直接测量的参数糖尿病人需要随时掌握血糖水平,以便调整饮食和注射胰岛素,防止其它并发症的发生。通常测血糖时,必须刺破手指采血样,再将血样放在葡萄糖试纸上,最后把试纸放到专用仪器上进行检测。由于这种方法麻烦而病人又有痛苦,因此,糖尿病人希望找到一种无创伤而又方便的血糖检测方法。美国加利福尼亚州的Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”,其外观就像普通手表一样,戴上它就能实现无痛、无血、连续的血糖测试5。此种“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,葡萄糖分子就被吸引到垫子上,与试剂发生电化学反应,产生电流19。由传感器测量该电流,经微处理器计算出与该电流对应的血糖浓度,并以数字量显示。该产品中的一些关键问题,如怎样保证血糖的渗滤不受试剂的用量变化和温度波动的影响,如何协调控制电极的活化时间等,都因为利用微处理器建立的计算流体动力学模型进行仿真和计算,得到了很好的解决。近年来,智能传感器已经广泛应用在航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中,特别是随着高科技的发展,智能传感器备受青睐。例如它在智能机器人的领域中有着广阔的应用前景,智能传感器如同人的五官,可以使机器人具有各种感知功能8。6智能传感器的发展方向虚拟传感器、网络化和信息融合技术是智能化传感器发展完善的三个重要方向。虚拟传感器是基于软件开发而成的智能传感器,是在硬件的基础上通过软件实现测试功能的,利用软件还可完成传感器的校准及标定,使之达到最佳性能指标。因此其智能化程度很大部分取决于软件的开发水平。从发展的角度看,未来单个传感器独立使用的场合将越来越少,为实现多参数的测量和多对象的控制,更多的是多传感器系统的应用。测量和控制信息的交换在底层主要通过现场总线完成,高层数据交换则主要通过Internet等网络来实现6。为了满足这种多传感器之间的信息交换,传感器设计上软件将占据主要地位,软件对象不再是以前的单个对象,而是整个系统,其输出的数字信号是符合某种协议格式的7。通过网络可以实现传感器与传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换和共享3。因此,网络化是智能传感器未来的发展方向。多传感器信息融合是指将经过集成处理的多传感器信息进行合成,形成对外部环境某一特征的一种表达方式,经过集成与融合的多传感器信息能完善的、精确的反映被测对象的特征。这也是智能化传感器发展的一个重要方向。智能传感器代表着传感器发展的总趋势,它已经受到了全世界范围的瞩目和公认,因此,可以说智能传感器是一种发展前景十分看好的新型传感器今后,随着硅微细加工技术的发展,新一代的智能传感器的功能将会更加完善。它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术等,使传感器具有更高级的智能功能,同时它将朝着微处理器、微执行器、微传感器三位一体构成一个微系统的方向发展。7结束语综上所述,智能传感器系统是一门涉及多学科的综合技术,是当今世界正在发展中的高技术.作为一个设计和应用智能传感器系统的程师,除必须具有经典的、现代的传感器技术外,还必须具有信号分析与处理、计算机软件设计、通讯与接口、电路与系统等多种学科方面的基础知识.当然,智能传感器系统的建立也需要有多种学科的工程师的积极参与,并肩合作.智能传感器的兴起是适应现代自动化系统发展的需要,是传感器技术克服自身落后状况、不断完善和发展的必然趋势,代表了传感器发展的方向.参考文献: 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