智能传感器的应用前景.doc

智能传感器的应用前景2012-7-16（XXXX，XXXX，XXXX）摘 要：为了解智能传感器的发展现状及其应用前景，通过描述智能传感器的结构、功能、优点以及国内外的应用情况，指出了智能传感器在军用电子系统、家用电器、远程智能监控系统、机器人研究中得到广泛应用，并将朝着微型化、虚拟化、网络化和信息融合等方向发展。关键词：智能传感器；微型化；网络化Application Prospect of Intelligent SensorXXX (XXXX, XXXX, XXXX)Abstract: In order to understand the application and development of the Intelligent Sensor, described the structure, function, advantages and application of both at home and abroad of intelligent sensor. It points out that the intelligent sensor has a wide range of application in the field of the military electronic system, household appliances, remote intelligent monitoring system, and robot system. And miniaturization, virtualization, network and information fusion will become the development trend of intelligent sensor.Keywords: intelligent sensor miniaturization network0 前言智能传感器(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，于是提出用CPU分散化，从而产生出智能化传感器。智能传感器是一种带有微处理器的兼有检测、判断与信息处理功能的传感器1。与传统传感器相比具有高精度、量程宽、多功能、高可靠性和高稳定性、自适应能力强、高信噪比、微功耗、性价比高等优点1。目前，智能传感器在军用电子系统、家用电器、远程监智能控系统、机器人研究中广泛应用。智能传感器将朝着微型化、虚拟化、网络化和信息融合技术等方向发展，且具有广阔的应用前景。1 智能传感器的结构和功能1.1 智能传感器的结构智能传感器是由传统传感器和微处理器单元两部分构成，它可以是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成的单片智能传感器，也可以是能够另配微处理器的传感器。图1给出了典型智能传感器系统的构成框图。图1.1智能传感器系统构成框图1.2 智能传感器的功能1.2.1 控制功能在智能传感器中，测量过程可以通过预先编制好的程序，在微型计算机的控制下实现自动化测量。其控制内容一般有：键盘控制功能、量程自动切换功能、多路通道的切换、极值判断与越界报警、自动校准、自动诊断测量结果显示及打印方式选择。1.2.2 数据处理功能智能传感器的数据处理功能主要包括：标度变换技术、数字调零技术、非线性补偿技术、温度补偿技术、数字滤波技术。1.2.3 数据传输功能智能传感器除了能独立完成一定的功能外，还可以实现各传感器之间，或与另外的微机系统进行信息交换和传输。1.2.4 其它的常用功能包括用于多敏性、记忆功能、数字和模拟输出功能及使用备用电源的断电保护功能等。2 智能传感器的实现途径2.1 非集成化实现非集成化智能传感器是将仅具有获取信号功能的传统传感器、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。现场总线控制系统的发展推动了此类传感器的发展。生产厂家可以保持原有的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，并配备具有控制、数据传输、数据处理等功能的智能软件，从而实现智能传感器功能。这是一条既经济又快速建立智能传感器的途径。2.2 集成化实现此类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、信号调理电路及微处理单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。这使智能化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，配合相应的图像处理软件，可以实现图形成像且构成多位图像传感器。2.3 混合实现集成化智能传感器是传感器发展的必然趋势，但是目前还存在一些棘手的难题，如敏感元件与集成电路工艺的兼容性问题，芯片面积有限，测试环境对信号处理电路的影响等问题。混合实现就是根据需要与可能，将系统各个集成化环节（如敏感单元、信号处理电路、微处理器单元、数字总线接口等）以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上。3 智能传感器的研究现状十几年前，美国Honeywell公司研制第一只智能传感器。它是将硅敏感元件技术与微处理器的计算、控制能力结合在一起，建立了新的传感器概念。近年来，智能传感器已经广泛应用于航天、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，智能传感器倍受青睐。目前，已经实用化的智能传感器有很多，多使用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如智能检测传感器、智能流量传感器、智能位置传感器、智能压力传感器、智能加速度传感器（德国Strohrmann公司的二维加速度传感器）等。电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术，特别是集成智能传感器技术日趋活跃发展，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所以及公司也积极跟进，集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。国产智能传感器逐渐在智能传感器领域迈开步伐，西安中星测控生产的PT600系列传感器，采用国际上一流传感器芯体、变送器专用集成电路和配件，运用军工产品的生产线和工艺，精度高，稳定性好，成本低，采用高性能微控制器（MCU），同时具备数字和模拟两种输出方式，同时针对用户的特定需求（如组网式测量，自定义通讯协议），均可在原产品基础上进行二次开发，周期极短，为用户节省时间，提高效率。已广泛应用于航空、航天、石油、化工、矿山、机械、大坝、地质、水文等行业中测量各种气体和流体的压力、压差、流量和流体的高度和重量。虽然，我国智能传感器的研究进入了国际行列，但是与国外的先进技术相比，我们还有较大差距。主要在表现以下几个方面：（1）先进的计算、模拟和设计方法；（2）先进的微机械加工技术与设备；（3）先进的封装技术于设备；（4）可靠性技术研究等方面。所以加强技术的研究和引进先进设备，提高整体水平是我们今后努力的方向。今后几年中，智能传感器将扩展到化学、电磁、光学和核物理等领域，可以预见，越来越多的智能传感器将会在各个领域发挥作用。4 智能传感器的应用及其发展趋势智能传感器在国防、工业、农业、医学以及其他方面中广泛应用3-6，并将朝着微型化、虚拟化、网络化和信息融合等方向发展，且具有广阔的应用前景。在国防、军工业中，利用智能传感器来对火炮姿态调试平台进行调试和检测。在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色、味道等）进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、湿度、压力、流量等），利用神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算，从而可推断出产品的质量。在农业生产中，智能传感器用来智能粮仓储藏系统的设计中。我国是一个人口大国，粮食的生产和储藏就是政府及社会各界人士关注的焦点。特别是在气候变化和耕地面积不断缩减等因素对粮食产量带来的冲击，粮食供给能力逐渐弱化，粮食的储藏就显得尤为重要。根据我国现阶段粮食储藏现状不难发现储藏湿度、温度和虫害是影响储藏质量的主要因素。因此在智能粮仓储藏系统这些因素的检测就具有非常重要的意义，不仅可以提高储藏质量，还能减少仓保人员，从而获得更大的经济效益。运用智能传感器实现对湿度、温度、虫害的自动实时监测和控制。在医学领域中，糖尿病患者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。美国Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”，其外观和普通手表一样，戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。另外，智能传感器在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，完成各种动作。智能传感器代表着传感器发展总趋势，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。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增多。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，它还将朝着微传感器、微执行器和微处理器三位一体构成一个微系统的方向发展。随着传感器技术和计算机网络技术的进步，包括微电子机械系统以及相关的接口、信号处理技术的发展，开发具有网络接口的智能传感器，并把他们组网并用于分布式测量于控制已成为可能并逐步升温。把多个智能传感器联网可以组成高精度、功能强大的测控网络。而且成本低、安装配置、升级和维护方便。智能传感器网络更加完备的监控能力使其广泛应用于汽车、工业过程控制、卫生保健、环境监测等。综上所述，虚拟化、网络化和信息融合技术将成为智能传感器发展完善的3个主要方向：第一，虚拟化。虚拟化是利用通用的硬件平台充分利用软件实现智能传感器的特定硬件功能，虚拟化传感器可缩短产品开发周期，降低成本，提高可靠性。第二，网络化。网络化智能传感器是将利用各种总线的多个传感器组成系统并配备带有网络接口（LAN或Internet）的微处理器。通过系统和网络处理器可实现传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间数据交换和共享。第三，信息融合技术。多传感器信息融合是智能处理的多传感器信息经元素级、特征级和决策级组合，形成更为精确的被测对象特性和参数。5 结论与展望智能传感器今后的研究内容将主要集中在以下几个方面：（1）微型化。微型结构仍是智能传感器的重要发展方向。“微型”技术是一个广泛的应用领域，它涵盖的微型工程、制造和系统等各种科学与多种微型结构。（2）利用生物技术及纳米技术研制传感器。目前，分子和原子生物传感器是一门高新学科。国外已利用纳米技术研制出分子级的电器，如纳米开关、纳米马达和纳米电机等。（3）研制开发智能材料，完善智能器件原理。智能传感器和人工智能材料，在今后的若干年内仍然是人们及其关注的一门科学。虽然此领域已经取得了一些成就，但人们还不能随意设计和创造人造思维系统，而只能处于研究探索的初级阶段。主要研究如何将信息注入材料的主要方式和有效途径，研究功能效应和信息流在人工智能材料内部的转换机制。（4）开发人工脑系统。发展高级智能机器人和完善人工脑系统。参考文献：1 赵燕. 传感器原理及应用M.