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论文传感器论文简 析智能传感器(定稿) 简析智能传感器摘要文章通过介绍智能传感器的定义，结构，功能与应用等，阐述了智能传感器是未来传感器的发展方向，它的发展拥有广阔的市场前景。 关键词智能传感器;信息技术Introduces aintelligent sensorAbstract:Articles throughthe introductionof thedefinition ofsmart sensors,structure,function andapplication andso on,elaborated theintelligent sensoris thefuture directionof development,its developmenthas extensivemarket prospect.Keywords intelligentsensor,information technology0引言随着科技的发展，传感器作为朝阳产业，近几年得到了飞速的发展，加上计算机等的发展，传感器也越来越向智能化方向发展。 目前在很多领域，传统的传感器已经不能达到要求，这也迫使传感器向智能化方向发展。 综合，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。 1智能传感器的定义传统传感器(sensor)一词拉丁语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,然后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。 智能传感器是在传统传感器的基础上发展而来的，由于对其“智能”含义理解的不断深化,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，所以至今还没有形成规范化的定义6。 智能传感器(inte lligentsensor)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。 早期，人们简单、机械地强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其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”。 后来出现了一些其他的定义，比如智能传感器系统书上的定义“传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)”；模糊传感器也是一种智能传感器(系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。 （智能传感器系统，刘君华，西安电子科技大学出版社）。 和现代新型传感器原理与应用书上的定义所渭智能式传感器就是一种带行微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器5。 （现代新型传感器原理与应用，刘迎春，叶湘滨等，国防工业出版社，2000.5）此外，对于智能传感器的中、英文称谓，目前也尚未统一。 John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓，而“Smart Sensor”是美国人对智能传感器的俗称。 H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一而Johan文中按集成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor”、“Integrated SmartSensor”。 对“SmartSensor”的中文译名有译为“灵巧传感器”的，也有译为“智能传感器”的。 虽然，截止目前为止,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。 2.智能传感器的原理与结构智能传感器一般可分两大部分: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,基本被测量传感器温度传感器传感器的某些缺陷得到了较大程度的改善;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。 当然，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。 现在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,温度信微控器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。 被测量传感器温度传感器A/D变换器多路调节器D/A变换器EFPROM模拟输出数字输出DSSP结构校准补偿处理器EEPROM A/D变换器信号放大器模拟输出DCASP结构图1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是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。 是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。 现在的智能传感器不仅具有视觉、触觉、听觉、味觉,还有了储存、思维和逻辑判断能力等人工智能。 概括而言,主要功能有以下几点4: （1）信息存储和传输功能强大的通讯接口功能，具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能。 随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)的飞速发展，对智能单元要求具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。 智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。 （2）自动补偿，计算功能智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度飘移和非线性补偿开辟了新道路,这样，就放宽了对传感器加工精密度的要求,只要能保证其重复性好,利用微处理器对测试的信号通过软件计算也能获得较精确的测量结果。 另外还可进行统计处理、能够重新标定某个敏感元件,使它重新有效。 （3）自动进行检验、自选量程、自寻故障功能普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，通常这些工作比较麻烦，而带微控器的智能传感器则具有先进的自诊断功能,对于外部环境条件引起的工作不可靠和传感器内部故障造成的性能下降都能以直观的指示方式,可持续显示诊断结果和工作状态。 无论内外因素,诊断信息都能使系统在故障出现之前报警,从而减少系统停机时间,提高生产效率。 （4）复合敏感功能敏感元件测量一般通过两种方式直接和间接的测量。 而智能传感器能够同时测量多种物理量和化学量,具有复合敏感功能,能够给出全面反映物质变化规律的信息,如美国EG&GICSensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度（加速度传感器）、速度（速度传感器）、位移（位移传感器）等。 （5）智能传感器的集成化功能由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点较高信噪比；改善性能；信号规一化。 （6）掉电保护功能由于微型计算机的RAM的内部数据在掉电时会自动消失,这给仪器的使用带来很大的不便。 为此在智能仪器内装有备用电源,当系统掉电时,能自动把后备电源接入RAM,以保证数据不丢失。 除了这些主要功能外，由于智能式传感器是一个以微处理器为内核扩展了外围部件的计算机检测系统。 所以相比一般传感器，智能式传感器有以下显著特点 （1）提高了传感器的精度 （2）提高了传感器的可靠性 （3）提高了传感器的性能价格比 （4）促成了传感器多功能化4智能传感器的主要实现途径目前,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，分别是非集成化实现，集成化实现和混合实现。 （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（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、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7。 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。 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智能传感器的应用虽然对于智能传感器的研究尚处于开发阶段,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。 它的主要应用有检测不能直接测量的参数和检测不便直接测量的参数。 （1）检测不能直接测量的参数如在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）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、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，可推断出产品的质量。 （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（比如放在注射针头内送进血管测量血液流动情况）、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。 （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) （2）检测不便直接测量的参数如在医学领域中，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。 通常测血糖时必须刺破手指采血，再将血样放到葡萄糖试纸上，最后把试纸放到电子血糖计上进行测量。 这是一种既麻烦又痛苦的方法。 美国Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”,其外观像普通手表一样，戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。 “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，葡萄糖分子就被吸附到垫子上，并与试剂发生电化学反应，产生电流。 传感器测量该电流，经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度，并以数字量显示。 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。 6智能传感器未来的发展方向由于经济与科技的飞速发展，促使传统传感器向智能化方向发展，现在智能传感器的发展是越来越得到各界的关注，对于其未来的发展方向也得到了多方人士的讨论，经讨论普遍认为的是虚拟传感器、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图2经典传感器信号调理电路微处理器总线接口能传感器,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3。 网络化也是智能传感器未来的发展方向。 因为从发展的角度看,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Inter等网络来实现。 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。 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。 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总结智能传感器是一个快速发展的研究领域,它将不可避免地使目前的医学、工业、航空、