现代智能传感器综述

1、智能传感器的主要功能和应用发展院系：物理工程学院专业：测试计量技术与仪器姓名：代启攵林学号：201312131581日期：2013年10月10日摘要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 试技术的研究和实验经验而提出来的，是一个相对独立的智能单元。它的出现使 得原本对硬件性能的苛刻要求有所降低，而依靠软件来帮助传感器，可以使其性 能大幅度提高。关键词：智能传感器；嵌入式软件；补偿计算；自动校验1引言目前，国际传感器领域已对“ smart senor”。定义形成了基本共识，但中文 译法尚未形成定论，本文所用的“智能传感器”仅为引用。智能传感器从其功能 来说是具有一种或

2、多种敏感功能，能够充成信号探测、变换处理、逻辑判断、功 能计算和双向通讯，内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断以及具备以下部分 功能或全部功能的器件。从使用的角度来讲传感器的准确度、稳定性和可靠性至关一奉要。长期以来 研究工作大都集中在硬件方面，虽然人们不断利用新材料研制敏感器件，改进传 感器芯片的制造工艺方法来提高芯片的质量以及通过外电路补偿方法来改善传 感器的线性度、稳定性和输出漂移，但都没有根本性的突破11。20世纪70年代，微处理取得举世瞩日的成就带来厂数字化的革命，对仪器 仪表的发展起到了巨大的推动作用。如90年代的虚拟仪器(vxi)飞速发展，使以 微型计算机为基础的测控系统都需要传

3、感器来提供赖以作出实时决策的数据。随 着系统自动化程度的提高和复杂性的增加，对传感器的综合精度、稳定可靠性和 响应要求越来越高。传统的传感器因其功能单，八十年代末期，人们又将微机械 加工技术应用到传感器，从而产生新概念传感器“smart Sensor”，或称为“智能 传感器”。2智能传感器的主要功能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口是一个相对独立的智能单元，它的出现对 原来硬件性能的苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助来使传感器的性能大幅度提高 口智能传感器通常可以实现以下功能： 2.1复合敏感功能我们观察周围的自然现象，常见的信号

4、有声、光、电、热、力和化学等。敏 感元件测讯一般通过两种方式:直接和间接的测量。而钾能传感器具有复合功能， 能够同时测量多种物理量和化学最，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。 如美国加利弗尼业大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、 压力和密度。美国EG&GIC Sensor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、速度、位移等。2.2自补偿和计算功能多年来，从事传感器研制的工程技术人员一直为传感器的温度漂移和输出非 线性作大量的补偿工作，但都没有从根本上解决问题。而智能传感器的自补偿和 计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟犷新的道路。这样，放宽

5、传感器 加工精密度要求。只要能保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通 过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获 得较为精确的测讯结果。2.3自检、自校。自诊断功能普通传感器需要定期检验和标定，以保证它布正常使用时足够的准确度，这 些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行，对于在线 测最传感器出现异常则。不能及时诊断。采用智能传感器时，情况则大有改观。 首先是，自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其 次，根据使用时Ilk可以在线迸行较正，微处理器利用存在1zY12M内的士卜 晕特性数据进行对比校义对。2.4信息存

6、储和传输功能随着全智能集散控制系统(Smart distributed system)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。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。如增益 的设置、补偿参数的设置、内检参数设置，测试数据输出等。3智能化传感器的应用现状目前，虽然尚处于研究开发阶段，但各领域己出现了一些实用的智能传感器。 3.1在汽车领域的应用到目前为止，最成功的智能传感器足为规模化生产的汽车工业开发的智能传 感器，在汽车女全行驶系统、车身系统、智能交通系统等领域的应用己经比较广 泛。例如：轮胎压力监测系统(TPMS)

7、用来监测汽车轮胎压力和温度的一种监 测系统闵。一个TPMS有4至5个RTPM模块；中央监视器接收到RTPM模块 发射的信号，并将各个轮胎的温度和压力数据显示在屏幕上，以供驾驶者参考。 如果轮胎的温度或压力出现异常，中央监视器可根据异常情况，发出不同的报警 信号，提醒驾驶者采取一定的措施。TPMS对防比重大交通事故的积极作用，以 及随着军队对汽车主动安全性要求的提高，该系统将在民用及军队拥有广阔的发 展空间。3.2在气体分析方而的应用在环境监测领域，智能传感器己经有了不少典型的应用案例。在2007年召 开的的DARPA微系统技术研讨会的会议海报上介绍了一种微气体分析仪，通过 微型、快速、超低功耗

8、、芯片级尺度微气体分析仪，能够检测270种分析物和十 扰物，最低可探测信号小于lppt可实现化学战剂的远程监测，用于边境预警用传 感器网络的构建。仪器也非常节能，每次分析能耗2.6J。据报道，美国密歇根大 学研究人员正在开发一种便携式可调节的二维微型气体色谱仪，能通过病人呼吸 诊断病情。3.3在航天航空领域的应用用于制造航天飞机和飞机的材料是有使用寿命的，因此NASA经常要检查 运载火箭、乘员舱、燃料箱和其它结构件的健康状况。美国斯坦福大学开发了一 项专利技术斯坦福多致动器接收转换(SMART)层。它的工作原理是：传 感器产生的电磁波在结构部件中传播，电磁波被其它的传感器接收，最后将数据 传输

9、到计算机中进行处理，提供了一种结构健康监测的实现方法。2009年，欧 洲空客公司主办了国际结构健康监测研讨会，Acellent技术公司的SMART层技 术获得了 “航空航天领域最佳实用SHM解决方案”奖。3.4在通信方而的应用智能传感器的一个技术突破就是通信功能采用标准化接口。IEEE1451系列 变送器接口标准使变送器到网络的连接和设备间的相互更加地便利，有研究者将 IEEE 1451与其他标准结合，取得了很好的效果回。刘龙等将IEEE 1451.2标准 与射频技术结合，以A-DUC812单片机为核心，应用射频芯片Nrf24e1、振动传 感器ADXL210与温度传感器DS18B20设计无线智

10、能传感器节点；蔡永娟等把 IEEE 1451和SWE(Sensor Web Enablemen)两个标准的长处进行结合，总结出一 个新型的传感器标准化架构；有研究者设计了基于IEE 1451标准的工业过程自 动控制多接日模块，使用ZigB ee通信系统，NIOSII处理器和RS232X IL IE标 准。除了之前研究较热的1451.a标准，1451.4和1451.5也正由实验室走向市场， 特别是末来社会对物联网的需求，将促进IEEE 1451系列标准族的更快发展和更 广泛的应用。智能化传感器被认为是传感器技术末来发展的主要方向之一。在今后的发展 中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到电磁、化学、

11、核物理和光学等研究领域。4需要解决的问题和发展方向4.1需要解决的问题就目前来看，我国传感器生产水平落后发达国家5到10年，科学测试仪器 精度比国外同类产品低0.5到1数量级，生产技术落后10年到15年。世界传感 器品种有两万多种，我国经过八五到l 一五发展目前只有5到s千种，还有很大 差距。我国很多传感器依赖进日，我国重大工程项目，特别是航天航空、化工、 石油领域用的l局端传感器，从数量上讲40%到50%，从价值70%到80%依靠 进日。智能化传感器所达到的技术水平并小成熟，主要集中在以卜几个方而：（1） 多维物理今量检测功能实际上是一把双刃剑。综合性能提l局了，但是各个检测 元件之间必然会

12、有或多或少的干扰发生，从而影响最终的测量结果，导致测量的 小准确，如何消除此类干扰是亟待解决的问题之一。（2）数据的自存储功能远小 够强大。以带有通们日办议的传感器为例，其传感器内部存储器空间仍小足以存 储大量的诊断以及参数配置信息，这也是需要解决的问题。（3 ）传感器产业结构 存在企业实力小强、分散，市场开拓小够。目前，我国传感器产业要做的小仅 仅是要实现自主产权的产业化建设，同时还要加强传感器应用技术的研发，加速 新型传感器的产业化进程。4.2发展方向科技以人为本，传感器的发展将依照现在及末来的需求向着更好地为人类服 务的方向发展。智能化传感器虽然己经取得了一些成就，但人们还不能随意设计

13、和创造人造思维系统，而职能也还处于研究探索的初级阶段。今后的研究内容将 主要集中在以下几个方而：（1）向微机械发展。半导体产业引发的技术进步使传 感器小型化成为可能，微传感器得到了突飞猛进的发展，为制作微传感器所研发 的新工艺，如体和表而硅微机械加工以及用来形成二维微机械结构的微立体光刻 新技术。展望末来，微机械和微机械的通讯方式将会得到进一步的发展。也许有 一天，许多的微型器件置于我们的身体中，进一步扩大我们对外界的感知能力和 范围。（2）向网络化发展。网络化是传感器领域发展的趋势。网络化是利用TCR/IP 协议，现场测控数据就近登临网络，与网络上有通信能力的节点直接进行通信， 实现数据的实

14、时发布和共享。随着多台传感器联网的推广应用，虚拟Intemet网， 传感器与用户之间可异地交换新信息和浏览，厂商不仅能直接与异地用户交流， 更能及时完成如传感器故障诊断、指导用户维修、及软件升级等工作，传感器操 作流程史加简化，功能史换史加方便。网络化的目标是采用标准的网络协议和模 块化结构，将传感器和网络技术结合起来。（3）利用纳米技术及生物技术研制传 感器。目前，分子和原子生物传感器是一门新学科，有报道，国外己利用纳米技 术研制出了分子级的电器，如纳米玛达、纳米开关和纳米电机等。（4）开发智能 材料，不断完善智能器件原理。主要研究信息注入材料的方式和途径，研究功能 效应、信息流在人工智能材料内部的转换机制。结束语智能传感器的出现改变了传统型传感器的设计理念、生产方式和应用模式， 被认为是影响人类末来生活的重要技术之一，这一新兴技术为人们提供了一种全 新的获取信息、处理信息的途径。相信在末来智能化的传感器将会越走越远。参考文献陈帅，钟先信，刘积学.等.无线传感器网络的新进展与应用J.