智能传感器研究的进展与展望

智能传感器研究的进展与展望

郭晨

（贵州大学明德学院电子信息工程061班，贵州贵阳550004）

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1673-0992（2010）04-165-02

摘要：智能传感器是21世纪最具代表性的一项高新技术,是当今国内外科技界研究的热点。本文对智能传感器的概念、结构、功能特点以及发展前景等进行了介绍。

关键词：智能传感器；网络化智能传感器

一、引言

智能传感器是美国宇航局(NASA)在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船需要速度、加速度、位置和姿态等传感器,宇航员的生活环境需要温度、气压、空气成份和微量气体传感器,科学观测也要用大量的各种传感器。宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的,处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据,并降低成本,必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器。因此实现数据处理由集中处理变为分散处理,避免使用超大型计算机，由此而产生了智能传感器。

智能传感器是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，多年来一直是国内外科技界研究的热点。智能传感器过去主要用于过程工业，如今在离散自动化领域和商业领域都有广泛应用。

二、概念与原理

电气电子工程师学会(IEEE)在1998年通过了智能传感器的定义，即“除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器”。也就是说，智能传感器是一种带有微处理器的，具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。

智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或

微计算机)相结合而构成的,它充分利用微处理器的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。图1是智能传感器的原理框图,它包括测量信号调理(如滤波、放大、A/D转换等)、数据处理、数据显示以及自校自检自补偿等功能。

图1智能传感器的原理框图

微处理器是智能传感器的核心,它不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于微处理器充分发挥各种软件的功能,可以完成

硬件难以完成的任务,从而大大降低了传感器制造的难度,提高传感器的性能,降低成本。需要指出的是,除微处理器以外,智能传感器相对于传统传感器的另一显著特征是其信号调理电路。被测的物理量转换成相应的电信号后,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、转换、再送入计算机(微处理器)中进行处理。

三、发展前景

在未来，智能传感器技术的发展将具有以下特点：

(一)集成化：集成化智能传感器是将传统的经典传感器、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一个智能传感器系统。这种集成化智能传感器是在现场总线控制系统的发展推动下发展起来的。

其中模糊传感器是近年来发展的一个新方向。它是在经典数值测量的基础上经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。模糊传感器的“智能”表现在它可以模拟人类感知的全过程。它不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且具有学习推理的能力，具有适应测量环境变化的能力，并能够根据测量任务的要求进行学习推理。此外，它还具有与上级系统交换信息的能力，以及自我管理和调节的能力。图2为模糊传感器的结构示意图。

图2模糊传感器的结构示意图

（二）集成微型化：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、微处理单元，并把它们集成在一块芯片上。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM)。这种传感器具有微型化、结构一体化、精度高、多功能、阵列式全数化等特点。

但是由于其集成难度大,需要大批量的规模生产才能降低成本。以目前的技术水平,要低成本实现集成微型化的智能传感器系统还非常困难。但集成微型化的智能传感器系统在航天、导弹制导、精密控制等方面具有重大的应用价值。

（三）混合型：根据需要与可能，将传感器的各个单元分别进行集成化。如将敏感单元、信号调理电路、微处理单元、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．并封装在一个外壳里。

这种方法既能根据需要灵活地采用集成方案,降低集成实现的难度,又能灵活地利用信息融合等信号处理技术,确保系统具有极优越的性能。与非集成化传感器系统或简单的集成传感器系统相比,系统功耗较低、体积较小、重量较低、可靠性更高、速度更快。采用表面安装技术(SMT)进行二次封装,系统的某些模块失效后,可以将其替换,从而大大提高系统的性价比[1]。

（四）网络化：随着网络时代的到来特别是internet的迅速发展，信息化已进入崭新的阶段。网络化智能传感器即在智能传感技术上融合通信技术和计算机技术，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，从而实现信息的“采集”、“传输”和处理，成为统一协调的一种新型智能传感器。网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，节省投资，易于系统维护，也使系统易于扩充。

网络化智能传感器一般由信号采集单元、数据处理单元和网络接口单元组成。这三个单元可以是采用不同芯片构成合成式的，也可能是单片式结构。其基本结构如图3。

图3网络化智能传感器的基本结构

网络化智能传感器的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具有微体积、微功耗、可靠性高、可抗干扰能力强等特点。带有高速CMOSFlash／EEP—ROM，片内可以集成多个通道的模／数转换模块。可以实现模拟量／数字量之间的转换，完成信号数据的采集、处理(如数字滤波、非线性补偿、零点漂移与温度补偿、自诊断与自保护等)和数据输出调度(包括数据通信和控制量本地输出)。因此，传感器的线性度和测量精度大大提高。同时，由于传感器已进行了大量的信息处理，不但减少了测控系统中主控站的工作量，而且减少了系统的信息传输量，可以使系统的可靠性和实时性大大提高[2]。

网络化智能传感器研究的关键技术是网络接口技术。网络化传感器必须符合某种网络协议，使现场测控数据能直接进入网络。由于目前工业现场存在多种网络标准，因此也随之发展起来了多种网络化智能传感器，具有各自不同的网络接口单元类型。目前主要有基于现场总线的智能传感器和基于以太网协议的智能传感器两大类。

参考文献：

【1】高国富.智能传感器及其应用.化学工业出版社,2005

【2】沙占友.集成化智能传感器原理与应用.电子工业出版社,2004