智能化传感器

智能化传感器1、引言随着大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，微传感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础，传感器的功能形成了突破，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微处理器处理后的数字信号，有的甚至带有控制功能。技术发展表明：数字信号处理器（DSP）将推动众多新型下一代产品的发展，其中包括带有模拟-AI（人工智能）能力的“智能传感器”。最近几年，传感器智能化是传感技术发展的主要趋势。2、综述智能化传感器是将一个或多个敏感元件、精密模拟电路、数字电路、微处理器(MCU)、通讯接口、智能软件系统相结合的产物，并将硬件集成在一个封装组件内。该类传感器具备数据采集、数据处理、数据存储、自诊断、自补偿、在线校准、逻辑判断、双向通讯、数字输出/模拟输出等功能，极大地提高了传感器的准确度、稳定性和可靠性。由于采用标准的数字接口，智能化传感器有着很强的互换性和兼容性。智能化传感器从用户使用角度来看是一个具有标准数字接口的模块单元，用户可以按照面向对象的方法来设计自己的产品或应用系统。由于其标准仪表的数据接口满足IEEE1451协议，使得任何符合该协议的硬件设备均可与其连接和互换。由于其标准传感器的数据接口满足MSD-SYS接口规范，使得任何符合该协议的硬件设备均可与其连接和互换。智能化传感器内嵌了标准的通讯协议和标准的数字接口，使构造同类和/或不同类的复合传感器（多个传感器的结合）变得非常容易；同时借助标准的通讯支持组件，智能化传感器可轻而易举地组成网络或作为用户网络内的一个节点。智能传感器的功能：（1）、自补偿功能。可以通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂、响应时间等进行自动补偿。（2）、自校准功能。操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。（3）、自诊断功能。接通电源后,可以对传感器自检各部分是否正常。在内部出现操作问题时,能够立即通知系统通过输出信号表明传感器发生故障,并可诊断发生故障的部件。（4）、数值处理功能。根据内部的程序自动处理数据,例如进行统计处理,剔除异常数值等。（5）、双向通信功能。智能传感器的微处理器与传感器之间构成闭环,微处理器不但接收、处理传感器的数据,还可以将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制,它可以采用一种可懂且可接受的方式与系统接口。（6）、信息存储和记忆功能。（7）、数字量输出功能。智能传感器输出数字信号,可以很方便地与计算机或接口总线相连。此外,新兴的智能传感器技术还包括遥控设定、可编程序以及防止非法侵袭等特征,在性能上更加完整和先进。3、应用传感器智能化在交通系统方面取得重要进展目前，日本基于传感器的智能化交通系统方面的开发与应用已取得重要进展：车辆信息与通讯系统的开发覆盖全国范围；电子收费系统正在进入实用阶段。基于传感器的智能化交通系统被视为是解决交通事故数量增加、道路交通拥挤及环境等社会问题的途径，有望对21世纪的公路交通事业产生积极影响。日本1996年制订了综合计划，由建设部、国际贸易与工业部、运输部、邮电通讯部及国家警察署共同着手开发智能化运输系统。目前，日本基于传感器的智能化交通系统方面的开发与应用已取得重要进展：车辆信息与通讯系统的开发覆盖全国范围；电子收费系统正在进入实用阶段。2000年，先进的巡行辅助公路系统已进入实用阶段。建设部还制订了“2001年智能化道路计划”。导行系统占主导地位车辆信息与通讯系统(VICS)是一种能向驾驶员提供最新道路交通信息的数字数据通讯系统。1996年4月率先在日本投入使用。VICS是第一种连接导行系统和通讯系统的系统。1992年～1998年10月，在日本销售了3460000部导行系统。近期，工厂安装的导行系统的购买量超过了售后安装的需求量。这表明导行系统作为车内标准装置已成为发展趋势。1997年4月，戴姆勒—奔驰公司推出智能化交通导行系统(1TGS)。该系统能提供通往某目的地的最短行程信息、东京新国际机场的航班信息、新闻及天气预报等信息。同年11月，丰田公司推出(MONET)24小时信息服务。该服务包括介绍路状、交通运输、新闻、气象、餐饮、加油站及医院信息。MONET能通过其免提的音频数据输入系统发送和接收电话呼叫、电子邮件及简易固定形信息。索尼公司推出的MobileLink是一种利用因特网的道路信息服务系统。车上配有与因特网相联的导行系统的驾驶员可免费得到有关服务。导行系统还用来提高车辆的安全性。1997年9月投放市场的1998年本田Accord轿车采用配备有gyro传感器的导行系统。这种传感器能检测偏差行驶（Z形行驶）状况。1998年5月投放市场的丰田progres轿车具有“导行协同变速控制”功能。当转弯或驶入弯道制动器啮合时，该车能自动换入低速挡以提高弯道行驶时的安全性能。电子收费系统近年来，日本在电子收费系统的开发方面一直落后于其他国家。1999年，东京市区装用了电子收费系统(ETC)。日本的电子收费系统是在DSRC(专用短距离通讯系统)的基础上开发的。DSRC通过交互式通讯系统，使汽车与道路保持联系。汽车的仪器|仪表盘上装有一无线电装置，一IC卡插入该装置内。该卡能与电子收费系统每一车道安装的无线电设备进行“通讯”。这种能记录付税信息的IC卡是与信誉卡公司联合制造的。日本根据车型、已行驶距离及不同的管理系统的运转情况推出一种标准的电子付款装置。电子收费系统在未来几年内将得到更加广泛应用。收费卡门将增设电子收费系统车道，一般是乡村地区设一电子收费车道，东京的大型收费卡门则设置数条电子收费车道。预计到2002年，将有730个收费卡门(约为日本收费卡门总数的60%)配用电子收费系统。专用短距离通讯系统对电子收费系统是必不可少的。日本采用5.8GHZ的带宽作为电子收费系统的无线电波标准。智能传感器在生物医学的应用人体是世界上最复杂的系统，随着科学技术的发展，人体的复杂性进一步得到认识。评价人体指标，不能仅仅根据某几项数据得出结论，而必须根据具体的环境，综合分析人体的各项指标，经综合分析、才能得到最终准确的结论。其他的生物也具有相似性特点，这就要求生物传感系统必须具有智能化特点。如果把人体看做一个传感器，那么人体传感器就是目前世界上最为智能化的传感器。当人体对某一目标特点进行测试时，通过人体皮肤可以感受温度、压力、质量等；通过眼睛可以实现图像成像；通过鼻子可综合检测气体分子；通过耳朵可感受震动，实现声音的测试；以及通过舌头测试味道。然后，再将所有的数据输送到人体单元——大脑。由大脑来实现综合分析，并且得到目标结论。智能传感器的最终目标是达到并超过人体传感器的智能化水平，而要实现这个目标，需要不断地从人体传感器上寻求灵感。4、发展发展趋势大规模集成电路技术方面的快速发展将使具有学习能力的高度集成的先进传感系统得到进一步的发展和完善；神经网络与光导并行处理方式将有效地克服智能化传感器在适应性与金属线传输方面的限制。发展重点第一，应用机器智能的故障探测和预报。任何系统在出现错误并导致严重后果之前，必须对其可能出现的问题作出探测或预报。目前非正常状态还没有准确定义的模型，非正常探测技术还很欠缺，急需将传感信息与知识结合起来以改进机器的智能。第二，正常状态下能高精度、高敏感性地感知目标的物理参数；而在非常态和误动作的探测方面却进展甚微。因而对故障的探测和预测具有迫切需求，应大力开发与应用。第三，目前传感技术能在单点上准确地传感物理或化学量，然而对多维状态的传感却困难。如环境测量，其特征参数广泛分布且具有时空方面的相关性，也是迫切需要解决的一类难题。因此，要加强多维状态传感的研究与开发。第四，目标成分分析的远程传感。化学成分分析大多在基于样本物质，有时目标材料的采样又很困难。如测量同温层中臭氧含量，远程传感不可缺少，光谱测定与雷达或激光探测技术的结合是一种可能的途径。没有样本成分的分析很容易受到传感系统和目标组分之间的各种噪音或介质的干扰，而传感系统的机器智能有望解决该问题。第五，用于资源有效循环的传感器智能。现代制造系统已经实现了从原材料到产品的高效的自动化生产过程，当产品不再使用或被遗弃时，循环过程既非有效，也非自动化。如果再生资源的循环能够有且自动地进行，可有效地防止环境的污染和能源紧缺，实现生命循环资源的管理。对一个自动化的高效循环过程，利用机器智能去分辨目标成分或某些确定的组分，是智能传感系统一个非常重要的任务。研究热点：（1）物理转换机理的研究数字化输出是智能传感器的典型特征之一，它不仅仅是模拟-数字转换实现简单的数字化，而是从机理上实现数字化输出。其中，谐振式传感器具有直接数字输出、高稳定性、高重复性、抗干扰能力强，分辨力和测量精度高等优点。传统写真式传感器的频率信号检测需要较复杂的设计，这限制了其的广泛应用和在工业领域内的发展。而现在只需在同一硅片上集成智能检测电路，就可以迅速提取频率信号从而使谐振式微机械传感器成为国际上传感器的一个研究热点。（2）多数据融合的研究数据融合是一种数据综合和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成和应用，如通信、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化处理、计算机科学、人工智能和神经网络等。目前，数据融合已成为集成智能传感器理论的重要领域和研究热点。即，对多个传感器或多源信息进行综合处理、评估，从而得到更为准确、可靠的结论。因此，对于多个传感器组成的阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特点，利用其互补性、冗余性，提高测量信息的精度和可靠性，延长系统的使用寿命。近年来，数据融合又引入了遗传算法、小波分析技术和虚拟技术。（3）智能传感器的微型化智能传感器的微型化不仅仅是体积的微小化，而是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的微型化系统，并在智能程度上与先进科技融合，从而最终能够实现最小化的智能测试系统。5、结束语传感器技术与通信技术（信息传输）和计算机技术（信息处理）构成了现代信息技术的三大支柱，在信息系统中分别起着“感官”、“神经”和“大脑”的作用。目前传感器正从传统的分立式朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化方向发展。智能传感器作为21世纪最具影响力和发展前景的高新技术，正引起国内外电子信息界的高度重视。光电行业开发协会（OIDA）预测，自2003~2006年，智能传感器的国际市场销售量将以每年20%的高速度增长，智能传感器将在21世纪信息时代扮演更加重要角色。