浅谈智能传感器研究现状

近代信息处理论文（综述）周锋SC11009011E-mail:[e-mail]1浅谈智能传感器研究现状浅谈智能传感器研究现状浅谈智能传感器研究现状浅谈智能传感器研究现状周锋1,2（1.中国科学院光电技术研究所，四川成都610029；2.中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽合肥230026）摘摘摘摘要：要：要：要：智能传感器是21世纪最具代表性的一项高新技术,是当今国际科技界研究的热点,是一门正在蓬勃发展的现代使感器技术。通过对其概念、结构、功能的阐述,进一步阐明其性能特点，指明了它的实现途径及应用过程中的特殊作用,表明了智能传感器是未来发展的方向。最后，综述一下智能传感器的现状，展望该技术的发展趋势。关键词：关键词：关键词：关键词：传感器；智能传感器；发展趋势RRRResearchesearchesearchesearchCCCCurrenturrenturrenturrentSSSSituationituationituationituationOOOOnnnnIntelligentIntelligentIntelligentIntelligentSSSSensorensorensorensorZHOUFENG1,2(1.TheInstituteofOpticsandElectronics，theChineseAcademyofScience，Chengdu610029,China；2.TheDepartmentofPMPI，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026，China)Abstract:Abstract:Abstract:Abstract:.Nowadaysintelligentsensoristhemostrepresentativeofahighnewtechnologythe21stcentury,hotspotoftheinternationalscientificresearchandtheintelligentsensorhasbeenappliedratherwidelysinceitsextrusion.Theconceptoftheintelligentsensor,thewayofitsconstitution,thecharacteristicofitsfunction,thetrendofitsdevelopmentanditsmainapplicationandfurtheritsperformancecharacteristicswereintroducedcomprehensivelyinthispaper.Fromthispaperwecandrawaconclusionthattheemergeoftheintelligentsensorhasrepresentedthesensor'sdevelopingdirectioninthefuture.Finally,itclarifiesthepresentsituationofintelligentsensor,lookingtothetrendofthedevelopmentofthistechnology.KeyKeyKeyKeywords:words:words:words:sensor;intelligentsensor;developmenttrend0000引言传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称。通常被测量是非电物理量,输出信号一般为电量。当今世界正面临一场新的技术革命,这场革命的主要基础是信息技术,而传感器技术被认为是信息技术三大支柱之一。一些发达国家都把传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等位置。随着现代科学发展,传感技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科也得到迅速的发展,并且在工业自动化、测量近代信息处理论文（综述）周锋SC11009011E-mail:[e-mail]2和检测技术、航天技术、军事工程、医疗诊断等学科被越来越广泛地利用,同时对各学科发展还有促进作用,而且也正逐步渗透到人们的日常生活中去。可以说,传感器技术水平的高低,是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。智能传感器是由传统的传感器和微处理器相结合而构成的。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了各种软件(如功能模块)的功能,所以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,提高了传感器的性能,降低了传感器的成本。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处理电路。被测的物理量转换成相应的电信号后,送到信号处理电路中,进行滤波、放大和转换后,再送人微处理器中进行处理。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控制理论等多种学科的综合性技术[1]。在智能传感器发展进程中,随着对“智能”含义的理解不断深化,各个时期的学者给予智能传感器的定义也不断演变。随着信息时代的到来,作为获取信息的手段——传感器技术得到飞速发展,其应用领域越来越广,人们对其要求越来越高,需求也越来越迫切。1111智能传感器概念传感器(sensor)一词来自拉丁语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,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(intelligentsensor)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CPU分散化,从而产生出智能化传感器[2]。目前,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。智能传感器可分两大部分: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,基本传感器的某些缺陷(如:输入输出的非线性)得到较大程度的改善；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。2222智能传感器的结构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近代信息处理论文（综述）周锋SC11009011E-mail:[e-mail]3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。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)。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[3]。图1DSSP(a)和DCASP(b)智能传感器结构比较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。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。要获得数字输出信号,可加一个A/D变换器。3333智能传感器的功能智能传感器的功能是通过比较人的感官和大脑的协调动作提出的,随着微电子技术及材料科学的发展,传感器在发展与应用过程中越来越多的与微处理器相结合,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[4]。概括而言,主要功能有以下几点:3.13.13.13.1自补偿和计算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,即使传感器的加工不太精密,只要能保证其重复性好,通过传感器的计算功能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。3.23.23.23.2自诊断功能带微控器的智能传感器还具有先进的自诊断功能,包括两个方面:①外部环境条件引起的工作不可靠;②传感器内部故障造成的性能下降。其直观的指示方式,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。近代信息处理论文（综述）周锋SC11009011E-mail:[e-mail]43.33.33.33.3复合敏感功能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,如光强、波长、相位和偏振度等参数可反映光的运动特性;压力、真空度、温度梯度、热量和熵、浓度、PH值等分别反映物质的力、热、化学特性。3.3.3.3.4444强大的通讯接口功能由于用了微型机使其接口标准化,所以能够与上一级微型机进行接口的标准化,智能传感器输出的数据通过总线控制,为与其它数字控制仪表的直接通讯提供了方便,使智能传感器可作为集散控制系统的组成单元受中央计算机的控制。3.3.3.3.5555现场学习功能利用嵌入智能和先进的编程特性相结合,工程师们已设计出了新一代具有学习功能的传感器,它能为各种场合快速而方便地设置最佳灵敏度。学习模式的程序设计使光电传感器能对被检测过程取样,计算出光信号阈值,自动编程最佳设置,并且能在工作过程中自动调整其设置,以补偿环境条件的变化。这种能力可以补偿部件老化造成的参数漂移,从而延长器件或装置的使用寿命和扩大其应用范围。3.3.3.3.6666提供模拟和数字输出许多带微控制器的传感器能通过编程提供模拟输出、数字输出或同时提供两种输出,并且各自具有独立的检测窗口。最新的智能传感器都能提供两个互不影响的输出通道,具有独立的组态设备点。3.3.3.3.7777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、剔出异常数值等。3.3.3.3.8888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。4444智能传感器的性能特点一般的传感器智能作为敏感元件，须配上变换仪表来检测物理量、化学量等的变化。随着微电子技术的发展，出现了智能仪表。智能仪表采用超大规模集成电路，利用嵌入式软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散。智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有很高的线性度和低的温度漂移，降低了系统的复杂性，简化了系统结构[5]。与传统传感器相比,智能传感器的特点是:1精度高智能传感器有多项功能来保证它的高精度,如；通过自动校零去除零点；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；对整体系统的非线性等系统误差进行自动校正；