智能传感器.docx

智能传感器.docx

《智能传感器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能传感器.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能传感器

智能传感器原理及应用

摘要：

智能传感器技术是综合多种学科的复合型技术，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．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。

随着工业自动化的飞速发展，对传感器的性能要求越来越高，传统传感器已不能满足要求，于是，高性能的智能传感器也就应运而生。

智能传感器的出现是传感器技术的一次革命，它是传感器技术与计算机技术相结合的典范。

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、系统化的方向发展。

据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测，在2003年～2020年期间，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。

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。

智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。

一、智能传感器的组成及功能、特点

1、智能传感器的定义

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，于是提出把CPU分散化，从而产生出智能化传感器。

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。

所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。

智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。

从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。

需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况：

（1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”

（2）传感器能够配微处理器。

显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。

2、智能传感器的组成

智能传感器是由传统传感器和微处理器相结合而构成的。

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。

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的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而降低了传感器制造的难度。

提高了传感器的性能，减少了传感器的成本。

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。

再送入微处理器中进行处理。

智能传感器的定义及功能

世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系列智能压力传感器。

它具有的多参数传感（差压、静压和温度）与智能化的信号调理功能。

3、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。

概括而言，主要功能有以下几点：

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。

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。

3）、复合敏感功能

度补偿和校正都在并联回路实现，并联回路能改变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。

4）、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。

5）、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。

6）、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。

7）、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。

8）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

4、智能传感器与传感系统的特点

智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。

美国BB（BURR－BROWN）公司：

XTR系列精密电流变送器，转换精度±0.05％，非线性误差±0.003％。

（1）自动补偿能力。

通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。

（2）在线校准。

操作者输入零值或某一标准量值后，自动校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。

（3）自诊断。

接通电源后，可对传感器进行自检，检查传感器各部分是否正常，并可诊断发生故障的部件。

（4）数值处理。

可以根据智能传感器内部程序，自动处理数据，如进行统计处理，剔除异常值等。

（5）双向通信。

微处理器与传统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，还可将信息反馈至传感器，对测量过程进行调节和控制。

（6）信息存储和记忆。

存储传感器的特征数据和组态信息。

（7）数字量输出。

输出数字通信信号，可方便地和计算机或现场线相连。

三、智能传感器的发展

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的。

1、非集成化

非集成化智能传感器是将传统的基本传感器、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智能传感器系统J。

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。

2、混合化

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）以不同的组合方式集成在两块或块芯片卜，并装在一个外壳里。

3、集成化

电子自动化产业的迅速发展与进步促使传感器技术、特别是集成智能传感器技术日趋活跃发展，近年来随着半导体技术的迅猛发展，国外一些著名的公司和高等院校正在大力开展有关集成智能传感器的研制，国内一些著名的高校和研究所也积极跟进，集成智能传感器技术取得了令人瞩目的发展。

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、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。

传感器向集成化、智能化发展

大规模集成电路技术和微机械加工技术的迅猛发展，为传感器向集成化、智能化方向发展奠定了基础，集成智能传感器在应用领域成为传感器发展的总体趋势。

图1给出了集成智能传感器的组成框图。

集成智能传感器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、信号调制电路，以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成。

这样，使智能传感器达到了微型化和结构一体化，从而提高了精度和稳定性。

　　目前市场上的集成智能传感器已经成为研究热点，其发展方向主要有以下几个方面：

（1）向微型化发展；

（2）应用新的物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理；

　　（3）使用新型材料；

　　（4）向微功耗及无源化发展；

　　（5）采用新的加工技术（如化学微腐技术、微机械加工技术）；

　　（6）向高可靠性、宽温度范围发展。

集成智能传感器四大热点

1）.物理转化机理

　　由于集成智能传感器可以很容易对非线性的传递函数进行校正，得到一个线性度非常好的输出结果，从而消除了非线性传递对传感器应用的制约，所以一些科研工作者正在对这些稳定性好、精确度高、灵敏度高的转换机理或材料进行研究。

　　比如，谐振式传感器具有高稳定性、高精度、准数字化输出等许多优点，但传统的传感器频率信号检测需要较复杂的设备，限制了谐振式传感器的应用和发展，现在利用同一硅片上集成的智能检测电路，可以迅速提取频率信号，使得谐振式微机械传感器成为国际上传感器领域的一个研究热点。

2）.数据融合理论

　　数据融合是集成智能传感器理论的重要领域，也是各国研究的热点，数据融合技术，简言之，即对多个传感器或多源信息进行综合处理，从而得到更为准确、可靠的结论。

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。

　　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、最优化技术、计算机科学、人工智能和神经网络等。

近年来，不少学者又将遗传算法、小波分析技术、虚拟技术引入数据融合技术中。

3）.cmos工艺兼容

　　目前，国外在研究二次集成技术的同时，集成智能传感器在工艺上的研究热点集中在研制与cmos工艺兼容的各种传感器结构及制造工艺流程，探求在制造工艺和微机械加工技术上有所突破。

　　目前，利用cmos工艺兼容的集成湿度传感器将敏感电容和处理电路集成在一块硅片上，通过coventor模拟得到全量程总的敏感湿敏电容变化值，同时提高了可靠性并降低了成本，随着微机械加工技术的逐步发展，使得以cmos工艺技术制造的集成湿度传感器已经成为当前研究的热点。

图像传感器在cmos工艺兼容基础上使得其动态范围扩展技术有所进步。

4）.传感器的微型化

　　集成智能传感器的微型化决不仅仅是尺寸上的缩微与减少，而是一种具有新机理、新结构、新作用和新功能的高科技微型系统，并在智能程度上与先进科技融合。

其微型化主要基于以下发展趋势：

尺寸上的缩微和性质上的增强性；各要素的集成化和用途上的多样化；功能上的系统化、智能化和结构上的复合性。

4、智能传感器的发展方向

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。

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Internet等网络来实现J。

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J。

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J。

因此，网络化是智能传感器未来的发展方向。

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。

三、智能传感器的应用

目前，虽然尚处于研究开发阶段，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。

1、检测不能直接测量的参数

利用传统的传感器无法对标志产品质量的指标（如：

粘度、硬度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制，很多场合就只好由人工定期检测，这使得测量结果引入了人为的误差，影响了产品质量。

但这些质量结果引入了人为的误差，影响了产品质量。

但这些质量指标与生产过程中的某些量（如：

温度、压力、流量等）有着对应关系，使用智能传感器可根据检测到的那些辅助变量信息，利用由神经网络或专家系统技术建立的数学模型进行计算，从而推断出产品的质量。

2、检测不便直接测量的参数

糖尿病人需要随时掌握血糖水平，以便调整饮食和注射胰岛素，防止其它并发症的发生。

通常测血糖时，必须刺破手指采血样，再将血样放在葡萄糖试纸上，最后把试纸放到专用仪器上进行检测。

由

于这种方法麻烦而病人又有痛苦，因此，糖尿病人希望找到一种无创伤而又方便的血糖检测方法。

美国加利福尼亚州的Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”，其外观就像普通手表一样，戴上它就能实现无痛、无血、连续的血糖测试。

此种“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，葡萄糖分子就被吸引到垫子上，与试剂发生电化学反应，产生电流。

由传感器测量该电流，经微处理器计算出与该电流对应的血糖浓度，并以数字量显示。

该产品中的一些关键问题，如怎样保证血糖的渗滤不受试剂的用量变化和温度波动的影响，如何协调控制电极的活化时间等，都因为利用微处理器建立的计算流体动力学模型进行仿真和计算，得到了很好的解决。

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。

目前，智能传感器主要应用在工业生产过程参数的测量中，如智能温度传感器、智能压力传感器、智能流量传感器和智能液位传感器，最典型的产品当属ST-3000智能传感器，它在电力、化工和冶金等工业部门有较多的应用。

ST-3000智能传感器是一种带有微处理器的兼有检测和信息处理功能的传感器。

ST-3000智能传感器的测量头是一个半导体复合传感器，其芯片尺寸为3mm×4mm×0.2mm，它采用离子注入等半导体工艺，在同一芯片上制作差压、静力、温度三种敏感元件，敏感元件为4只电阻连接成的惠斯登电桥，处于芯片的边缘。

静压敏感元件也是利用惠斯登电桥网络来感测的，电阻配置在靠近支撑玻璃管的硅铜截面上。

利用硅和玻璃的不同压缩系数进行所施加的静压的压阻测量。

温度敏感元件是普通PN结热敏电阻。

整个芯片连同高低压导压部分，采用静压封接法，与玻璃真空密封在一起，信号由一束导线引出。

送多路选通器。

现场总线控制系统（FCS）的出现，将促使智能传感器有一个大的发展。

特别是，一旦现场总线国际标准出台，智能传感器的需求量将会显著增加，智能传感器将成为工业生产过程参数测量的主流仪表，这是传感器技术发展的新动向。

3、在汽车行业的前景

汽车数量的增加以及每辆汽车上所采用传感器数量的增多，决定了中国汽车传感器市场容量必将不断增大，中国传感器市场正进入蓬勃发展期。

从2004年到2009年，全球车用传感器以9%左右的速率增长，2008年市场需求量约为14.87亿个。

2007年-2010年中国汽车传感器市场销售额的年度复合增长率将超过35%。

其中，2009年其市场销售额将接近10.5亿美元，同比增长40.5%;2010年市场销售额将超过13.2亿美元，同比增长35.2%。