传感器的发展

智能传感器的发展及前景

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传感器技术。通过对其概念、结构、功能的阐述，指明了它实现途径及应用中的特殊作用，表明了传感器未来发展的方向。

关键字：智能传感器微型计算机信号处理集成化多功能化

一、引言

根据国家标准，传感器(sensor)的定义：“能够受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”敏感元件(sensing element)指传感器中能直接接受被测量的部分；转换元件(transduction element)指传感器中能将敏感元件感受的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分，使输出为规定的标准信号的装置称为变送器。

经过科学技术的发展，传统的传感器技术已达到其技术极限，与当今应用的需求相比，存在很多不足之处：因结构尺寸大,而时间(频率)响应特性差；输入—输出特性存在非线性,且随时间而漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移；信噪比低,易受噪声干扰；存在交叉灵敏度,选择性、分辨率不高。

智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，是传感器发展的一种新形势。早期，有人简单、机械地强调智能传感器就是在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合，认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”，之后人们认识到智能式传感器就是一种带行微处理机的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。虽然至今还没有形成规范化的定义，但是它的众多优点使它在自动化领域得到了广泛的应用，成为了数字时代的骄子。

二、智能传感器的定义

智能传感器(intelligent sensor)具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。

图1 传感器与计算机系统工作框图

传感器智能化的一个主要途径是与微计算机相结合。图1是传感器与微型计算机相结合系统工作的简单的示意图。

图示的是一个闭环控制系统，传感器是前端检测元件和转换元件，用来检测温度、压力、湿度、亮度等敏感信号的变化情况，然后将检测到的各种各样的物理信号的变化转换成为可以输入到计算机的电信号；计算机则是对输入的电信号做相关判断和计算，最后发出控制信号，这里的计算机不是普通意义上的计算机，它可以是一片集成模块或者是小型控制器；执行器在计算机的控制信号下运行，来改变控制对象的一些物理参数，例如对陶瓷智能片通电实现制冷或加热、控制电机的转动方向来驱动小车前进或后退、控制闸门的开闭来调节流量的大小。

二、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数字处理上，旨在获得较高精度的温度补偿和校正。后来的设计时为了增强数字特性，但研究工作还未涉及到制造过程所用的测试系统的接口，这种接口可实现传感器的批量生产，从而大大降低传感器的成本。

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2所示。

最精确的设计都采用DSSP结构，通常包括两个传感器：被测量传感器和温度传感器。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 转换器，然后在送到微控制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存储在永久性寄存器中。如果需要模拟输出，可以另外加一个D/A转换器。

DSSP结构的分辨率受输入A/D转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。

四、智能传感器的功能

从半导体传感器的发展过程来看，它是从但功能传感器开始，经由混合集成化传感器、单片集成电路、到与微计算机相结合的形式。这种传感器具有自动补偿和预知判断等功能，即传感器越来越向高智能化方向发展。所谓智能化就是使传感器具有一定的智能与判断能力，而传感器要达到智能化，一方面可通过传感器的集成化和多功能化获得一定智能，例如：用一个传感器或传感装置能同时检测几个物理量和化学量，具体应用有感温加感湿传感器、感气加感湿传感器等，或者将传感器与相应的电子电路集成在一块硅片上使之多功能化。

由于智能化传感器的集成特性和智能特性，下面介绍智能传感器的主要功能。

1.复合敏感功能

我们观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。如美国加利弗尼亚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&G IC Sensors 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，等等。

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了新的道路。这样，放宽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，从而能获得较精确的测量结果。

3. 自检、自校、自诊断功能

普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在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。对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改观，首先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。带微控制器的智能传感器具有先进的自诊断功能和直观的指示方式，可连续显示诊断结果和工作状态。自诊断功能包括两个方面，一是外部环境条件引起的工作不可靠，传感器能给出警示信号。二是传感器内部故障造成的性能下降也能给出诊断信号。无论内外部因素，诊断给出的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，提高生产率。

其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。

4. 信息存储和传输

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一。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。

5.提供模拟和离散输出

许多带微控制器的传感器能通过编程提供模拟输出、离散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。因此用户可用一个可编程装置同时解决精密测量和有无检测任务。一些新的光纤传感器带有可测性输出。它把输出模拟信号平均分布在整个编程的检测窗口，以提供连续一致的响应，这样不仅可以简化装置，而且在电气噪声严重的场合也能获得最佳检测分辨率。

6.可靠性与稳定性好

智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后所引起的系统特性的漂移，如：温度变化产生的零点和灵敏度漂移；当被测参数变化后能自动改换量程；能实时、自动地对系统进行自我检测、分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理。

五、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面。

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，利用软件还可以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Intenet等网络来实现。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的格式的。通过网络可以实现传感器与传感器之间、传感器与执行器与系统之间的数据交换和共享。因此，网络化是智能化传感器未来的发展方向。

多传感器信息的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。这是智能化传感器发展的一个重要方向。

智能化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好的新型传感器。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。

六、结束语

综上所诉，智能传感器系统是一门涉及多种学科的综合技术，是当今世界正在发展中的高新技术。智能传感器额度兴起是适应现代自动化系统发展的需要，是传感器技术克服自身落后状况、不断完善和发展的必然趋势，代表了未来传感器发展的方向。