智能传感器分析与发展趋势

 

作为人类获取信息的工具，传感器是现代信息技术的重要组成部分。传统意义上的传感器输出的多是模拟量信号，本身不具备信号智能处理功能，需连接到特定测量仪表才能完成信号的处理和传输功能。智能传感器能在内部实现对原始数据的加工处理，并且可以通过标准的接口与外界实现数据交换，以及根据实际的需要通过软件控制改变传感器的工作，从而实现智能化、网络化。由于使用标准总线接口，智能传感器具有良好的开放性、扩展性，给系统的扩充带来了很大的发展空间。

 

什么是智能传感器?

 

智能传感器是一种能够检测、转换被测物理量或者化学量，能学习、推理判断处理信号，并具有通信及管理功能的一类新型传感器。智能传感器有自动校零、标定、补偿、采集数据等能力。决定了智能化传感器具有较高的精度、分辨率、稳定性及可靠性，以及较好的适应性。

 

早期的智能传感器是将传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机进行运算处理。80年代智能传感器主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微电子计算机存贮器及接口电路集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高，使传感器实现了微型化、结构一体化、阵列式、数字式，使用方便、操作简单，并具有自诊断功能、记忆与信息处理功能、数据存贮功能、多参量测量功能、联网通信功能、逻辑思维以及判断功能。

 

智能传感器大体上可以分三种类型：即具有判断能力的传感器;具有学习能力的传感器;具有创造能力的传感器。

 

智能传感器的结构组成

 

智能传感器系统主要由传感器、微处理器及相关电路组成。传感器将被测的物理量、化学量转换成相应的电信号，送到信号调制电路中，经过滤波、放大、A/D转换后送达微处理器，微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节，以实现对测量过程的调节和控制;另一方面将处理的结果传送到输出接口，经接口电路处理后按输出格式、界面定制输出数字化的测量结果。微处理器是智能传感器的核心，由于微处理器充分发挥各种软件的功能，使传感器智能化，大大提高了传感器的性能。

 

智能传感器的主要功能

 

智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原来硬件性能的苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助来使传感器的性能大幅度提高。

 

智能传感器通常可以实现以下功能：

 

1、多信号转换功能

 

我们观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力和化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器通常具有复合转换功能，能够同时测量多种物理量和化学量，能够较全面反映被测物体状态。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。

 

2、自适应功能

 

智能传感器可在条件变化的情况下,在一定范围内自动调整产品特性适应变化，补偿部件引起的参数漂移。自适应技术可延长智能传感器元器件的寿命，扩大其工作领域。因为智能传感器校正和补偿数值已不再是一个平均值,而是测量点的真实修正值，实际提高了传感器的检测精度和准确度。

 

3、自检、自校、自诊断功能

 

传统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。这需要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。采用智能传感器时，在电源接通时传感器可进行自检、诊断测试以确定组件有无故障。还可以根据使用时间利用存储的标准计量特性数据自动在线校正，方便快捷。

 

4、信息存储功能

 

智能传感器可存储大量的信息供用户随时查询。这些信息可以是系统硬件装置遗留的历史信息，例如，传感器已工作多少小时，更换多少次电源等;也可以是传感器检测数据或者系统绘制的图表，还可以是包括串行数、生产日期、目录表和最终出厂测试结果等内容。

 

5、数据处理功能

 

过程数据处理是一项非常重要的任务，智能传感器不但能放大信号，而且能使信号数字化，再用软件实现信号调节。例如，部分智能传感器可通过查询历史数据的方式使非线性信号输出传感器数据线性化;大部分智能传感器可通过数字滤波功能减少噪声或其它相关效应的干扰;环境因素补偿也是智能传感器数据处理的一项重要任务。例如，通过测量基本检测元件的温度可获得正确的温度补偿系数，从而可实现对信号的温度补偿。智能传感器使用户很容易实现多个信号的加、减、乘、除运算，此外，智能传感器把数据处理操作从中心控制室下放到接近信号产生点，省去了附加传感器和引线的成本，也降低了长距离传输引入的负效应(如噪声、电位差等)，从而使信号更准确，还可以简化主控制器中的软件，提高控制环的速度。

 

6、组态功能

 

组态功能是智能传感器的另一项特性。例如，检测范围，可编程通/断延时，选组计数器，常开/常闭等。利用智能传感器的组态功能可使同一类型的传感器工作在最佳状态，并且能在不同场合从事不同的工作，提高传感器的适应性。

 

7、数字通讯功能

 

智能传感器产生大量信息和数据，所以用普通传感器的单一连线传输数据，会使系统非常庞杂。因此它需要一种灵活的通讯系统。智能传感器常配置与外部连接的数字串行通讯。因为串行网络抗环境影响(如电磁干扰)的能力比普通模拟信号强得多。把串行通讯配接到装置上，可以有效地管理信息的传输，使数据只在需要时才输出。

 

智能传感器的高性能不是像传统传感器技术那样通过追求传感器自身结构的精密设计与不断优化获得的，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺、芯片以及强大的软件来实现的，所以具有较高的性价比，也更具有现场实用性。

 

智能传感器的实现途径

 

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。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、最快速的实现途径。

 

2、集成化

 

集成化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，将敏感元件、信号调理电路以及微处理器单元集成在一块芯片上构成的。集成化技术实现了智能传感器微型化、结构一体化的目的，提高了传感器检测精度和稳定性。

 

3、非集成化与集成化混合

 

要在一块芯片上实现智能传感器系统集成化，在实际操作中尚存在许多棘手的难题。根据需要，不少智能传感器常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三块芯片上，并组装在一个外壳里，实现传感器非集成化与集成化混合。

 

智能传感器技术发展趋势

 

1、以工业控制、汽车、通讯、环保、医疗等为重点服务领域，深化智能传感器市场应用开发。

 

2、以MEMS工艺为基础，以集成化、智能化和网络化技术为依托，加强新型智能传感器的研发。

 

3、以增加品种、提高质量和提升经济效益为主要目标，加速智能传感器产品产业化。