智能传感器的结构特点与应用领域

智能传感器究竟是什么

随着测控系统自动化、智能化的发展，传统的传感器已经不能满足一定的数据处理能力以及自检、自校、自补偿的功能，智能传感器和多功能传感器的研发和应用已经走向市场。

定义

智能传感器（intelligent sensor）是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。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。

一个良好的‘智能传感器’是由微处理器驱动的传感器与仪表套装，并且具有通信与板载诊断等功能。

智能传感器能将检测到的各种物理量储存起来，并按照指令处理这些数据，从而创造出新数据。智能传感器之间能进行信息交流，并能自我决定应该传送的数据，舍弃异常数据，完成分析和统计计算等。

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科技新技术，但还没有形成规范化的定义。早期，人们简单、 机械地强调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”。

关于智能传感器的中、英文称谓，尚未有统一的说法。John Brignell和Nell White认为“Intelligent Sensor”是英国人对智能传感器的称谓， 而“Smart Sensor” 是美国人对智能传感器的俗称。而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分别称为“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。对“Smart Sensor”的中文译名有译为“灵巧传感器”的， 也有译为“智能传感器”的。

《智能传感器系统》书上的定义：“传感器与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器(系统)”；模糊传感器也是一种智能传感器(系统)，将传感器与微处理器集成在一块芯片上是构成智能传感器(系统)的一种方式。（《智能传感器系统》，刘君华，西安电子科技大学出版社）

《现代新型传感器原理与应用》书上的定义：所渭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。（ 《现代新型传感器原理与应用》 ，刘迎春，叶湘滨等，国防工业出版社，2000.5）

智能传感器的结构及特点

传感器像人的五官一样，是获取信息的重要工具。它在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大的作用。但与飞速发展的计算机相比较，作为“五官”的传感器远远赶不上作为“大脑”的计算机的发展速度。

随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。

另外，为制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合，弥补其性能的不足，计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生功能强大的智能传感器。国外称为Intelligentsensor(智能传感器)或Smartsensor(灵巧的、机敏的、智能传感器)。另外，传统的传感器一般只能测量一个参数，有些场合需要同时测量多个参数的体积小的多功能传感器。现在多国科学家已重视这一方向的开拓，并已研制出一些多功能传感器。

1、智能传感器

智能传感器是当今国际科技界研究的热点，尚无统一的、确切的定义。本文不讨论(Intelligentsensor或Smartsensor)两个术语的区别，统称为智能传感器。

目前国内外学者普遍认为，智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，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。概括而言， 智能传感器的主要功能是：

(1) 具有自校零、 自标定、 自校正功能；

(2) 具有自动补偿功能；

(3) 能够自动采集数据， 并对数据进行预处理；

(4) 能够自动进行检验、 自选量程、 自寻故障；

(5) 具有数据存储、记忆与信息处理功能；

(6) 具有双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；

(7) 具有判断、决策处理功能。

可实现的功能

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苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。

1、信息存储和传输——随着全智能集散控制系统(SmartDistributedSystem)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。

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压力传感器。

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。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、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。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（加速度传感器）、速度（速度传感器）、位移（位移传感器），等等。[1]

5、智能传感器的集成化----由于大规模集成电路的发展使得传感器与相应的电路都集成到同一芯片上，而这种具有某些智能功能的传感器叫作集成智能传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪比：传感器的弱信号先经集成电路信号放大后再远距离传送，就可大大改进信噪比。改善性能：由于传感器与电路集成于同一芯片上，对于传感器的零漂、温漂和零位可以通过自校单元定期自动校准，又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频响。信号规一化：传感器的模拟信号通过程控放大器进行规一化，又通过模数转换成数字信号，微处理器按数字传输的几种形式进行数字规一化，如串行、并行、频率、相位和脉冲等。

目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件，检测物理量的变化，而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、A/D转换等)、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。

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。

随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能，可以完成图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

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

智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电路组成。

传感器将被测的物理量转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，进行滤波、放大、模-数转换后，送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。

智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离式，按结构可以分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度高，体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上，则构成混合式的智能传感器(HybridSmart2Sensor)。

目前这类结构较多。初级的智能传感器也可以有许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内，则组高，体积较大，但在目前的技术水平下，仍不失为一种实用的结构形式。

智能传感器的应用领域广泛

1）在智慧农业中的运用

由于环境的特殊性，农业项目大多都在田间进行，校正操作非常的不方便，人工成本也非常高，因此对传感器数据稳定性的要求非常高，智能传感器是最有效的一种传感器。

2）在工业自动化中的应用

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。可以说，没有了优良的智能传感器，工业自动化也就无从谈起。

3）在机器人中的应用

如今的机器人已具有类似人一样的肢体及感官功能，有一定程度的智能，动作程序灵活，在工作时可以不依赖人的操纵，而这一切都少不了传感器的功劳，传感器是机器人感知外界的重要帮手。

4）在智慧医疗中的应用

随着智能传感器的发展，医学智能传感器作为拾取生命体征信息的五官，它的作用日益显著，并得到广泛应用。如：在图像处理、临床化学检验、生命体征参数的监护监测、呼吸、神经、心血管疾病的诊断与治疗等方面，智能传感器的作用不可替代，未来它在现代医学仪器设备中几乎无所不在。

智能传感器应用于医疗

5）在智能家电中的应用

智能家居是未来的一大趋势，而智能家电将是很多家庭的必备产品，智能传感器未来在很多家电中均可应用，如电视剧、风扇、空调、洗衣机、晾衣机、冰箱、衣柜等，它是实现人与家电交流的基本器件，也是构成家居物联网的基础。

我国智能传感器行业发展的不足

1、关键技术尚未突破

传感器的设计技术囊括了多种学科、理论、材料和工艺知识，突破起来十分困难，目前，在人才匮乏、研发成本高昂、企业恶性竞争激烈的情况下，我国还没有突破传感器一些共性关键技术。

2、产业化能力不足

由于我国企业技术实力的落后，行业发展规范尚未形成，导致国内传感器产品不配套且不成系列，重复生产、恶性竞争的现象的多发，使得产品可靠性较差、低端偏移较为严重，产业化程度与品种和系列不成正比，只能长期依赖国外进口。

3、资源不集中

目前我国传感器企业又1，600余家，但大都以小微企业为主，盈利能力不强，缺乏技术引领的龙头企业，最终导致资金、技术、企业布局、产业结构、市场等方面都变现出分散的状态，资源得不到有效集中，产业发展也迟迟无法走向成熟。

4、高端人才较为匮乏

由于传感器行业发展处于起步阶段，资金、技术和产业基础都较为薄弱，加之涉及学科多，要求知识面广，新技术层出不穷，导致很难吸引到高端人才投身其中。此外，我国人才培养机制的不完善、不合理，也导致行业面临人才缺乏问题。

智能传感器技术发展及趋势

1、向高精度发展

随着自动化生产程度的提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

2、向高可靠性、宽温度范围发展

传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。发展新兴材料( 如陶瓷) 传感器将很有前途。

3、向微型化发展

各种控制仪器设备的功能越来越强，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。

4、向微功耗及无源化发展

传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702 运算放大器， 静态功耗只有1.5 A， 而工作电压只需2~ 5V.

5、向智能化数字化发展

随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号( 如0~ 10mV) ， 而是经过微电脑处理好后的数字信号， 有的甚至带有控制功能， 这就是所说的数字传感器。

6、向网络化发展

网络化是传感器发展的一个重要方向，网络的作用和优势正逐步显现出来。网络传感器必将促进电子科技的发展。

智能传感器是物联网发展的最重要的技术之一，在为传统行业注入新鲜血液的同时也引领了传感器产业的潮流，在医学、工业、海洋、航天、军事、农业等领域均发挥着核心作用，随着智能传感器技术的发展，新一代智能传感器将结合人工神经网络、人工智能等技术不断完善其功能，具有十分可观的发展前景。

注意事项

好的传感器的设计是经验加技术的结晶。一般理解传感器是将一种物理量经过电路转换成一种能以另外一种直观的可表达的物理量的描述。比如转换成仅依赖于此测物理量的较高的电压电流等信号，再显示出来。因此需要注意几点：

1、一般所测得的物理量是非常小的，通常还带有作为传感器物理转换元件固有的转换噪声。比如传感器在1被放大倍率下的信号强度为0.1~1uV，此时的背景噪声信号也有这么大的水平，甚至于将其湮灭。如何将有用信号尽量取出并且压低噪声是传感器设计的首要解决的问题。

2、传感器电路一定要简单精炼。设想具有3级放大电路的，带有2级有源滤波器的放大回路，放大了信号的同时也将噪声放大了，如果噪声不是明显偏离有用信号频谱，则无论怎样滤波两者同时放大，结果信噪比没有提高。因此传感器电路一定要精炼简约。能省1只电阻或电容就一定要将它去掉。这一点是许多设计传感器的工程师们容易忽略的问题。已知的情况是，传感器电路随着噪声的问题困扰，电路越修改越复杂，成为怪圈。[3]

3、功耗问题。传感器通常在后续电路的前端，有可能需要较长的引线连接。当传感器功耗较大时引线的连接将会所有的无谓噪声以及电源噪声引入使得后续电路愈发难以设计。在够用的情况小如何降低功耗也是一个不小的考验。

4、元器件的选用和电源回路。元器件的选用一定要够用为好，只要器件指标在需要的范围之内就可以了，余下的就是电路设计问题。电源是传感器电路设计过程一定要遇到的难题，不要追求无法达到的电源指标，而选择一款带有较好的共模抑制比的运放，采用差分放大电路设计可能最普通的开关电源以及器件就能满足你的要求。电源的退偶一定要可靠设计，并且遵循器件手册的要求，宁多勿少。