智能傳感器

一．概述
根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳感器的定義，傳感器（Transducer/Sensor）是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件著稱。其中敏感元件（Sensing element）是指能直接感受被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件（Transduction element）是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號(hào)部分。

隨著測控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。國外有的文章稱傳統(tǒng)的傳感器為Dumb sensor(愚蠢的、笨啞的傳感器)。另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，彌補(bǔ)其性能的不足，計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生功能強(qiáng)大的智能傳感器。國外稱為Intelligent sensor(智能傳感器)或Smart sensor(直譯就是“靈巧的、機(jī)敏的、智能傳感器”的意思)。所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。

在信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，傳感器的智能化和多功能化將成為傳感器發(fā)展的重要方向。和傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)具有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能。可對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測量準(zhǔn)確度。

(2)具有自診斷、自校準(zhǔn)功能。可在接通電源時(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。

(3)具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能。可根據(jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動(dòng)選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。

(4)具有組態(tài)功能。可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測與使用范圍。

(5)具有記憶、存儲(chǔ)功能。可進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。

(6)具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過各種軟件對(duì)信息檢測過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)橐攒浖娌糠钟布山档蛡鞲衅鞯闹谱麟y度。

由于智能傳感器的集成化和智能化是其發(fā)展最為重要的兩個(gè)方向，本文將論述的重點(diǎn)放在這兩個(gè)方面，并以集成式智能傳感器和模糊傳感器為代表加以具體闡述，最后在此基礎(chǔ)上探討智能傳感器的設(shè)計(jì)思想。

二．智能傳感器的典型結(jié)構(gòu)

智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào),送到信號(hào)調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)是智能傳感器的核心,它不但可以對(duì)傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理,還可以通過反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務(wù),從而大大降低傳感器制造的難度,提高傳感器的性能,降低成本。


如果從結(jié)構(gòu)上劃分，智能傳感器可以分為集成式、混合式和模塊式。集成智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上，集成集成度高，體積小，但目前的技術(shù)水平還很難實(shí)現(xiàn)；將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路做在不同芯片上，則構(gòu)成混合式智能傳感器，目前這類結(jié)構(gòu)較多；初級(jí)的智能傳感器也可以由許多互相獨(dú)立的模塊組成，如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路模塊、數(shù)據(jù)電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結(jié)構(gòu)內(nèi)則組成模塊式智能傳感器。

下面以智能式壓力傳感器為例來說明智能傳感器的典型結(jié)構(gòu)和各部分的功能。

在DTP型智能式壓力傳感器中，主傳感器為壓力傳感器，它的作用是用來測量被測壓力參數(shù)的。輔助傳感器為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。溫度傳感器的作用是用來檢測主傳感器工作時(shí)，由于環(huán)境溫度變化或被測介質(zhì)溫度變化而使其壓力敏感元件溫度變化，以便根據(jù)其溫度變化修正與補(bǔ)償溫度變化對(duì)測量帶來的誤差。而環(huán)境壓力傳感器的作用時(shí)測量工作環(huán)境大氣壓變化，以便修正大氣壓變化對(duì)測量的影響。由此可見，智能式傳感器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，它可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進(jìn)行必要的修正，保證測量的準(zhǔn)確性。

微機(jī)硬件系統(tǒng)，用于對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理、存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)通信。系統(tǒng)構(gòu)成情況由其應(yīng)具備的功能而定。DTP就有一個(gè)串行輸出口，以RS－232指令格式傳輸數(shù)據(jù)。

上面以智能式壓力傳感器為例給了智能傳感器一個(gè)形象直觀的說明。下面具體談?wù)劸唧w設(shè)計(jì)智能傳感器所采用的兩種主要結(jié)構(gòu)，一種是數(shù)值傳感器信號(hào)處理（DSSP），另一種是數(shù)字控制的模擬信號(hào)處理（DCASP）。

DCASP結(jié)構(gòu)是一種最基本的結(jié)構(gòu)，它在傳感器和模擬輸出之間直接提供了一個(gè)模擬通道，因此，被測量分辨率和相應(yīng)時(shí)間不受影響。溫度補(bǔ)償和校正都在并聯(lián)賄賂實(shí)現(xiàn)，并聯(lián)回路能改變信號(hào)放大器的失調(diào)和增益。要獲得數(shù)字輸出信號(hào)，可加一個(gè)A/D變換器。

精確的設(shè)計(jì)都采用DSSP結(jié)構(gòu)。它通常包括兩個(gè)傳感器：被測量傳感器（例如壓力）和溫度（補(bǔ)償）傳感器。在硅器件中，溫度信號(hào)可直接從被測量傳感器提取出來。傳感器信號(hào)經(jīng)多路調(diào)制器送到A/D變換器，然后再送到微控器進(jìn)行信號(hào)的補(bǔ)償和校正。測量的穩(wěn)定性只由A/D變換器的穩(wěn)定性決定。可用傳感器輸出的算法趨近或多表面逼近法進(jìn)行信號(hào)處理。每個(gè)給定傳感器的校正系數(shù)都被單獨(dú)儲(chǔ)存再永久寄存器中。如果需要模擬輸出，可另外加一個(gè)D/A變換器。

具有DSSP結(jié)構(gòu)智能傳感器一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以與其他任一數(shù)字接口的儀器連接，采用點(diǎn)點(diǎn)之間通信總線，多點(diǎn)通信總線以及局域網(wǎng)絡(luò)Mininet進(jìn)行通信。但是，DSSP結(jié)構(gòu)的分辨率受輸入A/D變換的分辨率和補(bǔ)償/校正處理分辨率的限制。響應(yīng)時(shí)間受A/D變換時(shí)間和補(bǔ)償處理時(shí)間限制。

三．集成式智能傳感器
在第二部分討論智能傳感器的結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)。傳感器的集成化是指將多個(gè)功能相同或不同的敏感器件制作在同一個(gè)芯片上構(gòu)成傳感器陣列,主要有三個(gè)方面的含義:一是將多個(gè)功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個(gè)芯片上,用來測量被測量的空間分布信息,例如壓力傳感器陣列或我們熟知的ＣＣＤ器件。二是對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、功能相近的敏感單元進(jìn)行集成,例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”,利用各種敏感元對(duì)不同氣體的交叉敏感效應(yīng),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù),可以對(duì)混合氣體的各種組分同時(shí)監(jiān)測,得到混合氣體的組成信息,同時(shí)提高氣敏傳感器的測量精度;這層含義上的集成還有一種情況是將不同量程的傳感元集成在一起,可以根據(jù)待測量的大小在各個(gè)傳感元之間切換,在保證測量精度的同時(shí),擴(kuò)大傳感器的測量范圍。集成化的第三層含義是指對(duì)不同類型的傳感器進(jìn)行集成,例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元的傳感器,能同時(shí)測到環(huán)境中的物理特性或化學(xué)參量,用來對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。