智能传感器：精密科技的革命

一、智能传感器概述

1.智能传感器产生的必然性

上一章较为全面地论述了传统传感器，它是人类感官的发展和延伸，是获取信息的重要器件，在工程测试中是信息的转换器件。在自动控制系统中，它位于系统的最前端，是不可缺少的获取被控制信息的重要器件。但是随着科学技术的发展，对传感器的要求越来越高，因此，传统传感器的缺陷也越来越表现得突出，如结构尺寸大，响应特性较差，输入-输出特性存在非线性，而无法自动处理；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、分辨率不高等。这些缺陷是造成传统传感器性能不稳定、可靠性差、精度低的主要原因。此外在现代工业的许多场合，同时需要检测到多个参数，而传统传感器一般只能检测一个参数，尤其是在当今，随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器的准确度高，可靠性高，稳定性好，而且要求其具备有一定数据处理能力，并有能自检、自校、自补偿等功能。这些特点，传统传感器是没有的。因此，国外有的文章中称传统传感器为Dumb sensor（愚蠢的笨拙的传感器）。另外，为了制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，因此，在计算机技术领先飞速发展的今天，只有采用计算机技术与传统传感器技术相结合，才能弥补传统传感器性能的不足，才能使传感器能满足当今世界的需要。所以说，计算机技术使传统传感器发生巨大的变革成为可能。因此，将微处理器（或微型计算机）和传统传感器相结合，产生功能强大的新一代的传感器是时代发展的必然结果，把这种新型传感器称为智能传感器。

2.智能传感器的概念

智能传感技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，上面已经指出，它是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信息处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术等多种学科的综合技术，有关学术和技术上的很多问题有待于研究和完善。因此，至今对智能传感器还没有形成规范化的定义。

关于智能传感器的中、英文名称，目前也尚未统一，英国人称为“Intelligent sensor”，美国人称“smart sensor”，译为“灵巧传感器”或“智能传感器”。一般采用“Intelligent sensor”，简称为智能传感器。

关于智能传感器的定义，早期的说法着重强调在工艺上将传感器与微处理器二者紧密的结合，即“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”。随着传感器技术的发展，认为只将传感器元件与微处理器集成在一块芯片上构成智能传感器的说法是机械的，也是不全面的，是有局限性的，应该给这种传感器赋予足够的“智能”。于是从强调功能的角度出发提出了后来的一些说法，即所谓智能传感器，就是一种带有微处理器兼有检测信息和信息处理功能的传感器”，“传感器（包含信号调理电路）与微处理器赋予智能的结合，兼有信息检测和信息处理功能的传感器就是智能传感器。”H·Scholdel和F·Beniot等人认为：“一个真正意义上的智能传感器，必须具备学习、推理、感知、通信以及管理等功能。”将上述几种说法结合起来，一个较为完善的概念应为：将传统传感器与微处理器相结合，具有感知，信息处理学习、推理、通信以及管理等功能的装置，称为智能传感器。

3. 智能传感器的主要功能

智能传感器是传感器技术克服自身落后向前发展的必然结果，顺应了科学技术的发展方向，它的功能除具备有传统传感器的所有功能外，还具备有以下几个特殊的功能：

（1）具有数据采集及处理功能。能自动地对被测对象（或被控对象）自动采集数据，并对所采集的数据自动进行处理，如进行统计处理，剔除异常值等。

（2）具有自诊断功能。如对传感器自测、自选量程、自寻故障等。

（3）具有自校准功能。如自动校零、自动标定，对传感器可进行在线核准等。

（4）具有自动补偿功能。通过软件对传感器的非线性温度漂移、时间漂移、响应时间等进行补偿。

（5）具有双向通信功能。微处理器和传统传感器之间构成闭环，微处理器不但可以接收、处理传感器的数据，还可以将信息反馈至传感器，对测量过程进行调节和控制。

（6）具有信息存储、记忆、判断和决策处理功能。

（7）具有数字量或语言符号输出功能（此功能在模糊传感器中论述）。

当前研制的智能传感器还只有上述功能中的一部分，随着科学技术的发展，其功能将逐步增强，它将利用人工神经网络、人工智能、信息处理技术，具有分析、判断、自适应、自学习等功能，可以完成图像识别、特征检测和系统检测等复杂任务。

4.智能传感器的特点

与传统传感器比较，智能传感器具有以下几个特点：

（1）精度高。由于智能传感器具有自动校零、自动标定、能对由多种因素引起的误差进行校正等功能，因此保证了智能传感器的高精度。

（2）可靠性与稳定性高。由于智能传感器具有自动处理漂移，自动改换量程，自我检验、分析、判断所采集的数据的合理性，自寻故障报警等功能，因此保证了该传感器的高可靠性和高稳定性。

（3）信噪比与分辨率高。由于智能传感器具备有数据存储、记忆和信息处理功能，能自动清除输入数据中的噪声，消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，故保证了高的信噪比和高的分辨率。

（4）具有较强的适应性。由于智能传感器具有判断、分析和决策处理功能，它能根据系统工作情况，决策各部分的供电情况，与高/上位计算机的数据传送速率，使系统工作在最优、低功耗状态和优化传送速率的情况下。

（5）具有低的价格性能比。智能传感器的高性能，是通过传统传感器与微处理器或微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。所以具有低的价格性能比。

综上所述，智能传感器是传统传感器设计中的一次革命，是当今世界传感器的发展趋势。

二、智能传感器的基本组成及工作原理

（一）实现智能传感器的几种基本组成形式

当前，智能传感器的实现分为非集成化实现、集成化实现和混合实现等三种基本组成形式。(www.xing528.com)

1.非集成化实现的智能传感器组成形式

非集成化智能传感器的组成形式如图4-1所示，它主要由传统传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组成。

图4-1 非集成化智能传感器的基本组成形式框图

传感器的作用是将被测非电信号转换成电信号输出。

信号调理电路的作用是将传感器，输出的电信号进行放大、检波及滤波处理后，并转换成数字信号送入微处理器。

微处理器与总线接口相连，通过智能化软件，实现传感器的通信、控制、自校正、自补偿和自诊断等功能。

此外，正在迅速发展的模糊传感器也是一种非集成化的新型智能传感器（关于模糊传感器将在本章的4-2节中专门论述）。

2. 集成化实现的智能传感器组成形式概述

随着微电子技术的飞速发展和完善，以及微米技术和纳米技术的问世，同时各种数字电路芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片、存储电路芯片等器件的价格性能比的大幅度下降，给集成化智能传感器的发展带来了机遇。集成化智能传感器就是在这种有利的条件下采用微机械加工技术和大规模集成电路技术，利用半导体硅作为基本材料来制作的敏感元件，信号调理电路，微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成，故称为集成化智能传感器（Integrated smart Intelligentsersor）。这种传感器的结构形式将在下面专门论述。

3.混合实现的智能传感器的基本组成形式

混合实现的智能传感器的基本组成形式如图4-2所示，根据实际情况，将系统各个环节，如敏感单元（或传统传感器）、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多块芯片上。

信号调理电路包括多路开关，仪用放大器，基准，模/数转换器（ADC）等。

微处理器单元包括数字存储器（EPROM、ROM、RAM）、I/O接口，微处理器，数/模转换器（DAC）等。

（二）集成化智能传感器的基本工作原理

集成化智能传感器的基本工作原理如图4-3所示，它主要由传感器器件、补偿和校正、调理电路、输入接口、微处理器和信息接口等环节组成，传感器器件将被测非电量转换为相应的电信号，送到调理电路，进行滤波、放大、模-数转换后，再送到微处理器，充分发挥其软件功能进行计算、存储、记忆和系列数据处理，还可通过反馈回路继续进行采集、调理，以提高输出数据的精度和可靠性。

根据传感器的结构和功能程度不同，集成化智能传感器可分为初级、中级和高级三种形式。

集成化智能传感器的初级形式，其结构形式比较简单，有的没有微处理器环节，只有在传感器系统内部集成有温度补偿、校正电路、线性补偿电路和信号调理电路等硬件，以此提高传统传感器的精度和性能。但多数采用了微处理器，由多个互相独立的模块组成，如将微处理器、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块与传感器装配在同一壳体内组成模块式智能传感器。它集成度不高，体积较大，但在目前仍不失为一种适用的结构形式。

图4-2 混合式智能传感器的基本组成形式框图

图4-3 集成化智能传感器的基本工作原理框图

集成化智能传感器的中级形式，又称自立形式，其结构包含微处理器，借助于微处理器，使传感器系统除具有初级智能传感器的功能外，还有自诊断、自校正、数据通信接口等功能，与初级形式比较，这种传感器系统功能大大增加，性能进一步提高，适应性增强。

集成化智能传感器的高级形式，其结构完善，除具有初级和中级形式的所有功能外，还具有多维检测、图像识别、分析记忆、模式识别、自学习和能思维等诸多功能。它涉及的理论将包括：通信、神经网络、人工智能及模糊理论等等。它是正在发展和完善中的一种理想的智能化传传感器。

综上所述，可以看出，智能传感器技术是一门涉及多种学科的综合性技术，是当今世界正在发展中的高新技术，因此，作为一个设计、制造以及应用智能传感器的工程师，除必须具备有经典、现代的传感器技术和知识外，还必须具备有信息分析与处理、计算机软件设计、通信与接口电路及系统等学科方向的基础知识。当然，传感器技术的发展也需要靠多种学科的工程师之间进行并肩合作和共同努力。

三、智能传感器的应用实例

不同集成程度的智能传感器多种多样，应用也较为广泛，但当前常用的智能传感器有美国霍尼尔（Honey well）公司的ST-3000系列智能压力传感器，美国罗斯蒙特（Rose mount）公司的8800A 型卡曼旋涡流量传感器，美国Merritt公司（MSI）开发的两种超声智能传感器以及日本模河电机株式会社研究的EJA差压传感器等等，下面简要介绍ST-3000系列智能压力传感器。

ST-3000系列智能传感器属于集成化智能传感器的中级形式，其结构原理如图4-4所示，它主要由两部分组成：其一为信号检测部分，主要包括传感器芯片、调理电路、多路转换开关和模/数转换等；其二为以计算机（微处理器）为核心的数据计算、分析处理系统。它的基本工作原理为：将被测力或压力通过隔离膜片作用于扩散电阻上，引起电阻值变化，再通过电桥转换成电信号输出。与此同时，在硅片上制成了两个辅助传感器，即静压传感器和温度传感器，能在同一芯片上检测出差压、静压和温度三个信号，经调理电路进行调理，并由A/D转换器转换成数字信号，送入微处理器，经特定软件控制计算处理后，得到被测量，或经D/A转换器输出0 20mA的模拟信号或输出数字信号。

图4-4 ST-3000智能传感器结构原理框图

ST-3000系列智能传感器具有宽量程比（通常可达100∶1，最大可达400∶1），高精度和高稳定性；同时具有双向通信能力、较完善的自诊断能力和宽域温度及静压补偿等特性。