智能传感器技术：监测系统中的信息处理

监测系统中，传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、控制及健康管理等系统中，传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性能的重要部件[18]。根据国家标准GB/T 7665—2005《传感器通用术语》中传感器的定义为：能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。

传感器可从不同角度分类。从传感器的输出不同，可分为模拟信号（连续波和脉冲波）和数字信号（电压和电流）传感器。按照信息的传递方式可以分为直接型和间接型传感器。即被测的信息通过传感器直接转换成电信号的传感器称为直接型传感器，如光敏二极管将光信号直接转换成电流信号、热敏电阻将温度的变化直接转变为电阻值的变化。被测信息通过多于一次的转换才变为电信号的传感器称为间接型传感器，如压力传感器是先将压力施加于感压膜片上使其产生形变（即应变），形变引起压阻效应才使电阻值发生了变化。按传感器的检测对象分为几何机械量（例如尺寸、角度、表面参数、位移、速度、加速度、角位移、角速度等）、热工量（例如温度、压力、流量、密度、黏度、质量等）、光学量（强度、功率、波长、频率、相位、速度、脉宽、延迟、折射率、束散角等）、声学量、生物参数和医学量（生理参数）等。此外还可以根据其他的分类方法进行分类^[18，19]。

传感技术的发展可以粗略地分为三个阶段。

第一阶段是结构型传感器、它利用结构参量变换化来感受和转化信号。例如电阻应变式传感器。

第二阶段是20世纪70年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的，如利用光敏效应的光敏传感器等。70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现集成传感器。集成传感器包括两种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如，集成温度传感器AD590等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。

第三阶段是20世纪80年代发展起来的智能传感器。在智能传感器发展进程中，随着对智能含义理解的不断深化，各个时期给予智能传感器的定义也不断演变。智能传感器尚无公认的科学定义，但普遍认为智能传感器是由传统传感器与专用微处理器组成的。在传感器上实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能。多参量测量功能以及网络通信功能等。与传统传感器相比，智能传感器具有精度高、可靠性与稳定性好、信噪比高、分辨力强、自适应性强特点。

智能传感器可分两大部分：基本传感器和信息处理单元。基本传感器是构成智能传感器的基础，其性能很大程度上决定着智能传感器的性能，由于微机械加工工艺的逐步成熟以及微处理器的补偿作用，基本传感器的某些缺陷（如输入输出的非线性）得到较大程度的改善；信息处理单元以微处理器为核心，接收基本传感器的输出，并对该输出信号进行处理，如标度变换、线性化补偿、数字调零、数字滤波等，处理工作大部分由软件完成。

智能传感器的基本结构如图1-2所示^[20]。

图1-2 智能传感器基本结构图

21世纪以来，网络化智能传感器得到迅速。标准网络化智能传感器以嵌入式微处理器为核心，集成了传感单元、信号处理单元和网络接口，使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能，实现信息的采集、处理和传输真正规范统一的新型网络化智能传感器。

从1993年9月开始，美国国家标准技术研究所和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合组织了智能传感器通用通信接口问题和相关标准的制定，即IEEE 1451的智能变送器接口标准（Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators）。IEEE 1451是定义了一套开放、公共、不依赖网络的通信接口以连接传感器和变送器到微处理器、测试设备以及控制/现场网络的标准。IEEE1451标准提供了有线与无线分布式监控和控制应用协议集。在IEEE1451家族中，IEEE1451.0定义了一组通用的命令用于访问传感器和变送器，连接采用各种物理配置，例如，点到点、分布式多点或是无线配置来满足各种应用需求。三种方法可访问网络中的传感器和变送器。它们是：(www.xing528.com)

1）IEEE1451.1；

2）IEEE1451.0的超文本传输协议；

3）建议的轻便网络服务交换器。

网络适配器和变送器接口模型的物理接口包括如下内容：

1）点对点接口，满足IEEE标准1451.21997版；

2）分布式多点连接，满足IEEE标准1451.32003版；

3）无线接口，满足IEEE标准1451.52007版（无线局域网、蓝牙技术、ZigBee技术）；

4）CAN开放接口，满足提议的IEEE标准1451.6和无线射频识别接口，满足提议的IEEE标准P1451.7。

一般情况下，变送器和信号调节和转换电路间的接口只在IEEE 1451.4中规定，IEEE 1451.4规定低层次的，混合模式的传感器接口。IEEE1451.4标准定义了传感器电气数据，但是它只处理变送器的模拟信号。为了在IEEE1451.0的环境中工作，IEEE1451.4传感器电气数据需要转化成IEEE 1451.0的传感器电气数据。

因此，IEEE1451.0标准为IEEE1451智能传感器定义了一个统一的接口。IEEE1451的主要目标是允许网络通过一套统一的接口访问标准化变送器数据。不管变送器通过有线或是无线方式连接到系统或网络。具体的体系结构如图1-3所示^[21]。