智能傳感器
一．概述
根據我國國家標準對傳感器的定義，傳感器（Transducer/Sensor）是指能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常傳感器由敏感元件和轉換元件著稱。其中敏感元件（Sensing element）是指能直接感受被測量的部分；轉換元件（Transduction element）是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。
隨著測控系統自動化、智能化的發展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩定性好，而且具備一定的數據處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統的傳感器已不能滿足這樣的要求。國外有的文章稱傳統的傳感器為Dumb sensor(愚蠢的、笨啞的傳感器)。另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進材料工藝也很困難，需要利用計算機技術與傳感器技術相結合，彌補其性能的不足，計算機技術使傳感器技術發生了巨大的變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結合，產生功能強大的智能傳感器。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的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。
在信息技術高度發達的今天，傳感器的智能化和多功能化將成為傳感器發展的重要方向。和傳統的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優點：
(1)具有邏輯判斷、統計處理功能。可對檢測數據進行分析、統計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。
(2)具有自診斷、自校準功能?？稍诮油娫磿r進行開機自檢，可在工作中進行運行自檢，并可實時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、自調整功能?？筛鶕郎y物理量的數值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。
(4)具有組態功能?？蓪崿F多傳感器、多參數的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。
(5)具有記憶、存儲功能。可進行檢測數據的隨時存取，加快了信息的處理速度。
(6)具有數據通訊功能。智能化傳感器具有數據通訊接口，能與計算機直接聯機，相互交換信息，提高了信息處理的質量。計算機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信息檢測過程進行管理和調節，使之工作在最佳狀態，從而增強了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計算機軟件能夠實現硬件難以實現的功能，因為以軟件代替部分硬件，可降低傳感器的制作難度。
由于智能傳感器的集成化和智能化是其發展最為重要的兩個方向，本文將論述的重點放在這兩個方面，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，最后在此基礎上探討智能傳感器的設計思想。
二．智能傳感器的典型結構
智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關電路組成。傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號,送到信號調理電路中,進行濾波、放大、模-數轉換后,送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心,它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理,還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。由于計算機充分發揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務,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。
如果從結構上劃分，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或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成集成度高，體積小，但目前的技術水平還很難實現；將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同芯片上，則構成混合式智能傳感器，目前這類結構較多；初級的智能傳感器也可以由許多互相獨立的模塊組成，如將微計算機、信號調理電路模塊、數據電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結構內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構和各部分的功能。
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的。輔助傳感器為溫度傳感器和環境壓力傳感器。溫度傳感器的作用是用來檢測主傳感器工作時，由于環境溫度變化或被測介質溫度變化而使其壓力敏感元件溫度變化，以便根據其溫度變化修正與補償溫度變化對測量帶來的誤差。而環境壓力傳感器的作用時測量工作環境大氣壓變化，以便修正大氣壓變化對測量的影響。由此可見，智能式傳感器具有較強的自適應能力，它可以判斷工作環境因素的變化，進行必要的修正，保證測量的準確性。
微機硬件系統，用于對傳感器輸出的微弱信號進行放大、處理、存儲和計算機通信。系統構成情況由其應具備的功能而定。DTP就有一個串行輸出口，以RS－232指令格式傳輸數據。
上面以智能式壓力傳感器為例給了智能傳感器一個形象直觀的說明。下面具體談談具體設計智能傳感器所采用的兩種主要結構，一種是數值傳感器信號處理（DSSP），另一種是數字控制的模擬信號處理（DCASP）。
DCASP結構是一種最基本的結構，它在傳感器和模擬輸出之間直接提供了一個模擬通道，因此，被測量分辨率和相應時間不受影響。溫度補償和校正都在并聯賄賂實現，并聯回路能改變信號放大器的失調和增益。要獲得數字輸出信號，可加一個A/D變換器。
精確的設計都采用DSSP結構。它通常包括兩個傳感器：被測量傳感器（例如壓力）和溫度（補償）傳感器。在硅器件中，溫度信號可直接從被測量傳感器提取出來。傳感器信號經多路調制器送到A/D變換器，然后再送到微控器進行信號的補償和校正。測量的穩定性只由A/D變換器的穩定性決定。可用傳感器輸出的算法趨近或多表面逼近法進行信號處理。每個給定傳感器的校正系數都被單獨儲存再永久寄存器中。如果需要模擬輸出，可另外加一個D/A變換器。
具有DSSP結構智能傳感器一個突出的優點在于，它可以與其他任一數字接口的儀器連接，采用點點之間通信總線，多點通信總線以及局域網絡Mininet進行通信。但是，DSSP結構的分辨率受輸入A/D變換的分辨率和補償/校正處理分辨率的限制。響應時間受A/D變換時間和補償處理時間限制。
三．集成式智能傳感器
在第二部分討論智能傳感器的結構時已經。傳感器的集成化是指將多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構成傳感器陣列,主要有三個方面的含義:一是將多個功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個芯片上,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。二是對多個結構相同、功能相近的敏感單元進行集成,例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”,利用各種敏感元對不同氣體的交叉敏感效應,采用神經網絡模式識別等先進數據處理技術,可以對混合氣體的各種組分同時監測,得到混合氣體的組成信息,同時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,可以根據待測量的大小在各個傳感元之間切換,在保證測量精度的同時,擴大傳感器的測量范圍。集成化的第三層含義是指對不同類型的傳感器進行集成,例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學等敏感單元的傳感器,能同時測到環境中的物理特性或化學參量,用來對環境進行監測。
根據我國國家標準對傳感器的定義，傳感器（Transducer/Sensor）是指能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常傳感器由敏感元件和轉換元件著稱。其中敏感元件（Sensing element）是指能直接感受被測量的部分；轉換元件（Transduction element）是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。
隨著測控系統自動化、智能化的發展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩定性好，而且具備一定的數據處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統的傳感器已不能滿足這樣的要求。國外有的文章稱傳統的傳感器為Dumb sensor(愚蠢的、笨啞的傳感器)。另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進材料工藝也很困難，需要利用計算機技術與傳感器技術相結合，彌補其性能的不足，計算機技術使傳感器技術發生了巨大的變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結合，產生功能強大的智能傳感器。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的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。
在信息技術高度發達的今天，傳感器的智能化和多功能化將成為傳感器發展的重要方向。和傳統的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優點：
(1)具有邏輯判斷、統計處理功能。可對檢測數據進行分析、統計和修正，還可進行線性、非線性、溫度、噪聲、響應時間、交叉感應以及緩慢漂移等的誤差補償，提高了測量準確度。
(2)具有自診斷、自校準功能?？稍诮油娫磿r進行開機自檢，可在工作中進行運行自檢，并可實時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、自調整功能?？筛鶕郎y物理量的數值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。
(4)具有組態功能?？蓪崿F多傳感器、多參數的復合測量，擴大了檢測與使用范圍。
(5)具有記憶、存儲功能。可進行檢測數據的隨時存取，加快了信息的處理速度。
(6)具有數據通訊功能。智能化傳感器具有數據通訊接口，能與計算機直接聯機，相互交換信息，提高了信息處理的質量。計算機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信息檢測過程進行管理和調節，使之工作在最佳狀態，從而增強了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計算機軟件能夠實現硬件難以實現的功能，因為以軟件代替部分硬件，可降低傳感器的制作難度。
由于智能傳感器的集成化和智能化是其發展最為重要的兩個方向，本文將論述的重點放在這兩個方面，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，最后在此基礎上探討智能傳感器的設計思想。
二．智能傳感器的典型結構
智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關電路組成。傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號,送到信號調理電路中,進行濾波、放大、模-數轉換后,送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心,它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理,還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。由于計算機充分發揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務,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。
如果從結構上劃分，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或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成集成度高，體積小，但目前的技術水平還很難實現；將傳感器和微處理器、信號處理電路做在不同芯片上，則構成混合式智能傳感器，目前這類結構較多；初級的智能傳感器也可以由許多互相獨立的模塊組成，如將微計算機、信號調理電路模塊、數據電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼結構內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構和各部分的功能。
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的。輔助傳感器為溫度傳感器和環境壓力傳感器。溫度傳感器的作用是用來檢測主傳感器工作時，由于環境溫度變化或被測介質溫度變化而使其壓力敏感元件溫度變化，以便根據其溫度變化修正與補償溫度變化對測量帶來的誤差。而環境壓力傳感器的作用時測量工作環境大氣壓變化，以便修正大氣壓變化對測量的影響。由此可見，智能式傳感器具有較強的自適應能力，它可以判斷工作環境因素的變化，進行必要的修正，保證測量的準確性。
微機硬件系統，用于對傳感器輸出的微弱信號進行放大、處理、存儲和計算機通信。系統構成情況由其應具備的功能而定。DTP就有一個串行輸出口，以RS－232指令格式傳輸數據。
上面以智能式壓力傳感器為例給了智能傳感器一個形象直觀的說明。下面具體談談具體設計智能傳感器所采用的兩種主要結構，一種是數值傳感器信號處理（DSSP），另一種是數字控制的模擬信號處理（DCASP）。
DCASP結構是一種最基本的結構，它在傳感器和模擬輸出之間直接提供了一個模擬通道，因此，被測量分辨率和相應時間不受影響。溫度補償和校正都在并聯賄賂實現，并聯回路能改變信號放大器的失調和增益。要獲得數字輸出信號，可加一個A/D變換器。
精確的設計都采用DSSP結構。它通常包括兩個傳感器：被測量傳感器（例如壓力）和溫度（補償）傳感器。在硅器件中，溫度信號可直接從被測量傳感器提取出來。傳感器信號經多路調制器送到A/D變換器，然后再送到微控器進行信號的補償和校正。測量的穩定性只由A/D變換器的穩定性決定。可用傳感器輸出的算法趨近或多表面逼近法進行信號處理。每個給定傳感器的校正系數都被單獨儲存再永久寄存器中。如果需要模擬輸出，可另外加一個D/A變換器。
具有DSSP結構智能傳感器一個突出的優點在于，它可以與其他任一數字接口的儀器連接，采用點點之間通信總線，多點通信總線以及局域網絡Mininet進行通信。但是，DSSP結構的分辨率受輸入A/D變換的分辨率和補償/校正處理分辨率的限制。響應時間受A/D變換時間和補償處理時間限制。
三．集成式智能傳感器
在第二部分討論智能傳感器的結構時已經。傳感器的集成化是指將多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構成傳感器陣列,主要有三個方面的含義:一是將多個功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個芯片上,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。二是對多個結構相同、功能相近的敏感單元進行集成,例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”,利用各種敏感元對不同氣體的交叉敏感效應,采用神經網絡模式識別等先進數據處理技術,可以對混合氣體的各種組分同時監測,得到混合氣體的組成信息,同時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,可以根據待測量的大小在各個傳感元之間切換,在保證測量精度的同時,擴大傳感器的測量范圍。集成化的第三層含義是指對不同類型的傳感器進行集成,例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學等敏感單元的傳感器,能同時測到環境中的物理特性或化學參量,用來對環境進行監測。
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