智能傳感器綜述

1、智能傳感器綜述摘要：作為人類獲取信息的工具，傳感器是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分。傳統(tǒng)意義上的傳感器輸出的多是模擬量信號(hào)，本身不具備信號(hào)處理和組網(wǎng)功能，需連接到特定測(cè)量?jī)x表才能完成信號(hào)的處理和傳輸功能。智能傳感器能在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的加工處理，并且可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，以及根據(jù)實(shí)際的需要通過(guò)軟件控制改變傳感器的工作，從而實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。由于使用標(biāo)準(zhǔn)總線接口，智能傳感器具有良好的開(kāi)放性、擴(kuò)展性，給系統(tǒng)的擴(kuò)充帶來(lái)了很大的發(fā)展空間。關(guān)鍵字：智能傳感器；單片機(jī)；智能化；網(wǎng)絡(luò)化0 引言傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，自80年代起就得到了世界各國(guó)的重視，在今后的發(fā)展中，新材料的開(kāi)發(fā)

2、、集成化、多功能化、智能化、加工技術(shù)微精細(xì)化、指標(biāo)高精度化、性能高穩(wěn)定、高可靠及網(wǎng)絡(luò)化將成為傳感器技術(shù)的研究重點(diǎn)。其中智能化和網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)了多種技術(shù)的結(jié)合，是當(dāng)今國(guó)際研究熱點(diǎn)之一。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的進(jìn)步和信息化程度的不斷提高，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能傳感技術(shù)的結(jié)合日趨緊密，并由此產(chǎn)生了智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。“智能傳感器網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)主要研究智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能，將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)信息的“采集”、“傳輸”和“處理”的真正統(tǒng)一。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是使智能傳感器的處理單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，從而構(gòu)成一個(gè)分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡(luò)中傳感器作為一個(gè)可存取節(jié)點(diǎn)，在該網(wǎng)絡(luò)上可

3、對(duì)智能傳感器數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)、對(duì)功能進(jìn)行在線編程。它的研究將對(duì)工業(yè)控制、智能建筑、遠(yuǎn)程醫(yī)療和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)重大的影響，從而改變傳統(tǒng)的布線方式和信息處理技術(shù)，不僅可以節(jié)約大量現(xiàn)場(chǎng)布線而且可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息共享和遠(yuǎn)程控制。1 智能傳感器概述 智能傳感器是美國(guó)宇航局(NASA)在開(kāi)發(fā)宇宙飛船的過(guò)程中產(chǎn)生的。宇宙飛船需要速度、加速度、位置和姿態(tài)等傳感器，宇航員的生活環(huán)境需要溫度、氣壓、空氣成份和微量氣體傳感器，科學(xué)觀測(cè)也要用大量的各種傳感器。宇宙飛船觀測(cè)到的各種數(shù)據(jù)是很龐大的，處理這些數(shù)據(jù)需要用超大型計(jì)算機(jī)。要不丟失數(shù)據(jù)，并降低成本，就必須有能實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)一體化的靈巧傳感器，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理

4、由集中處理變?yōu)榉稚⑻幚恚瑥亩苊馐褂贸笮陀?jì)算機(jī)，由此產(chǎn)生了智能傳感器。智能傳感器是微電子技術(shù)、微型電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，具備學(xué)習(xí)、推理、感知、通信以及管理等功能，這種功能相當(dāng)于一個(gè)具備知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)豐富的專家的能力。一般而言，智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的各種功能，而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、自調(diào)整以及人機(jī)通訊等能力。 早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心，把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微電子計(jì)算機(jī)存貯器及接口電路集

5、成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測(cè)量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高，使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式，使用方便、操作簡(jiǎn)單，并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測(cè)量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。2 智能傳感器的功能與特點(diǎn)2.1智能傳感器的功能: (一)自我完善能力方面: (1)具有改善靜態(tài)性能，提高靜態(tài)測(cè)量精度的自校正、自校零、自校準(zhǔn)功能; (2)具有提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善動(dòng)態(tài)特性的智能化頻率自動(dòng)補(bǔ)償功能; (3)具有抑制交叉敏感，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的多信息融合功能。 (二)在自我管理與自適應(yīng)能力方面 (1)具有自檢驗(yàn)、自診斷、自尋故

6、障、自恢復(fù)功能; (2)具有判斷、決策、自動(dòng)量程切換與控制功能。 (三)自我識(shí)別與運(yùn)算處理能力方面 (1)具有從噪聲中辨識(shí)微弱信號(hào)與消噪功能; (2)具有多維空間的圖像識(shí)別與模式識(shí)別功能; (3)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能。 (四)在交互信息能力方面 具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出以及擬人類語(yǔ)言符號(hào)等多種輸出功能。2. 2智能傳感器的特點(diǎn) (一)精度高 智能傳感器可通過(guò)自動(dòng)校零去除零點(diǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)對(duì)比自動(dòng)進(jìn)行整體系統(tǒng)標(biāo)定、非線性等系統(tǒng)誤差的校正，實(shí)時(shí)采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，消除偶然誤差影響，保證智能傳感器的高精度。 (二)高可靠性與高穩(wěn)定性 智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條

7、件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化而引起的系統(tǒng)特性的漂移，如環(huán)境溫度、系統(tǒng)供電電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的零點(diǎn)和靈敏度的漂移;在被測(cè)參數(shù)變化后能自動(dòng)變換量程，實(shí)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)自我檢驗(yàn)、分析、判斷所采集數(shù)據(jù)的合理性，并自動(dòng)進(jìn)行異常情況的應(yīng)急處理。 (三)高信噪比與高分辨力 由于智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能，通過(guò)數(shù)字濾波等相關(guān)分析處理，可去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，自動(dòng)提取有用數(shù)據(jù);通過(guò)數(shù)據(jù)融合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響。 (四)強(qiáng)自適應(yīng)性 智能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它能根據(jù)系統(tǒng)工作情況決策各部分的供電情況、與高/上位計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率，使系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài)并優(yōu)化傳輸效率。 (

8、五)較高的性能價(jià)格比 智能傳感器具有的高性能，不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)那樣通過(guò)追求傳感器本身的完善、對(duì)傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與調(diào)試、進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來(lái)獲得的，而是通過(guò)與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合，采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以具有較高的性能價(jià)格比。3 智能傳感器的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)3.1智能傳感器的發(fā)展歷史 智能傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)內(nèi)涵不斷豐富的過(guò)程。80年代初，將信號(hào)處理電路(濾波、放大、調(diào)零)與傳感器設(shè)計(jì)在一起，輸出0-5V電壓或4-20mA電流，這樣的傳感器即為當(dāng)時(shí)意義上的“智能傳感器”;80年代末期到90年代中后期，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將單片微

9、處理器嵌人傳感器中實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償、修正、校準(zhǔn)，同時(shí)利用A/D變換器將原來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將“智能傳感器”所包含的含義向數(shù)字化推進(jìn)了一步。這種類型的傳感器在設(shè)計(jì)方法上已開(kāi)始有所轉(zhuǎn)變，不再像以前一樣全部由硬件構(gòu)成，而是通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，相應(yīng)輸出的信號(hào)是數(shù)字信號(hào);自“現(xiàn)場(chǎng)總線”概念提出以后，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)量控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)也提出了新的要求。從發(fā)展的角度看，未來(lái)單個(gè)傳感器獨(dú)立使用的場(chǎng)合將越來(lái)越少，更多的是多傳感器系統(tǒng)的綜合應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的測(cè)量和多對(duì)象的控制。為了滿足這種多傳感器之間的信息交換，傳感器設(shè)計(jì)時(shí)軟件將占主要的地位，通過(guò)軟件將傳感器將內(nèi)總各個(gè)敏感單元或與

10、外部的智能傳感器單元聯(lián)系在一起，軟件對(duì)象不再是以前的單個(gè)的對(duì)象，而是整個(gè)系統(tǒng)，其輸出的數(shù)字信號(hào)是符合某種通信協(xié)議格式的。從而可實(shí)現(xiàn)傳感器與傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和共享。3. 2智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 智能傳感器是應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的需求而提出來(lái)的，同時(shí)也是傳感器技術(shù)克服自身落后向前發(fā)展的必然趨勢(shì)。推廣應(yīng)用微電子學(xué)與微處理機(jī)技術(shù)對(duì)傳感器革新改造，已成為傳感器發(fā)展的新動(dòng)向。從技術(shù)的角度講，大致可分以下四個(gè)方面。 (1)廣泛采用半導(dǎo)體集成技術(shù)，使傳感器微電子化 ；(2)傳感器與表面安裝技術(shù)(SMT)相結(jié)合，使傳感器模塊化； (3)傳感器與微處理相結(jié)合，促進(jìn)了傳感器

11、向智能化發(fā)展； (4)傳感器與近代技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)了傳感器品種的增加和質(zhì)量的提高。4 智能傳感器的應(yīng)用4.1智能紅外線測(cè)溫儀紅外測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)相比有巨大的優(yōu)越性,因此在很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程如電力系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，紅外測(cè)溫產(chǎn)品有著廣闊的應(yīng)用前景。圖1所示為智能紅外線測(cè)溫儀原理框圖。 紅外傳感器將被檢測(cè)目標(biāo)的溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。單片機(jī)中存放有紅外傳感器的非線性校正數(shù)據(jù)。紅外傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理，消除非線性誤差后，可獲得被測(cè)目標(biāo)的溫度特性與環(huán)境溫度的關(guān)系。供記錄、顯示、存儲(chǔ)備用。 4.2 輪

12、速智能傳感器 輪速智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)以單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展8KBRAM和8KBEPROM，外圍電路有信號(hào)處理電路、總線通信控制及總線接口等，如圖2所示。輪速智能傳感器檢測(cè)到的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)濾波、整形變換為脈沖數(shù)字信號(hào)后，由光電隔離耦合接到80C31單片機(jī)端口。輪速和其它測(cè)控?cái)?shù)據(jù)由儀表盤上的儀器儀表顯示和使用。 4.3汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀 制動(dòng)性能的檢測(cè)有路試法和臺(tái)試法。臺(tái)試法用得較多，它是通過(guò)在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)力的測(cè)量，并以車輪制動(dòng)力的大小和左右車輪制動(dòng)力的差值來(lái)綜合評(píng)價(jià)汽車的制動(dòng)性能。汽車制動(dòng)性能檢測(cè)儀由左輪、右輪制動(dòng)力傳感器及數(shù)據(jù)采集、處理與輸出系統(tǒng)組成，其總體框圖如圖3所

13、示。 可見(jiàn)，智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。能提供更全面、更真實(shí)的信息，消除異常值、例外值；具有信號(hào)處理包括溫度補(bǔ)償、線性化等功能；能夠隨機(jī)調(diào)整和自適應(yīng)；具有一定程度的存儲(chǔ)、識(shí)別和自診斷能力；其含有特定算法并可根據(jù)需要改變算法。這些傳感器不僅在物理層面上檢測(cè)信號(hào)，而且在邏輯層面上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和通信。相當(dāng)于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能，所以稱之為智能傳感器。5結(jié)語(yǔ)傳統(tǒng)的模擬傳感器由于各種硬件電路的存在，問(wèn)題無(wú)法從根本上解決。而智能傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器只能通過(guò)外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，利用軟件的編譯處理來(lái)

14、實(shí)現(xiàn)傳感器的各種功能，極大程度上保證了傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，近年來(lái)，智能化傳感器開(kāi)始同人工智能相結(jié)合，創(chuàng)造出各種基于模糊推理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)的高度智能傳感器，稱為軟傳感器技術(shù)。在今后的發(fā)展中，智能化傳感器無(wú)疑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域，成為傳感器發(fā)展的主要方向。參考文獻(xiàn)：1支超有基于CAN網(wǎng)絡(luò)智能傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J電子技術(shù)應(yīng)用，2005，(7)2王洪茂，陳 欣基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的分布式檢測(cè)系統(tǒng)研究J計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14(4)，4464493童長(zhǎng)飛C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20054周立新基于CAN總線的電梯數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)J設(shè)計(jì)研究，2007，(9)5楊恩江單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理J電子測(cè)量技術(shù)，1995，(4)6牛德芳. 半導(dǎo)體傳感囂原理及其應(yīng)用M大連：大連理工大學(xué)出版社，19957王祁，于航傳感囂技術(shù)的新發(fā)展智能傳感器和多功能傳感器J.傳感器技術(shù)，1998,17(1)