智能传感器
一．概述
根据我国国家标准对传感器的定义，传感器（Transducer/Sensor）是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常传感器由敏感元件和转换元件著称。其中敏感元件（Sensing element）是指能直接感受被测量的部分；转换元件（Transduction element）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。
随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。国外有的文章称传统的传感器为Dumb sensor(愚蠢的、笨哑的传感器)。另外，为制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合，弥补其性能的不足，计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生功能强大的智能传感器。国外称为Intelligent sensor(智能传感器)或Smart sensor(直译就是“灵巧的、机敏的、智能传感器”的意思)。所谓智能式传感器，就是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。
在信息技术高度发达的今天，传感器的智能化和多功能化将成为传感器发展的重要方向。和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：
(1)具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。
(2)具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。
(3)具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。
(4)具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。
(5)具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。
(6)具有数据通讯功能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。
由于智能传感器的集成化和智能化是其发展最为重要的两个方向，本文将论述的重点放在这两个方面，并以集成式智能传感器和模糊传感器为代表加以具体阐述，最后在此基础上探讨智能传感器的设计思想。
二．智能传感器的典型结构
智能传感器主要由传感器、微处理器及其相关电路组成。传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心,它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能,可以完成硬件难以完成的任务,从而大大降低传感器制造的难度,提高传感器的性能,降低成本。
如果从结构上划分，智能传感器可以分为集成式、混合式和模块式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现；将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同芯片上，则构成混合式智能传感器，目前这类结构较多；初级的智能传感器也可以由许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、数据电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳结构内则组成模块式智能传感器。
下面以智能式压力传感器为例来说明智能传感器的典型结构和各部分的功能。
在DTP型智能式压力传感器中，主传感器为压力传感器，它的作用是用来测量被测压力参数的。辅助传感器为温度传感器和环境压力传感器。温度传感器的作用是用来检测主传感器工作时，由于环境温度变化或被测介质温度变化而使其压力敏感元件温度变化，以便根据其温度变化修正与补偿温度变化对测量带来的误差。而环境压力传感器的作用时测量工作环境大气压变化，以便修正大气压变化对测量的影响。由此可见，智能式传感器具有较强的自适应能力，它可以判断工作环境因素的变化，进行必要的修正，保证测量的准确性。
微机硬件系统，用于对传感器输出的微弱信号进行放大、处理、存储和计算机通信。系统构成情况由其应具备的功能而定。DTP就有一个串行输出口，以RS－232指令格式传输数据。
上面以智能式压力传感器为例给了智能传感器一个形象直观的说明。下面具体谈谈具体设计智能传感器所采用的两种主要结构，一种是数值传感器信号处理（DSSP），另一种是数字控制的模拟信号处理（DCASP）。
DCASP结构是一种最基本的结构，它在传感器和模拟输出之间直接提供了一个模拟通道，因此，被测量分辨率和相应时间不受影响。温度补偿和校正都在并联贿赂实现，并联回路能改变信号放大器的失调和增益。要获得数字输出信号，可加一个A/D变换器。
精确的设计都采用DSSP结构。它通常包括两个传感器：被测量传感器（例如压力）和温度（补偿）传感器。在硅器件中，温度信号可直接从被测量传感器提取出来。传感器信号经多路调制器送到A/D变换器，然后再送到微控器进行信号的补偿和校正。测量的稳定性只由A/D变换器的稳定性决定。可用传感器输出的算法趋近或多表面逼近法进行信号处理。每个给定传感器的校正系数都被单独储存再永久寄存器中。如果需要模拟输出，可另外加一个D/A变换器。
具有DSSP结构智能传感器一个突出的优点在于，它可以与其他任一数字接口的仪器连接，采用点点之间通信总线，多点通信总线以及局域网络Mininet进行通信。但是，DSSP结构的分辨率受输入A/D变换的分辨率和补偿/校正处理分辨率的限制。响应时间受A/D变换时间和补偿处理时间限制。
三．集成式智能传感器
在第二部分讨论智能传感器的结构时已经。传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列,主要有三个方面的含义:一是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上,用来测量被测量的空间分布信息,例如压力传感器阵列或我们熟知的ＣＣＤ器件。二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成,例如将不同气敏传感元集成在一起组成“电子鼻”,利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应,采用神经网络模式识别等先进数据处理技术,可以对混合气体的各种组分同时监测,得到混合气体的组成信息,同时提高气敏传感器的测量精度;这层含义上的集成还有一种情况是将不同量程的传感元集成在一起,可以根据待测量的大小在各个传感元之间切换,在保证测量精度的同时,扩大传感器的测量范围。集成化的第三层含义是指对不同类型的传感器进行集成,例如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感器,能同时测到环境中的物理特性或化学参量,用来对环境进行监测。
根据我国国家标准对传感器的定义，传感器（Transducer/Sensor）是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常传感器由敏感元件和转换元件著称。其中敏感元件（Sensing element）是指能直接感受被测量的部分；转换元件（Transduction element）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。
随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的传感器已不能满足这样的要求。国外有的文章称传统的传感器为Dumb sensor(愚蠢的、笨哑的传感器)。另外，为制造高性能的传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用计算机技术与传感器技术相结合，弥补其性能的不足，计算机技术使传感器技术发生了巨大的变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生功能强大的智能传感器。国外称为Intelligent sensor(智能传感器)或Smart sensor(直译就是“灵巧的、机敏的、智能传感器”的意思)。所谓智能式传感器，就是一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。
在信息技术高度发达的今天，传感器的智能化和多功能化将成为传感器发展的重要方向。和传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：
(1)具有逻辑判断、统计处理功能。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。
(2)具有自诊断、自校准功能。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。
(3)具有自适应、自调整功能。可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。
(4)具有组态功能。可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。
(5)具有记忆、存储功能。可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。
(6)具有数据通讯功能。智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。
由于智能传感器的集成化和智能化是其发展最为重要的两个方向，本文将论述的重点放在这两个方面，并以集成式智能传感器和模糊传感器为代表加以具体阐述，最后在此基础上探讨智能传感器的设计思想。
二．智能传感器的典型结构
智能传感器主要由传感器、微处理器及其相关电路组成。传感器将被测的物理量转换成相应的电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心,它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能,可以完成硬件难以完成的任务,从而大大降低传感器制造的难度,提高传感器的性能,降低成本。
如果从结构上划分，智能传感器可以分为集成式、混合式和模块式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现；将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同芯片上，则构成混合式智能传感器，目前这类结构较多；初级的智能传感器也可以由许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、数据电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳结构内则组成模块式智能传感器。
下面以智能式压力传感器为例来说明智能传感器的典型结构和各部分的功能。
在DTP型智能式压力传感器中，主传感器为压力传感器，它的作用是用来测量被测压力参数的。辅助传感器为温度传感器和环境压力传感器。温度传感器的作用是用来检测主传感器工作时，由于环境温度变化或被测介质温度变化而使其压力敏感元件温度变化，以便根据其温度变化修正与补偿温度变化对测量带来的误差。而环境压力传感器的作用时测量工作环境大气压变化，以便修正大气压变化对测量的影响。由此可见，智能式传感器具有较强的自适应能力，它可以判断工作环境因素的变化，进行必要的修正，保证测量的准确性。
微机硬件系统，用于对传感器输出的微弱信号进行放大、处理、存储和计算机通信。系统构成情况由其应具备的功能而定。DTP就有一个串行输出口，以RS－232指令格式传输数据。
上面以智能式压力传感器为例给了智能传感器一个形象直观的说明。下面具体谈谈具体设计智能传感器所采用的两种主要结构，一种是数值传感器信号处理（DSSP），另一种是数字控制的模拟信号处理（DCASP）。
DCASP结构是一种最基本的结构，它在传感器和模拟输出之间直接提供了一个模拟通道，因此，被测量分辨率和相应时间不受影响。温度补偿和校正都在并联贿赂实现，并联回路能改变信号放大器的失调和增益。要获得数字输出信号，可加一个A/D变换器。
精确的设计都采用DSSP结构。它通常包括两个传感器：被测量传感器（例如压力）和温度（补偿）传感器。在硅器件中，温度信号可直接从被测量传感器提取出来。传感器信号经多路调制器送到A/D变换器，然后再送到微控器进行信号的补偿和校正。测量的稳定性只由A/D变换器的稳定性决定。可用传感器输出的算法趋近或多表面逼近法进行信号处理。每个给定传感器的校正系数都被单独储存再永久寄存器中。如果需要模拟输出，可另外加一个D/A变换器。
具有DSSP结构智能传感器一个突出的优点在于，它可以与其他任一数字接口的仪器连接，采用点点之间通信总线，多点通信总线以及局域网络Mininet进行通信。但是，DSSP结构的分辨率受输入A/D变换的分辨率和补偿/校正处理分辨率的限制。响应时间受A/D变换时间和补偿处理时间限制。
三．集成式智能传感器
在第二部分讨论智能传感器的结构时已经。传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列,主要有三个方面的含义:一是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上,用来测量被测量的空间分布信息,例如压力传感器阵列或我们熟知的ＣＣＤ器件。二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成,例如将不同气敏传感元集成在一起组成“电子鼻”,利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应,采用神经网络模式识别等先进数据处理技术,可以对混合气体的各种组分同时监测,得到混合气体的组成信息,同时提高气敏传感器的测量精度;这层含义上的集成还有一种情况是将不同量程的传感元集成在一起,可以根据待测量的大小在各个传感元之间切换,在保证测量精度的同时,扩大传感器的测量范围。集成化的第三层含义是指对不同类型的传感器进行集成,例如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感器,能同时测到环境中的物理特性或化学参量,用来对环境进行监测。
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