智能传感器综述
摘要：作为人类获取信息的工具，传感器是现代信息技术的重要组成部分。传统意义上的传感器输出的多是模拟量信号，本身不具备信号处理和组网功能，需连接到特定测量仪表才能完成信号的处理和传输功能。智能传感器能在内部实现对原始数据的加工处理，并且可以通过标准的接口与外界实现数据交换，以及根据实际的需要通过软件控制改变传感器的工作，从而实现智能化、网络化。由于使用标准总线接口，智能传感器具有良好的开放性、扩展性，给系统的扩充带来了很大的发展空间。
关键字：智能传感器；单片机；智能化；网络化
0 引言
传感器技术是信息技术的三大基础之一，自80年代起就得到了世界各国的重视，在今后的发展中，新材料的开发、集成化、多功能化、智能化、加工技术微精细化、指标高精度化、性能高稳定、高可靠及网络化将成为传感器技术的研究重点。其中智能化和网络化体现了多种技术的结合，是当今国际研究热点之一。随着网络时代的进步和信息化程度的不断提高，计算机网络技术和智能传感技术的结合日趋紧密，并由此产生了智能传感器网络技术。“智能传感器网络”技术主要研究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术、通信技术和计算机技术融合起来，以实现信息的“采集”、“传输”和“处理”的真正统一。智能传感器网络的最终目标是使智能传感器的处理单元实现网络通信协议，从而构成一个分布式智能传感器网络系统。在该网络中．传感器作为一个可存取节点，在该网络上可对智能传感器数据和信息进行远程访问、对功能进行在线编程。它的研究将对工业控制、智能建筑、远程医疗和数学等领域带来重大的影响，从而改变传统的布线方式和信息处理技术，不仅可以节约大量现场布线．而且可以实现现场信息共享和远程控制。
1 智能传感器概述
智能传感器是美国宇航局(NASA)在开发宇宙飞船的过程中产生的。宇宙飞船
需要速度、加速度、位置和姿态等传感器，宇航员的生活环境需要温度、气压、空气成份和微量气体传感器，科学观测也要用大量的各种传感器。宇宙飞船观测到的各种数据是很庞大的，处理这些数据需要用超大型计算机。要不丢失数据，并降低成本，就必须有能实现传感器与计算机一体化的灵巧传感器，以便实现数据处理由集中处理变为分散处理，从而避免使用超大型计算机，由此产生了智能传感器。智能传感器是微电子技术、微型电子计算机技术与检测技术相结合的产物，具备学习、推理、感知、通信以及管理等功能，这种功能相当于一个具备知识与经验丰富的专家的能力。一般而言，智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器。它不仅具有传统传感器的各种功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯等能力。
早期的智能传感器是将传感器的输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机进行运算处理。80年代智能传感器主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微电子计算机存贮器及接口电路集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高，使传感器实现了微型化、结构一体化、阵列式、数字式，使用方便、操作简单，并具有自诊断功能、记忆与信息处理功能、数据存贮功能、多参量测量功能、联网通信功能、逻辑思维以及判断功能。
2 智能传感器的功能与特点
2.1智能传感器的功能:
(一) 自我完善能力方面:
(1)具有改善静态性能，提高静态测量精度的自校正、自校零、自校准功能;
(2)具有提高系统响应速度，改善动态特性的智能化频率自动补偿功能;
(3)具有抑制交叉敏感，提高系统稳定性的多信息融合功能。
(二) 在自我管理与自适应能力方面
(1)具有自检验、自诊断、自寻故障、自恢复功能;
(2)具有判断、决策、自动量程切换与控制功能。
(三) 自我识别与运算处理能力方面
(1)具有从噪声中辨识微弱信号与消噪功能;
(2)具有多维空间的图像识别与模式识别功能;
(3)具有数据自动采集、存储、记忆与信息处理功能。
(四) 在交互信息能力方面
具有双向通信、标准化数字输出以及拟人类语言符号等多种输出功能。
2. 2智能传感器的特点
(一) 精度高
智能传感器可通过自动校零去除零点，与标准参考基准实时对比自动进行整体系统标定、非线性等系统误差的校正，实时采集大量数据进行分析处理，消除偶然误差影响，保证智能传感器的高精度。
(二) 高可靠性与高稳定性
智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化而引起的系统特性的漂移，如环境温度、系统供电电压波动而产生的零点和灵敏度的漂移; 在被测参数变化后能自动变换量程，实时进行系统自我检验、分析、判断所采集数据的合理性，并自动进行异常情况的应急处理。
(三) 高信噪比与高分辨力
由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过数字滤波等相关分析处理，可去除输入数据中的噪声，自动提取有用数据; 通过数据融合、神经网络技术，可消除多参数状态下交叉灵敏度的影响。
(四) 强自适应性
智能传感器具有判断、分析与处理功能，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输速率，使系统工作在最优低功耗状态并优化传输效率。
(五) 较高的性能价格比
智能传感器具有的高性能，不是像传统传感器技术那样通过追求传感器本身的完善、对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得的，而是通过与微处理器/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，所以具有较高的性能价格比。
3 智能传感器的发展历史及发展趋势
3.1智能传感器的发展历史
智能传感器的发展经历了一个内涵不断丰富的过程。80年代初，将信号处理电路(滤波、放大、调零) 与传感器设计在一起，输出0-5V 电压或4-20mA 电流，这样的传感器即为当时意义上的“智能传感器”;80年代末期到90年代中后期，随着单片机技术的发展，将单片微处理器嵌人传感器中实现温度补偿、修正、校准，同时利用A/D变换器将原来的模拟信号转换成数字信号，将“智能传感器”所包含的含义向数字化推进了一步。这种类型的传感器在设计方法上已开始有所转变，不再像以前一样全部由硬件构成，而是通过软件对信号进行处理，相应输出的信号是数字信号; 自“现场总线”概念提出以后，基于现场总线的测量控制系统得到了广泛应用，对传感器的设计也提出了新的要求。从发展的角度看，未来单个传感器独立使用的场合将越来越少，更多的是多传感器系统的综合应用以实现多参数的测量和多对象的控制。为了满足这种多传感器之间的信息交换，传感器设计时软件将占主要的地位，通过软件将传感器将内总各个敏感单元或与外部的智能传感器单元联系在一起，软件对象不再是以前的单个的对象，而是整个系统，其输出的数字信号是符合某种通信协议格式的。从而可实现传感器与传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换和共享。
3. 2智能传感器的发展趋势
智能传感器是应现代自动化系统发展的需求而提出来的，同时也是传感器技术克服自身落后向前发展的必然趋势。推广应用微电子学与微处理机技术对传感器革新改造，已成为传感器发展的新动向。从技术的角度讲，大致可分以下四个方面。
(1)广泛采用半导体集成技术，使传感器微电子化 ；
(2)传感器与表面安装技术(SMT)相结合，使传感器模块化；
(3)传感器与微处理相结合，促进了传感器向智能化发展；
(4)传感器与近代技术相结合，促进了传感器品种的增加和质量的提高。 4 智能传感器的应用
4.1智能红外线测温仪
红外测温技术与传统测温技术相比有巨大的优越性, 因此在很多工业生产过程如电力系统、冶金系统中得到了广泛应用，红外测温产品有着广阔的应用前景。图1所示为智能红外线测温仪原理框图。
红外传感器将被检测目标的温度转换为电信号，经A ／D 变换后输入单片机。温度传感器将环境温度转换为电信号，经A ／D 变换后输入单片机。单片机中存放有红外传感器的非线性校正数据。红外传感器检测的数据经单片机计算处理，消除非线性误差后，可获得被测目标的温度特性与环境温度的关系。供记录、显示、存储备用。
4.2 轮速智能传感器
轮速智能传感器的硬件结构以单片机为核心，外部扩展8KBRAM 和8KBEPROM ，外围电路有信号处理电路、总线通信控制及总线接口等，如图2所示。轮速智能传感器检测到的轮子转动速度信号经滤波、整形变换为脉冲数字信号后，由光电隔离耦合接到80C31单片机端口。轮速和其它测控数据由仪表盘上的仪器仪表显示和使用。
4.3汽车制动性能检测仪
制动性能的检测有路试法和台试法。台试法用得较多，它是通过在制动试验台上对汽车进行制动力的测量，并以车轮制动力的大小和左右车轮制动力的差值来综合评价汽车的制动性能。汽车制动性能检测仪由左轮、右轮制动力传感器及数据采集、处理与输出系统组成，其总体框图如图3所示。
可见，智能传感器是具备了记忆、分析和思考能力，输出期望值的传感器。能提供更全面、更真实的信息，消除异常值、例外值；具有信号处理包括温度补偿、线性化等功能；能够随机调整和自适应；具有一定程度的存储、识别和自诊断能力；其含有特定算法并可根据需要改变算法。
这些传感器不仅在物理层面上检测信号，而且在逻辑层面上对信号进行分析、处理、存储和通信。相当于具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能，所以称之为智能传感器。
5结语
传统的模拟传感器由于各种硬件电路的存在，问题无法从根本上解决。而智能传感器克服了传统传感器只能通过外部电路来实现传感器的校准、温度补偿的缺点，利用软件的编译处理来实现传感器的各种功能，极大程度上保证了传感器的准确性、稳定性和可靠性，近年来，智能化传感器开始同人工智能相结合，创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，称为软传感器技术。在今后的发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域，成为传感器发展的主要方向。
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