智能傳感器的種類和結(jié)構(gòu)/特點(diǎn)/作用/實(shí)現(xiàn)

智能傳感器的概念最早是由NASA在開發(fā)宇宙飛船的過程中引入的，并于1979年形成產(chǎn)品。宇宙飛船需要大量的傳感器來向地面或航天器發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，即使使用大型計(jì)算機(jī)，也很難同時(shí)處理如此龐大的數(shù)據(jù)。此外，航天器限制了計(jì)算機(jī)的體積和重量。希望傳感器本身具有信息處理功能，因此當(dāng)傳感器與微處理器組合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)智能傳感器。

智能傳感器是一種可以感知和檢測某個(gè)物體信息，可以學(xué)習(xí)、判斷和處理信號的功能，是一種具有通信和管理功能的新型傳感器。智能傳感器具有自動(dòng)校準(zhǔn)、校準(zhǔn)、補(bǔ)償和收集數(shù)據(jù)的能力。其能力決定了智能傳感器具有高精度和分辨率、高穩(wěn)定性和可靠性、良好的適應(yīng)性。與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有高性能的價(jià)格比。

智能傳感器的種類和結(jié)構(gòu)

1）智能傳感器的類型如下：

A.傳感器具有判斷能力

B.具有學(xué)習(xí)能力的傳感器

C.具有創(chuàng)造力的傳感器

2）智能傳感器的結(jié)構(gòu)

智能傳感器系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器和相關(guān)電路組成，如圖所示。傳感器將測量的物理量和化學(xué)量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，將其發(fā)送到信號調(diào)制電路，然后經(jīng)過濾波，放大和A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到微處理器。

微處理器對接收到的信號進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和處理，對傳感器的反饋回路和信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)測量過程的調(diào)節(jié)和控制;另一方面，將處理結(jié)果傳送到輸出接口，接口電路根據(jù)輸出格式進(jìn)行處理后，輸出接口自定義數(shù)字測量結(jié)果。微處理器是智能傳感器的核心。由于各種軟件的功能，傳感器智能化，傳感器的性能大大提高。

智能傳感器的特點(diǎn)

（1）高精度

智能傳感器通過自動(dòng)調(diào)零和除零、標(biāo)準(zhǔn)參考實(shí)時(shí)自動(dòng)對比整體系統(tǒng)校準(zhǔn)、非線性系統(tǒng)誤差、大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和處理，消除意外誤差的影響，保證智能傳感器的精度。

（2）高可靠性和高穩(wěn)定性

智能傳感器系統(tǒng)可自動(dòng)補(bǔ)償零點(diǎn)漂移引起的工況特性和環(huán)境參數(shù)變化和環(huán)境溫度等靈敏度，漂移引起的系統(tǒng)電源電壓波動(dòng);可自動(dòng)變換測量參數(shù)量程，實(shí)時(shí)系統(tǒng)自檢，分析判斷數(shù)據(jù)合理性應(yīng)急處理，并自動(dòng)進(jìn)行異常情況處理。

（3）高信噪比和高分辨率

智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶和信息處理功能，通過數(shù)字濾波和相關(guān)性分析，可以去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲，自動(dòng)提取有用數(shù)據(jù);通過數(shù)據(jù)融合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以消除交叉敏感條件下許多參數(shù)的影響。

（4）適應(yīng)性強(qiáng)

智能傳感器具有判斷、分析和處理功能。它可以根據(jù)系統(tǒng)的工作條件，用高/頂計(jì)算機(jī)對各部分的供電和數(shù)據(jù)傳輸速率做出決策，使系統(tǒng)在最佳的低功耗狀態(tài)下工作，優(yōu)化傳輸效率。

（5）更高的性能和價(jià)格比

智能傳感器具有高性能，不像傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)那樣通過追求完美，傳感器本身在傳感器設(shè)計(jì)和調(diào)試、精心制作的工藝品的各個(gè)環(huán)節(jié)“來獲得”，而是通過計(jì)算機(jī)和微處理器/微芯片的結(jié)合，采用集成電路技術(shù)和廉價(jià)而強(qiáng)大的軟件來實(shí)現(xiàn)，因此它具有高性能的價(jià)格比。

智能傳感器的作用

智能傳感器的功能是通過模擬人體感覺器官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長期測試技術(shù)的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來模擬的。它是一個(gè)相對獨(dú)立的智能單元。它的出現(xiàn)降低了對原有硬件性能的苛刻要求，并通過軟件輔助大大提高了傳感器的性能。智能傳感器通?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：

（1）我們觀察我們周圍的自然現(xiàn)象。常見的信號是聲、光、電、熱、力和化學(xué)。敏感元素測量通常以兩種方式進(jìn)行測量：直接測量和間接測量。

智能傳感器功能復(fù)雜，可以同時(shí)測量各種物理量和化學(xué)量，給出的信息可以更全面地反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。作為加州大學(xué)的復(fù)合液體傳感器，溫度、速度、壓力和密度可以同時(shí)測量介質(zhì)。美國EG&GIC傳感器公司開發(fā)的復(fù)合機(jī)械傳感器可以同時(shí)測量一個(gè)點(diǎn)的三維振動(dòng)加速度，速度和位移。

（2）自適應(yīng)功能智能傳感器可以在一定范圍內(nèi)的條件下自動(dòng)調(diào)整自身特性以適應(yīng)這種變化。

自適應(yīng)技術(shù)可以延長器件或器件的使用壽命，因?yàn)樗梢匝a(bǔ)償老化組件引起的參數(shù)漂移。同時(shí)，它也擴(kuò)大了其工作領(lǐng)域，因?yàn)樗梢宰詣?dòng)適應(yīng)不同的環(huán)境條件。自適應(yīng)技術(shù)提高了傳感器的可重復(fù)性和精度。因?yàn)樾Ｕ脱a(bǔ)償值不再是平均值，而是測量點(diǎn)的真實(shí)校正值。

（3）自檢、自校準(zhǔn)、自診斷功能的普通傳感器需要定期檢查和校準(zhǔn)，以確保其在正常使用中足夠準(zhǔn)確，這些一般要求傳感器從現(xiàn)場到實(shí)驗(yàn)室或檢驗(yàn)部門去掉，對于在線測量傳感器是否異常是不及時(shí)診斷的。

當(dāng)使用智能傳感器時(shí)，情況會(huì)大大改善。首先，在電源電源上執(zhí)行自診斷功能，并使用診斷測試來確定組件的故障。其次，可以根據(jù)使用時(shí)間在線校正，微處理器利用E2PROM中的測量特性數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和校對。

（4）信息存儲(chǔ)功能往往是成功的關(guān)鍵。智能傳感器可以存儲(chǔ)大量信息，用戶可以隨時(shí)查詢。此信息可以包括設(shè)備的歷史信息。

例如，傳感器工作了多少小時(shí)，更換了多少次電源，等等。它還包括傳感器的所有數(shù)據(jù)和圖表，包括配置選擇說明等。此外，還包括最終工廠測試的序列號、生產(chǎn)日期、目錄和最終結(jié)果。內(nèi)容可以是無限的，只是受智能傳感器本身的存儲(chǔ)容量的限制。除了過程數(shù)據(jù)處理、自診斷、配置和信息存儲(chǔ)四大功能外，智能傳感器還提供數(shù)字通信和自適應(yīng)能力。

（5）數(shù)據(jù)處理是處理數(shù)據(jù)處理的一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，智能傳感器本身就提供了此功能。智能傳感器不僅可以放大信號，還可以使信號數(shù)字化，并使用軟件實(shí)現(xiàn)信號調(diào)整。通常，基本傳感器不能給出線性信號，過程控制將線性度作為重要目標(biāo)。智能傳感器可以通過查找表模式對非線性信號進(jìn)行線性化。

當(dāng)然，本數(shù)據(jù)手冊應(yīng)針對每個(gè)傳感器單獨(dú)編制。智能傳感器過程數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)例子是通過數(shù)字濾波器對數(shù)字信號進(jìn)行濾波，從而減少噪聲或其他相關(guān)影響的干擾。使用軟件開發(fā)復(fù)雜的濾波器比使用分立電子電路要容易得多。環(huán)境因子補(bǔ)償也是數(shù)據(jù)處理的一項(xiàng)重要任務(wù)。微控制器有助于提高信號檢測的準(zhǔn)確性。

例如，通過測量基本檢測元件的溫度可以獲得正確的溫度補(bǔ)償系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對信號的溫度補(bǔ)償。使用軟件還可以實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償和其他更復(fù)雜的補(bǔ)償。這是因?yàn)椴樵儽韼缀蹩梢陨扇魏涡螤畹那€。有時(shí)必須測量和處理幾個(gè)不同的物理量，以便給出它們各自的數(shù)據(jù)。智能傳感器的標(biāo)志控制器可以輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號的加減乘除運(yùn)算。在過程數(shù)據(jù)處理過程中，智能傳感器可能非常重要。

此外，將這些操作從中央控制室下方放到靠近信號發(fā)生點(diǎn)的點(diǎn)也是有益的。一是向控制室發(fā)送額外信號的成本很高，而智能傳感器節(jié)省了額外傳感器和引線的成本。另一種是在信息的應(yīng)用點(diǎn)檢測附加信息，大大減少了遠(yuǎn)距離傳輸引入的負(fù)面影響（如噪聲和電位差），使信號更加準(zhǔn)確。三是簡化主控制器中的軟件，提高控制回路的速度。

（6）智能傳感器配置功能的另一個(gè)主要特點(diǎn)是配置功能。

信號應(yīng)該放大多少倍？溫度傳感器輸出是攝氏度還是華氏度？對于智能傳感器用戶，可以隨意選擇所需的配置。例如，檢測范圍、可編程通過/中斷延遲、選擇組計(jì)數(shù)器、開/常閉、8/12位分辨率選擇等。這只是當(dāng)今智能傳感器無數(shù)配置中的一小部分。靈活的配置功能大大減少了用戶開發(fā)和更換必要類型和數(shù)量的不同傳感器的需求。利用智能傳感器的配置功能，可以使同類型傳感器工作在最佳狀態(tài)，可以在不同的場合做不同的工作。

（7）數(shù)字通信的功能如上所述。由于智能傳感器可以產(chǎn)生大量的信息和數(shù)據(jù)，普通傳感器的單一輸入和輸出無法為設(shè)備數(shù)據(jù)提供必要的輸入和輸出。但是你不能為每個(gè)信息使用一條引線，因?yàn)樗瓜到y(tǒng)非常復(fù)雜，它需要一個(gè)靈活的串行通信系統(tǒng)。

在過程工業(yè)中，通?？梢钥吹近c(diǎn)和點(diǎn)連接以及串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。大趨勢是向串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展。由于智能傳感器本身有單片機(jī)，屬于數(shù)字，因此可以自然配置與外部連接的數(shù)字串行通信。因?yàn)榇芯W(wǎng)絡(luò)抵抗環(huán)境影響（如電磁干擾）的能力比普通模擬信號強(qiáng)得多。通過將串行通信與設(shè)備匹配，可以有效地管理信息的傳輸，以便僅在需要時(shí)輸出數(shù)據(jù)。

四、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)

4.1智能傳感器的實(shí)現(xiàn)

目前，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的實(shí)施有三種方式進(jìn)行。

a.使用計(jì)算機(jī)合成，即智能合成;

B.使用特殊功能材料，即智能材料;

C.采用功能化的幾何結(jié)構(gòu)，即智能結(jié)構(gòu)。智能合成是傳感器器件和微處理器的結(jié)合，是目前的主要方法。

4.2智能傳感器技術(shù)

根據(jù)傳感器和計(jì)算機(jī)的合成方法，電流傳感技術(shù)采用以下三種具體方式來實(shí)現(xiàn)智能傳感器。

非集成模塊模式。非集成智能傳感器是由傳統(tǒng)基礎(chǔ)傳感器、信號調(diào)理電路和微處理器與數(shù)字總線接口組成的智能傳感器系統(tǒng)。這種非集成智能傳感器是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展形勢發(fā)展迅速的情況下發(fā)展起來的。自動(dòng)化儀表制造商原有成套生產(chǎn)設(shè)備基本不變，增設(shè)一塊數(shù)字微處理器總線接口板組裝而成，并配有通訊、控制、自校正、自補(bǔ)償、自診斷的智能軟件，實(shí)現(xiàn)智能傳感器功能。這是構(gòu)建智能傳感器最經(jīng)濟(jì)、最快捷的方法。

集成實(shí)施。智能傳感器系統(tǒng)采用微加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)，以硅為基礎(chǔ)材料制造敏感元件、信號調(diào)理電路和微處理器單元，并將它們集成在芯片上。集成實(shí)現(xiàn)使智能傳感器實(shí)現(xiàn)小型化和結(jié)構(gòu)集成化，從而提高精度和穩(wěn)定性。傳感元件陣列由陣列和相應(yīng)的圖像處理軟件組成后，可以實(shí)現(xiàn)圖形成像，構(gòu)成多維圖像傳感器。那時(shí)，智能傳感器已經(jīng)達(dá)到了最先進(jìn)的形式。

綜合實(shí)施

混合實(shí)現(xiàn)。要在芯片上實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)存在許多難題。根據(jù)需要和可能，我們可以集成系統(tǒng)的所有集成環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元和數(shù)字總線接口，并將它們以不同的組合集成在兩個(gè)或三個(gè)芯片上。