黃瑩

摘 要：智能傳感器是一種帶有信息處理功能的傳感器，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注、研發(fā)及應(yīng)用，智能傳感器的發(fā)展極大地推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程。文章主要介紹了智能傳感器的結(jié)構(gòu)、功能，然后闡述了智能傳感器的應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能傳感器；應(yīng)用；發(fā)展

引言

智能傳感器最初是由美國(guó)宇航局在宇宙飛船的開發(fā)過程中提出來的，目前普遍定義智能傳感器為一種對(duì)信息具有檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、自診斷及具有自適應(yīng)功能的傳感器；IEEE協(xié)會(huì)從網(wǎng)絡(luò)方向定義智能傳感器為能檢測(cè)被測(cè)量大小并可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一種集成傳感器。隨著智能傳感器的出現(xiàn)，智能傳感器技術(shù)已成為傳感器技術(shù)發(fā)展方向之一，其涉及信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種學(xué)科，是一門綜合性技術(shù)。

1 智能傳感器的結(jié)構(gòu)與功能

智能傳感器是一種帶有微處理器，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量、處理、存儲(chǔ)信息以及邏輯思維判斷功能的傳感器。智能傳感器由硬件和軟件組成，硬件主要包括基本傳感器和信息處理單元?；緜鞲衅鞯男阅軟Q定了智能傳感器的性能，其是智能傳感器的基礎(chǔ)；信息處理單元包括微處理器、信號(hào)調(diào)理電路等，微處理器是智能傳感器的核心，信息處理單元是智能傳感器區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器的主要原因。傳感器經(jīng)敏感元件感知被測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、D/A轉(zhuǎn)換等處理后送入微處理器。微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)等處理，并經(jīng)反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。軟件不僅可處理傳感器傳送的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)傳感器功能，也可管理和調(diào)節(jié)信息檢測(cè)過程。此外，還可通過軟件實(shí)現(xiàn)硬件不能完成的任務(wù)，提高傳感器自身性能。

智能傳感器的主要功能有：（1）具有自校零、自校正、自補(bǔ)償和自標(biāo)定的功能；（2）可自動(dòng)采集、處理數(shù)據(jù)；（3）可自檢驗(yàn)、自選量程及故障；（4）可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及信息處理；（5）可雙向通訊，并使數(shù)字輸出或符號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)化；（6）具有判斷、決策處理功能；（7）可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制理論和遺傳算法等模仿人類思維。

2 智能傳感器的應(yīng)用

根據(jù)功能不同，智能傳感器可分為感知物體的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)量；壓力、溫濕度等過程量；波長(zhǎng)、光強(qiáng)等光特性量；濃度、流量等液體特性量。目前，智能傳感器已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、氣體分析、通信等領(lǐng)域。

2.1 在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

飛機(jī)、衛(wèi)星和火箭都用高精度的導(dǎo)航儀來控制其飛行姿態(tài)，傳感器很大程度決定了導(dǎo)航儀的功能及精度，而傳感器在實(shí)際使用過程中因環(huán)境惡劣影響精度，因此需要對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如NASA利用智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢查火箭、燃料箱、乘員艙等健康狀況，工作原理是：傳感器產(chǎn)生電磁波后在結(jié)構(gòu)部件中進(jìn)行傳播，然后被其它傳感器接收，最后傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

2.2 在汽車領(lǐng)域應(yīng)用

在汽車領(lǐng)域中，智能傳感器已被廣泛使用，有基本的溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器以及用來車距探測(cè)、車道跟蹤、衛(wèi)星定位的智能傳感器。比如，汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中有智能微加速度傳感器和智能硅壓力傳感器，智能微加速傳感器用來汽車自動(dòng)制動(dòng)和懸掛，智能硅壓力傳感器用來測(cè)量、控制壓力；契合的安全行駛系統(tǒng)中有輪胎壓力傳感器和安全氣囊傳感器，輪胎壓力傳感器用來測(cè)量電壓、溫度和壓力，安全氣囊傳感器用來監(jiān)測(cè)氣囊使用情況；智能交通系統(tǒng)中有用于電子收費(fèi)的多種智能傳感器等。

2.3 在氣體分析方面的應(yīng)用

智能傳感器已成功應(yīng)用于氣體分析方面，來實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)。2010年，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)研討會(huì)上提出了一種能監(jiān)測(cè)270多種分析物和干擾物的微氣體分析儀，通過此分析儀不僅可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)氣體的化學(xué)成分，而且可搭建邊境預(yù)警傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.4 在通信方面的應(yīng)用

智能傳感器采用可支持以太網(wǎng)和多種現(xiàn)場(chǎng)總線的IEEE1415系列標(biāo)準(zhǔn)作為通用的通信標(biāo)準(zhǔn)，IEEE1415系列標(biāo)準(zhǔn)為連接智能傳感器和網(wǎng)絡(luò)提供了便利。例如：將IEEE1415與射頻技術(shù)結(jié)合，使用射頻芯片、振動(dòng)傳感器、溫度傳感器設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的無線智能傳感器。

此外，智能傳感器的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的同時(shí)，也為我們的生活提供了更好的服務(wù)。通過利用智能傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量人體血壓等信息來評(píng)價(jià)健康狀況，通過運(yùn)動(dòng)手環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體心跳、脈搏和里程來督促運(yùn)動(dòng)等。

3 智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

智能傳感器是傳感器技術(shù)發(fā)展中的一次重要變革，是現(xiàn)代自動(dòng)化發(fā)展的一部分，它正朝著微型化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、高精度及高可靠性方向發(fā)展。

3.1 微型化

如今，各種設(shè)備都朝著微型化發(fā)展，設(shè)備的微型化也就要求通過發(fā)展新材料及提高工藝水平使得智能傳感器微型化。例如，目前的加速度傳感器是由重力塊和彈簧組成的，其體積大、壽命短、穩(wěn)定性差，而通過采用激光燈細(xì)微加工的硅加速度智能傳感器的體積小、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化是智能傳感器發(fā)展方向之一，智能傳感器通過總線技術(shù)將多個(gè)傳感器構(gòu)建成系統(tǒng)，并為系統(tǒng)配備具有網(wǎng)絡(luò)接口的微處理器，通過微處理器實(shí)現(xiàn)傳感器與系統(tǒng)及其他傳感器的信息交換。傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)就近登錄網(wǎng)絡(luò)，通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，即通過TCP/IP協(xié)議和具有通信功能的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)共享、發(fā)布數(shù)據(jù)。隨著智能傳感器聯(lián)網(wǎng)使用，傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、用戶間可異地交換信息，因此廠商可及時(shí)診斷傳感器故障、指導(dǎo)用戶進(jìn)行維修并升級(jí)軟件。

3.3 集成化

智能傳感器集成化分為兩個(gè)方向，一種是利用集成電路技術(shù)及微機(jī)械加工技術(shù)等將多個(gè)功能相同的敏感元件集成在同一個(gè)芯片上擴(kuò)大量程，或是利用集成技術(shù)將不同功能的敏感元件集成在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)綜合檢測(cè)，同時(shí)測(cè)量不同的物理參數(shù)。另一種是利用微電子電路技術(shù)、接口技術(shù)等將傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)補(bǔ)償電路等集成在同一個(gè)芯片上，來實(shí)現(xiàn)智能傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)、改善智能傳感器的性能。

3.4 高精度及高可靠性

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的大幅提高，對(duì)于傳感器的要求也越來越嚴(yán)格，高精度、高靈敏性及高響應(yīng)性的智能傳感器可保障自動(dòng)化生產(chǎn)的可靠性，高可靠性的智能傳感器直接保障了設(shè)備的性能，因此高精度及高可靠性是未來智能傳感器的發(fā)展方向之一。

4 結(jié)束語

文章首先介紹了智能傳感器的結(jié)構(gòu)及功能，然后闡述了智能傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了智能傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。智能傳感器的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)理念，并為信息化時(shí)代提供了一種嶄新的獲取信息、處理信息的方式。全面推動(dòng)智能傳感器的微型化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、高精度及高可靠性發(fā)展，相信一定會(huì)為人們的生活帶來全新的變化。

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