智能傳感器的結構及特點

傳感器像人的五官一樣，是獲取信息的重要工具。它在工業生產、國防建設和科學技術領域發揮著巨大的作用。但與飛速發展的計算機相比較，作為“五官”的傳感器遠遠趕不上作為“大腦”的計算機的發展速度。

隨著測控系統自動化、智能化的發展，要求傳感器準確度高、可靠性高、穩定性好，而且具備一定的數據處理能力，并能夠自檢、自校、自補償。傳統的傳感器已不能滿足這樣的要求。

另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進材料工藝也很困難，需要利用計算機技術與傳感器技術相結合，彌補其性能的不足，計算機技術使傳感器技術發生了巨大的變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結合，產生功能強大的智能傳感器。國外稱為Intelligentsensor(智能傳感器)或Smartsensor(靈巧的、機敏的、智能傳感器)。另外，傳統的傳感器一般只能測量一個參數，有些場合需要同時測量多個參數的體積小的多功能傳感器。現在多國科學家已重視這一方向的開拓，并已研制出一些多功能傳感器。

01智能傳感器

智能傳感器是當今國際科技界研究的熱點，尚無統一的、確切的定義。本文不討論(Intelligentsensor或Smartsensor)兩個術語的區別，統稱為智能傳感器。

目前國內外學者普遍認為，智能傳感器是由傳統的傳感器和微處理器(或微計算機)相結合而構成的，它充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數據進行處理，并能對它的內部行為進行調節，使采集的數據最佳。智能傳感器的功能如下：

(1)自補償能力：

通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償。

(2)自校準功能：

操作者輸入零值或某一標準量值后，自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。

(3)自診斷功能：

接通電源后，可對傳感器進行自檢，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發生故障的部件。

(4)數值處理功能：

可以根據智能傳感器內部的程序，自動處理數據，如進行統計處理，剔除異常值等。

(5)雙向通信功能：

微處理器和基本傳感器之間構成閉環，微處理機不但接收、處理傳感器的數據，還可將信息反饋至傳感器，對測量過程進行調節和控制。

(6)信息存儲和記憶功能。

(7)數字量輸出功能：

輸出數字信號，可方便的和計算機或接口總線相連。

目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分。傳統的傳感器只能作為敏感元件，檢測物理量的變化，而智能傳感器則包括測量信號調理(如濾波、放大、A/D轉換等)、數據處理以及數據顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能。可見智能傳感器的功能已延伸到儀器的領域。

早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經處理和轉化后由接口送到微處理機進行運算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心，把傳感器信號調節電路、微電子計算機存貯器及接口電路集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測量技術有了進一步的提高，使傳感器實現了微型化、結構一體化、陣列式、數字式，使用方便、操作簡單，并具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數據存貯功能、多參量測量功能、聯網通信功能、邏輯思維以及判斷功能。

隨著科學技術的發展，智能傳感器的功能將逐步增強，它將利用人工神經網、人工智能、信息處理技術(如傳感器信息融合技術、模糊理論等)，使傳感器具有更高級的智能，具有分析、判斷、自適應、自學習的功能，可以完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務。

智能傳感器大體上可以分三種類型：即具有判斷能力的傳感器；具有學習能力的傳感器；具有創造能力的傳感器。

02智能傳感器的結構

智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計算機)及相關電路組成。

傳感器將被測的物理量轉換成相應的電信號，送到信號調理電路中，進行濾波、放大、模-數轉換后，送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心，它不但可以對傳感器測量數據進行計算、存儲、數據處理，還可以通過反饋回路對傳感器進行調節。由于計算機充分發揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務，從而大大降低傳感器制造的難度，提高傳感器的性能，降低成本。

智能傳感器的結構可以是集成的，也可以是分離式，按結構可以分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成智能傳感器是將一個或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上，集成度高，體積小。這種集成的傳感器在目前的技術水平下還很難實現。將傳感器和微處理器、信號處理電路作在不同的芯片上，則構成混合式的智能傳感器(HybridSmart2Sensor)。

目前這類結構較多。初級的智能傳感器也可以有許多互相獨立的模塊組成，如將微計算機、信號調理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內，則組高，體積較大，但在目前的技術水平下，仍不失為一種實用的結構形式。

2智能傳感器的應用領域廣泛

01在智慧農業中的運用

由于環境的特殊性，農業項目大多都在田間進行，校正操作非常的不方便，人工成本也非常高，因此對傳感器數據穩定性的要求非常高，智能傳感器是最有效的一種傳感器。

02在工業自動化中的應用

在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。可以說，沒有了優良的智能傳感器，工業自動化也就無從談起。

03在機器人中的應用

如今的機器人已具有類似人一樣的肢體及感官功能，有一定程度的智能，動作程序靈活，在工作時可以不依賴人的操縱，而這一切都少不了傳感器的功勞，傳感器是機器人感知外界的重要幫手。

04智慧醫療中的應用

隨著智能傳感器的發展，醫學智能傳感器作為拾取生命體征信息的五官，它的作用日益顯著，并得到廣泛應用。如：在圖像處理、臨床化學檢驗、生命體征參數的監護監測、呼吸、神經、心血管疾病的診斷與治療等方面，智能傳感器的作用不可替代，未來它在現代醫學儀器設備中幾乎無所不在。

05在智能家電中的應用

智能家居是未來的一大趨勢，而智能家電將是很多家庭的必備產品，智能傳感器未來在很多家電中均可應用，如電視劇、風扇、空調、洗衣機、晾衣機、冰箱、衣柜等，它是實現人與家電交流的基本器件，也是構成家居物聯網的基礎。

3我國智能傳感器行業發展的不足

01關鍵技術尚未突破

傳感器的設計技術囊括了多種學科、理論、材料和工藝知識，突破起來十分困難，目前，在人才匱乏、研發成本高昂、企業惡性競爭激烈的情況下，我國還沒有突破傳感器一些共性關鍵技術。

02產業化能力不足

由于我國企業技術實力的落后，行業發展規范尚未形成，導致國內傳感器產品不配套且不成系列，重復生產、惡性競爭的現象的多發，使得產品可靠性較差、低端偏移較為嚴重，產業化程度與品種和系列不成正比，只能長期依賴國外進口。

03資源不集中

目前我國傳感器企業又1，600余家，但大都以小微企業為主，盈利能力不強，缺乏技術引領的龍頭企業，最終導致資金、技術、企業布局、產業結構、市場等方面都變現出分散的狀態，資源得不到有效集中，產業發展也遲遲無法走向成熟。

04高端人才較為匱乏

由于傳感器行業發展處于起步階段，資金、技術和產業基礎都較為薄弱，加之涉及學科多，要求知識面廣，新技術層出不窮，導致很難吸引到高端人才投身其中。此外，我國人才培養機制的不完善、不合理，也導致行業面臨人才缺乏問題。

4智能傳感器技術發展及趨勢

01向高精度發展

隨著自動化生產程度的提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。

02向高可靠性、寬溫度范圍發展

傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。發展新興材料( 如陶瓷) 傳感器將很有前途。

03向微型化發展

各種控制儀器設備的功能越來越強，要求各個部件體積越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。

04向微功耗及無源化發展

傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現場或遠離電網的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向，這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。目前，低功耗損的芯片發展很快，如T12702 運算放大器， 靜態功耗只有1.5 A， 而工作電壓只需2~ 5V。

05向智能化數字化發展

隨著現代化的發展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是單一的模擬信號( 如0~ 10mV) ， 而是經過微電腦處理好后的數字信號， 有的甚至帶有控制功能， 這就是所說的數字傳感器。

06向網絡化發展

網絡化是傳感器發展的一個重要方向，網絡的作用和優勢正逐步顯現出來。網絡傳感器必將促進電子科技的發展。

智能傳感器是物聯網發展的最重要的技術之一，在為傳統行業注入新鮮血液的同時也引領了傳感器產業的潮流，在醫學、工業、海洋、航天、軍事、農業等領域均發揮著核心作用，隨著智能傳感器技術的發展，新一代智能傳感器將結合人工神經網絡、人工智能等技術不斷完善其功能，具有十分可觀的發展前景。

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審核編輯黃宇