智能傳感器的結構及特點(diǎn)
傳感器像人的五官一樣，是獲取信息的重要工具。它在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。但與飛速發(fā)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(fā)展速度。
隨著(zhù)測控系統自動(dòng)化、智能化的發(fā)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(mǎn)足這樣的要求。
傳感器，光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)相結合，彌補其性能的不足，計算機技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結合，產(chǎn)生功能強大的智能傳感器。國外稱(chēng)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(gè)參數，有些場(chǎng)合需要同時(shí)測量多個(gè)參數的體積小的多功能傳感器?，F在多國科學(xué)家已重視這一方向的開(kāi)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(diǎn)，尚無(wú)統一的、確切的定義。本文不討論(Intelligentsensor或Smartsensor)兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的區別，統稱(chēng)為智能傳感器。
目前國內外學(xué)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(jìn)行處理，并能對它的內部行為進(jìn)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(guò)軟件對傳感器的非線(xiàn)性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)地對傳感器進(jìn)行在線(xiàn)校準。
(3)自診斷功能：
接通電源后，可對傳感器進(jìn)行自檢，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發(fā)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(dòng)處理數據，如進(jìn)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(huán)，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(guò)程進(jìn)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(xiàn)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?？梢?jiàn)智能傳感器的功能已延伸到儀器的領(lǐng)域。
早期的智能傳感器是將傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉化后由接口送到微處理機進(jìn)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(shù)有了進(jìn)一步的提高，使傳感器實(shí)現了微型化、結構一體化、陣列式、數字式，使用方便、操作簡(jiǎn)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(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以及判斷功能。
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的功能將逐步增強，它將利用人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、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(xué)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(wù)。
智能傳感器大體上可以分三種類(lèi)型：即具有判斷能力的傳感器；具有學(xué)習能力的傳感器；具有創(chuàng )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(guān)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(jìn)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(jìn)行計算、存儲、數據處理，還可以通過(guò)反饋回路對傳感器進(jìn)行調節。由于計算機充分發(fā)揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，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(gè)或多個(gè)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(shù)水平下還很難實(shí)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(lèi)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(shù)水平下，仍不失為一種實(shí)用的結構形式。
智能傳感器的應用領(lǐng)域廣泛
01 在智慧農業(yè)中的運用
由于環(huán)境的特殊性，農業(yè)項目大多都在田間進(jìn)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(yè)自動(dòng)化中的應用
在現代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有了優(yōu)良的智能傳感器，工業(yè)自動(dòng)化也就無(wú)從談起。
03 在機器人中的應用
如今的機器人已具有類(lèi)似人一樣的肢體及感官功能，有一定程度的智能，動(dòng)作程序靈活，在工作時(shí)可以不依賴(lài)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(zhù)智能傳感器的發(fā)展，醫學(xué)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(zhù)，并得到廣泛應用。如：在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗、生命體征參數的監護監測、呼吸、神經(jīng)、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(lái)它在現代醫學(xué)儀器設備中幾乎無(wú)所不在。
05 在智能家電中的應用
智能家居是未來(lái)的一大趨勢，而智能家電將是很多家庭的必備產(chǎn)品，智能傳感器未來(lái)在很多家電中均可應用，如電視劇、風(fēng)扇、空調、洗衣機、晾衣機、冰箱、衣柜等，它是實(shí)現人與家電交流的基本器件，也是構成家居物聯(lián)網(wǎng)的基礎。
我國智能傳感器行業(yè)發(fā)展的不足
01 關(guān)鍵技術(shù)尚未突破
傳感器的設計技術(shù)囊括了多種學(xué)科、理論、材料和工藝知識，突破起來(lái)十分困難，目前，在人才匱乏、研發(fā)成本高昂、企業(yè)惡性競爭激烈的情況下，我國還沒(méi)有突破傳感器一些共性關(guān)鍵技術(shù)。
02 產(chǎn)業(yè)化能力不足
由于我國企業(yè)技術(shù)實(shí)力的落后，行業(yè)發(fā)展規范尚未形成，導致國內傳感器產(chǎn)品不配套且不成系列，重復生產(chǎn)、惡性競爭的現象的多發(fā)，使得產(chǎn)品可靠性較差、低端偏移較為嚴重，產(chǎn)業(yè)化程度與品種和系列不成正比，只能長(cháng)期依賴(lài)國外進(jìn)口。
03 資源不集中
目前我國傳感器企業(yè)又1，600余家，但大都以小微企業(yè)為主，盈利能力不強，缺乏技術(shù)引領(lǐng)的龍頭企業(yè)，最終導致資金、技術(shù)、企業(yè)布局、產(chǎn)業(yè)結構、市場(chǎng)等方面都變現出分散的狀態(tài)，資源得不到有效集中，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也遲遲無(wú)法走向成熟。
04 高端人才較為匱乏
由于傳感器行業(yè)發(fā)展處于起步階段，資金、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎都較為薄弱，加之涉及學(xué)科多，要求知識面廣，新技術(shù)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(yè)面臨人才缺乏問(wèn)題。
智能傳感器技術(shù)發(fā)展及趨勢
01 向高精度發(fā)展
隨著(zhù)自動(dòng)化生產(chǎn)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(chǎn)自動(dòng)化的可靠性。
02 向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)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(fā)展新興材料( 如陶瓷) 傳感器將很有前途。
03 向微型化發(fā)展
各種控制儀器設備的功能越來(lái)越強，要求各個(gè)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(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)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(shù)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(wú)源化發(fā)展
傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時(shí)離不開(kāi)電源，在野外現場(chǎng)或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽(yáng)能等供電，開(kāi)發(fā)微功耗的傳感器及無(wú)源傳感器是必然的發(fā)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(fā)展很快，如T12702 運算放大器， 靜態(tài)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(fā)展
隨著(zhù)現代化的發(fā)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(jīng)過(guò)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(shuō)的數字傳感器。
06 向網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展
網(wǎng)絡(luò )化是傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向，網(wǎng)絡(luò )的作用和優(yōu)勢正逐步顯現出來(lái)。網(wǎng)絡(luò )傳感器必將促進(jìn)電子科技的發(fā)展。
智能傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最重要的技術(shù)之一，在為傳統行業(yè)注入新鮮血液的同時(shí)也引領(lǐng)了傳感器產(chǎn)業(yè)的潮流，在醫學(xué)、工業(yè)、海洋、航天、軍事、農業(yè)等領(lǐng)域均發(fā)揮著(zhù)核心作用，隨著(zhù)智能傳感器技術(shù)的發(fā)展，新一代智能傳感器將結合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能等技術(shù)不斷完善其功能，具有十分可觀(guān)的發(fā)展前景。
