1.3　智能传感器概述

1.3.1　智能传感器的定义

在传统意义上，传感器的输出信号大部分是模拟信号，它不具备信号处理和联网功能，它需要连接到特定的测量仪器以实现信号处理和传输功能。而智能传感器（Intelligent Sensor，也称为Smart Sensor）具有比传统传感器更多的功能，是现代信息技术的重要组成部分。

通常情况下，按传感器敏感元件分类，将传感器类型分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器。随着材料科学、传感器工艺及计算机技术的持续发展，智能传感器应运而生。智能传感器的概念最早是由美国国家航空航天局（NASA）在开发航天飞船的过程中引入的，并于1979年形成产品。飞船需要大量传感器向地面或航天器发送数据，如温度、位置、速度和姿态，即便使用大型计算机，也很难同时处理大量的数据。此外，航天器限制了计算机的体积和质量，因而希望传感器本身具有信息处理功能。因此，当传感器与微处理器集合使用时，智能传感器就产生了。

通常将具有某些特有智能特征的传感器定义为智能传感器。智能传感器是一种可以感知和检测特定对象的信息、可以学习、判断和处理信号的功能，并且具有通信和管理功能的新型传感器。智能传感器具有自动校准、标定、补偿和采集数据的能力，它的能力决定了智能传感器具有高精度、高分辨率、高稳定性、高可靠性以及良好的适应性。与传统传感器相比，它具有较高的性价比。因此，智能传感器的发展对测控系统具有重大的意义。

由于不同学者对“智能”的理解不相同，导致智能传感器的定义也不同。一般情况下，智能传感器有以下4种定义：

（1）任何集成电子元件的传感器都是智能的。

（2）只有那些集成了微处理器的传感器才是智能的。

（3）包括一些逻辑功能或具有一些决策能力的传感器是智能的。

（4）具有能够与用户通信和修改自身相应的片外处理器的传感器是智能传感器。

综上所述，可以总结出智能传感器至少需要具备以下一种能力：

（1）具有执行逻辑功能的能力。

（2）具有执行双向通信的能力。

（3）具有决策的能力。

除了以上功能，智能传感器还加强了以下功能：

（1）自校准功能。

（2）运算功能。

（3）通信功能。

（4）复合传感功能。

图1-2所示为智能传感器的功能框图。智能传感器具有测量、配置、验证和通信4项基本功能。每种基本功能都含有至少2个子功能。尽管这4项基本功能都十分重要，并且各自在智能传感器的设计中起着至关重要的作用，但在很大程度上决定了智能传感器的功能是测量和验证功能。验证功能是为传感器测量提供服务，例如，对智能传感器的测量值进行持续监控，持续监控的结果可以存储在系统更新（FIFO结构）的数据库中，并用于传感器维护。它提供了必要的诊断服务，允许用户在检测到故障时定位故障位置。通信功能允许智能传感器和其他设备之间的双向通信，它是由现场总线进行连接的。

简而言之，智能传感器可以分为两类：一类是带有处理电路及用于提高信噪比的有源器件的传感器，另一类是带有电子电路的传感器，用于信号处理和决策，将信号转换成各种形式的信息，以供系统进一步操作。

1.3.2　智能传感器的特点

与传统传感器相比，智能传感器在结构上更为复杂化，功能上更加智能化。在20世纪80年代，智能传感器主要集中在微处理器上，并将传感器信号调理电路、微电子计算机、存储器和接口电路集成到芯片中，使得传感器具有一定的人工智能。在20世纪90年代，智能测量技术得到了改进，使传感器实现了小型化、集成化、阵列化、数字化结构，使用方便、操作简单，并具有自诊断、存储和信息处理功能，以及数据存储功能、多参数测量功能、网络通信功能、逻辑思维和判断功能。

1.结构特点

传统传感器、集成传感器与智能传感器在结构上的区别如图1-3所示。传统传感器主要由转换器构成，物理量、化学量及生物量通过测量窗转换到传感器元件，随后将非电量转换为电信号。例如，从一般的角度来看，电路中的热电阻可以被认为是一种测量温度的传统传感器，那么电流表可以被认为是转换器；从仪器的角度来看，传统传感器被定义为一种测量装置，当它暴露在非电的现象中时，显示出电的特性。传感器能识别这种现象，以一种特定的方式把它转换成一个可量化的属性，然后通过转换器得到一个电信号。

集成传感器具有可靠性高、体积小、成本低、性能好、系统兼容性好等优点，这些优点得益于集成传感器具有信号放大能力和信号预处理能力，并能将信号传送至微处理器。集成传感器具有处理微小信号的能力，这是因为电子元器件与传感器被集成在一个基片上。集成电路技术的发展大大减少了集成传感器的体积。在实际应用中，要求传感器具有更灵敏、免维护等特点，因而集成传感器必须具有更好的温度性能、长期稳定性和灵敏度。

智能传感器包括测量窗、转换器、信号调节器、智能电子设备及电源。智能传感器相比于集成传感器的主要优势是通过智能电子设备进行信号的分析、处理与决策。智能传感器不但能够将被测量与输出电信号建立联系，而且能够根据电信号对被测量进行分析并做出相应的判断。智能传感器的优点使之成为测控系统的重要组成部分，它能够提高测控系统的稳定性与可靠性。集成电子技术的发展趋势是将传统传感器逐渐转换成智能传感器，智能传感器的发展与应用将为测控系统带来前所未有的变化。

2.功能特点

（1）高精度。智能传感器通过自动零位校正和零位去除，通过标准参考值实时自动对比系统整体基准，对非线性系统误差、大量实时数据进行分析和处理，消除了偶然误差的影响，确保智能传感器的准确性。

（2）高可靠性和高稳定性。智能传感器系统可以自动补偿工作条件的特性、零漂移引起的环境参数变化、环境温度及漂移引起的系统电源电压波动等灵敏度；可以自动转换范围内的被测参数，系统实时进行自我检查，对数据的合理性进行分析和判断，自动地处理紧急或异常情况。

（3）高信噪比和高分辨率。智能传感器具有数据存储和信息处理功能，通过数字滤波和相关分析，可以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，可以消除交叉敏感条件对许多参数的影响。

（4）较强的自我适应能力。智能传感器具有判断、分析和处理功能，它可以根据系统的工作情况来决定各部分的电源和高端计算机的数据传输速率，从而使系统在最佳低功耗状态下工作并优化传输效率。

（5）更高的性能和价格比。智能传感器具有高性能，这一功能是通过计算机与微处理器/微芯片的结合，使用低成本集成电路技术和功能强大的软件来实现的，因此它具有很高的性价比。

1.3.3　智能传感器的组成

智能传感器是一个十分复杂的系统，需要将不同的原理相结合并应用到设计、执行与实现各个阶段。此外，智能传感器集成了相当数量的模拟与数字子系统。传感器需要进行大量的数字和模拟信号处理，这使智能传感器的开发变得更加困难。一般智能传感器结构中的主要子系统如下：

（1）敏感元件。

（2）放大器（可变增益）。

（3）模拟滤波器。

（4）数据转换。

（5）补偿电路。

（6）数字信息处理。

（7）数字通信处理。

敏感元件是智能传感器设计与实现的核心。放大器用于放大敏感元件输出的信号，是智能传感器最基本的功能需求之一。模拟滤波器也是一个基本的功能要求，它可以在数据转换阶段阻止混叠影响。数据转换是将模拟信号转换为离散信号，数字处理器必不可少。在数据转换阶段，模数（A/D）转换的过程是非线性的，并且因为信号传递包含其他信息，会导致A/D转换过程信号失真。该阶段需要采用相应的软件对信息进行控制，以减小误差。

补偿电路是智能传感器的核心功能之一，也是智能传感器智能化的表现，但是补偿电路可能会影响传感器系统的基本设计。智能传感器可以补偿任何被监测系统在可接受范围内不稳定的参数。毫无疑问，数字信息处理是智能传感器所独有的功能。尽管补偿电路和数据信息处理之间可能存在一些重叠功能，但在某些应用领域，它们变得相当独立。智能传感器系统需要压缩信息和数据，以便检查输入信息和输出信息的完整性，以确保它们是符合规则的。数字信息处理阶段可能是破坏信息而不是创建信息，甚至向系统引入虚假信息。

智能传感器非常重要的一个功能是数字通信处理，虽然它可以作为主处理器芯片的一部分来实现数字信息处理功能，但通常需要属于自己的处理器。系统总线多点通信模式是智能传感器进行通信处理的一般形式。

1.3.4　智能传感器的形式

按智能化程度分类，智能传感器分为以下3种。

1.初级智能传感器

初级智能传感器是指其组成中没有微处理器，只有敏感单元与（智能）信号调理电路，二者被封装在一个外壳中。这是智能传感器系统最早出现的商品化形式，也是最广泛使用的形式，也被称为“初级智能传感器”。功能上，它具有比较简单的自动校零、非线性的自校正、温度自动补偿功能。这些简单的智能化功能是由硬件电路来实现的，通常把这种硬件电路称为智能调理电路。

2.中级智能传感器

中级智能传感器是其组成中除了敏感单元与信号调理电路，还必须含有微处理器，三者组成的一个完整的传感器系统被封装在一个外壳里，如现场总线中使用的各种型号的智能传感/变送器。其中的传感器可以是集成化的，也可以是经典的，它具有比较完善的智能化功能，这些智能化功能主要是由功能强大的软件来实现的。

3.高级智能传感器

高级智能传感器的集成度进一步提高，其中的敏感单元实现多维阵列化，同时配备了更强大的信息处理软件，从而具有高级的智能化功能。这种传感器系统不仅具有完善的智能化功能，而且还具有更高级的传感器阵列信息融合功能，或者具有成像与图形处理等功能。

1.3.5　传感器智能化的途径

（1）使用特定的功能材料，即智能材料。智能材料对智能传感器的设计至关重要，设计者需要对材料的化学、物理特征及数学模型的理论分析具有非常深刻的理解。智能材料之所以被称为智能材料，是因为它们只输出有效的信号，能够抑制环境噪声和外界干扰。智能材料能很好地将测量目标与传感器材料相匹配，以实现近乎理想的信号选择性。智能材料广泛应用于传感器中，特别是在生物传感器中的应用。

（2）采用功能性机械结构，即智能结构。功能性机械结构具有寻找有效信号的能力，并在此过程中抑制环境噪声及外界干扰。这种结构需要应用高端的硅技术和硅微机械加工技术来实现，同时需要结合超大规模集成电路（VLSI）技术。

（3）与微型计算机或微处理器集成。通常采用传感器元件和微处理器进行集成，并结合可编程的方式实现传感器的智能化算法。

1.3.6　智能传感器的发展及趋势

尽管智能传感器具有明显的优势，但它的发展依然受到诸多因素的限制。集成电路的设计是影响智能传感器发展的重要因素，如非常规的需求、特殊的工作环境对智能传感器特有的限制。

（1）智能传感器的输出信号通常较小，因此电路需要具有处理毫伏范围内信号的能力，才能获得较好的灵敏度。

（2）智能传感器的输出信号往往是缓变信号，因此，不需要选用高速电路，而选择精度高和分辨率高的电路。

智能传感器技术需要向高精度发展。随着自动化生产水平的提高，对传感器的需求也不断提高，因此必须开发具有高灵敏度、高精度、快速响应和良好互换性的新型传感器，以确保生产自动化的可靠性。

（3）智能传感器所需要的特殊工艺步骤会改变常规集成元件的基本规格，会导致某些元件的可靠性下降。

智能传感器技术向高可靠性和宽温度范围发展。传感器的可靠性直接影响电子设备的抗干扰性能，具有高可靠性和宽温度范围的传感器是发展的重要方向。

（4）将智能传感器模拟信号转换成数字信号，意味着在同一芯片上存在模拟信号和数字信号，数字信号对传感器中的模拟信号的干扰可能引起较大的误差。

智能传感器也向数字化和智能化的方向持续发展。随着电子技术的飞速发展，传感器的功能已经大大超越了基本概念，其输出信号不再是单个模拟信号（0～10 mV），而是经过微型计算机处理的数字信号。有些传感器甚至具有控制的功能，这种传感器也称为数字传感器。

（5）各种控制设备的功能越来越强，要求各个部位越小越好，因此传感器本身的体积要尽可能小，这需要开发新材料和加工技术。传统的加速度计由重力块和弹簧制成，它体积大、稳定性差、寿命短，而通过激光等各种微加工技术制成的硅加速度传感器体积小、互换性好、可靠性高。

（6）传感器一般是非电力转换工具，需要外部电源驱动。在户外，传感器通常由电池或太阳能供电。微功率传感器和无源传感器的发展是传感器必然的发展方向，因为它们能节省能源和改善系统的使用寿命。目前，诸如T12702型运算放大器之类的低功耗芯片发展迅速，其静态工作电流仅为1.5 A，而工作电压仅为2～5V。

（7）网络化。网络化是传感器发展的重要方向，网络的作用和优势正在逐渐显现，网络传感器必将推动电子科学技术的发展。

总之，目前智能传感器正处于不断发展阶段，随着敏感材料、制造工艺、集成电路等技术的持续发展，智能传感器在测控系统中将发挥越来越重要的作用。

1.3.7　智能传感器的开发重点

（1）机器智能在故障检测和预测中的应用。任何系统都必须在发生错误或引起严重后果之前检测或预测可能的问题。目前，对异常状态的模型还没有很好的定义，仍然缺乏异常状态检测技术，迫切需要将传感器信息和有关知识相结合以提高机器智能。

（2）在正常状态下，可以通过传感器的高精度和高灵敏度感知目标的物理参数，但是在检测故障和误操作方面的进展甚微。因此，迫切需要开发新型智能传感器对故障进行检测和预测。

（3）应用电流感测技术，可以精确地感测单个点上的物理量或化学量，但是对于多维状态感测来说却很困难。例如，进行环境测量时，其特征参数分布广泛，具有时空相关性，这是亟待解决的问题。因此，有必要加强多维状态传感器的研究与开发。

（4）遥感目标成分分析。大多数化学成分分析都是基于样品材料的，有时很难对目标材料进行采样。在平流层测量臭氧含量，遥感与雷达或激光探测技术相结合的被测光谱是一种可能的方法。没有样品成分的分析结果，很容易受到传感系统和目标成分之间各种噪声或介质的干扰，开发传感器系统的机器智能，有望解决这一问题。