智能傳感器功能綜述

摘 要：本文通過對(duì)智能傳感器發(fā)展歷程與主要特點(diǎn)的討論，歸納智能傳感器的功能與應(yīng)用方向。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；智能傳感器；信息技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，納米技術(shù)的應(yīng)用，大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)日益完善，集成電路器件的密集度越來越高。以硅材料為基礎(chǔ)的微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝實(shí)現(xiàn)各種儀表傳感器系統(tǒng)的微型化，也稱為專用集成微型傳感器技術(shù)。除了具有精度高、高可靠性、高穩(wěn)定性、高信噪比、高分辨率、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)外，智能傳感器還具有以下多個(gè)特點(diǎn)：⑴微型化。⑵結(jié)構(gòu)一體化。⑶精度高。⑷多功能陣列式。納米級(jí)敏感元件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，特別有利于在同一個(gè)硅片上制作不同功能的多個(gè)傳感器。敏感元件組成陣列后，通過微處理器解耦運(yùn)算、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，有利于消除傳感器的時(shí)變誤差和交叉靈敏度的不利影響，提高傳感器的可靠性、穩(wěn)定性與分辨能力。

智能傳感器系統(tǒng)通常包含若干功能層：具有不同感知功能的信號(hào)檢測(cè)層、信號(hào)處理層、數(shù)據(jù)驗(yàn)證和解析層以及信號(hào)傳輸和顯示層等。單個(gè)智能傳感器中包含多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器的操作參數(shù)如偏置電位及溫度等可由系統(tǒng)的微處理器來設(shè)定。傳感器元件與信號(hào)控制及調(diào)節(jié)平臺(tái)之間的界面可同時(shí)提供激勵(lì)信號(hào)和進(jìn)行信號(hào)記錄及調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集層可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，也可采集額外的必需參數(shù)以進(jìn)行諸如溫度漂移及時(shí)間漂移的信號(hào)補(bǔ)償。所植入的人工智能可對(duì)不同傳感器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，對(duì)所采集的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并定期進(jìn)行傳感器標(biāo)定和檢測(cè)傳感器是否正常工作。處理后的數(shù)據(jù)成為所需要的信息并傳輸?shù)酵獠坑脩?。用戶可?duì)傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇：僅讀取單一數(shù)據(jù)或下載傳感器系統(tǒng)的完整參數(shù)[2]。

智能傳感器不僅具有視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺功能，且應(yīng)具有記憶、學(xué)習(xí)、思維、推理和判斷等“大腦”功能。前者由傳統(tǒng)的傳感器來完成。傳統(tǒng)傳感器的功能結(jié)構(gòu)包括敏感元件、調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，敏感元件將描述客觀對(duì)象與環(huán)境狀態(tài)或特性的物理量轉(zhuǎn)換成電路元件參量或狀態(tài)參量，調(diào)理電路將電路參量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并進(jìn)行歸一化處理以滿足ADC動(dòng)態(tài)范圍。智能處理器應(yīng)對(duì)ADC輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行智能處理，主要智能處理功能如下[1]：

⑴自補(bǔ)償功能。通過軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。根據(jù)給定的傳統(tǒng)傳感器和環(huán)境條件的先驗(yàn)知識(shí)，處理器利用數(shù)字計(jì)算方法，自動(dòng)補(bǔ)償傳統(tǒng)傳感器硬件線性、非線性和漂移以及環(huán)境影響因素引起的信號(hào)失真，以最佳地恢復(fù)被測(cè)信號(hào)。計(jì)算方法用軟件實(shí)現(xiàn)，達(dá)到軟件補(bǔ)償硬件缺陷的目的。

⑵自計(jì)算和處理功能。根據(jù)給定的間接測(cè)量和組合測(cè)量數(shù)學(xué)模型，智能處理器利用補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)可計(jì)算出不能直接測(cè)量的物理量數(shù)值。利用給定的統(tǒng)計(jì)模型可計(jì)算被測(cè)對(duì)象總體的統(tǒng)計(jì)特性和參數(shù)。利用已知的電子數(shù)據(jù)表，處理器可重新標(biāo)定傳感器特性。

⑶自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能。傳感器通過對(duì)被測(cè)量樣本值學(xué)習(xí)，處理器利用近似公式和迭代算法可認(rèn)知新的被測(cè)量值，即有再學(xué)習(xí)能力。同時(shí)，通過對(duì)被測(cè)量和影響量的學(xué)習(xí)，處理器利用判斷準(zhǔn)則自適應(yīng)地重構(gòu)結(jié)構(gòu)和重置參數(shù)。

⑷自診斷功能。接通電源后，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發(fā)生故障的部件。因內(nèi)部和外部因素影響，傳感器性能會(huì)下降或失效，分別稱為軟、硬故障。處理器利用補(bǔ)償后的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過電子故障字典或有關(guān)算法可預(yù)測(cè)、檢測(cè)和定位故障。

⑸自校準(zhǔn)功能。操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后，自校準(zhǔn)軟件可以自動(dòng)地對(duì)傳感器進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

⑹數(shù)據(jù)處理功能。智能傳感器可以根據(jù)內(nèi)部程序，自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，并且能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測(cè)量，從而進(jìn)一步拓寬了其探測(cè)和應(yīng)用領(lǐng)域，而微處理器的介入使得智能傳感器能夠更加方便地對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。此外，其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)最佳的工作性能，也能使它們適合于各不相同的工作環(huán)境。

⑺信息存儲(chǔ)和記憶功能。智能傳感器既能夠很方便地實(shí)時(shí)處理所探測(cè)到得大量數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)需要對(duì)接收到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和記憶。存儲(chǔ)大量信息的目的主要是以備事后查詢，這一類信息包括設(shè)備的歷史信息以及有關(guān)探測(cè)分析結(jié)果的索引等。

⑻雙向通信功能。智能傳感器有一個(gè)數(shù)字式通信接口，通過此接口可以直接與其所屬計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)和交換信息。微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán)，微處理器不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù)，還可以將信息反饋至傳感器，對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

⑼復(fù)合敏感功能。智能傳感器能夠同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，具有復(fù)合敏感功能，能夠給出全面反映物質(zhì)變化規(guī)律的信息，如光照、波長(zhǎng)、相位和偏振度等參數(shù)可反映光的運(yùn)動(dòng)特性；壓力、真空度、溫度梯度、熱量和熵、濃度、PH值等分別反映物質(zhì)的力、熱、化學(xué)等特性。

⑽數(shù)字和模擬輸出功能。許多帶微處理器的傳感器能通過編程提供模擬輸出、數(shù)字輸出或同時(shí)提供兩種輸出，并且各自具有獨(dú)立的檢測(cè)窗口。最新的智能傳感器都能提供兩個(gè)互不影響的輸出通道，具有獨(dú)立的組態(tài)設(shè)備點(diǎn)。

⑾斷電保護(hù)功能。智能傳感器內(nèi)裝有備用電源，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，能自動(dòng)把后備電源接入RAM，以保證數(shù)據(jù)不丟失[3]。

[參考文獻(xiàn)]

[1]孫圣和.“現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向”.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009.1.

[2]Gary W.Hunter，Joseph R.Stetter，等.“智能傳感器系統(tǒng)”.化學(xué)傳感器，2012.3.

[3]王雪文，張志勇.傳感器原理及應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社，2004.