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什么是智能傳感器？

傳感器是現代信息技術的重要組成部分，是人類收集信息的工具。傳統意義上的傳感器的輸出大多是模擬信號，它們不具備信號處理和網絡功能，但需要連接到特定的測量設備來完成信號處理和傳輸功能。智能傳感器可以通過標準接口對原始數據進行內部處理，與外界交換數據，并根據實際需要通過軟件控制改變傳感器的工作，實現智能化和網絡化。智能傳感器采用標準總線接口，具有良好的開放性和可擴展性，為系統的擴展提供了很大的發展空間。


智能傳感器的概念最早由NASA在航天器開發過程中提出，并于1979年形成產品。航天器上的大量傳感器需要不斷向地面或航天器上的處理器發送溫度、位置、速度和姿態等數據信息。即使是一臺大型計算機也很難同時處理如此大量的數據。此外，航天器限制了計算機的尺寸和重量，因此希望傳感器本身具有信息處理功能，因此傳感器將與微處理器結合，出現智能傳感器。

智能傳感器是一種新型傳感器，能夠獲取和識別被測對象的特定信息，學習、推斷、判斷和處理信號，并具有通信和管理功能。智能傳感器具有自動調零、校準、補償和收集數據的能力。它的能力決定了智能傳感器與傳統傳感器相比還具有更高的精度和分辨率、更高的穩定性和可靠性、更好的適應性，以及非常高的性價比。

在早期的智能傳感器中，傳感器的輸出信號經過處理和轉換，然后通過接口發送到微處理器進行計算處理。20世紀80年代，智能傳感器主要以微處理器為核心，將傳感器信號處理電路、微電子計算機存儲器和接口電路集成到一個芯片中，使傳感器具有一定的人工智能。20世紀90年代，智能測量技術進一步完善，使傳感器實現了小型化、結構集成化、陣列式、數字化、操作簡單、易于操作和自診斷功能、存儲和信息處理功能。數據存儲功能、多參數測量功能、網絡通信功能、邏輯思維和判斷功能。


智能傳感器大致可分為三類：判斷傳感器、學習傳感器和創意傳感器。

智能傳感器的結構


智能傳感器系統主要由傳感器、微處理器及相關電路組成，如圖所示，傳感器將測得的理化量轉換成相應的電信號，送入信號調制電路，經濾波、放大、A/D轉換后送入微處理器。微處理器對接收到的信號進行計算、存儲和分析后，一方面通過反饋回路對傳感器和信號調理電路進行調節，實現對測量過程的調節和控制，另一方面將處理結果經接口電路處理后傳輸到輸出接口，根據輸出格式和接口適配輸出數字化測量結果。微處理器是智能傳感器的核心，因為微處理器充分利用了各種軟件的功能，使傳感器智能化，大大提高了傳感器的性能。


智能傳感器的特點

高精度

智能傳感器可以通過自動零點校準消除零點，自動進行全系統校準，非線性校正系統誤差，如與標準參考基準進行實時比較，實時采集大量數據進行分析和處理，消除偶然誤差的影響，調整智能傳感器的高精度。

高可靠性和高穩定性

智能傳感器能自動補償因工況、環境參數等變化引起的系統特性漂移，判斷采集數據的合理性，并自動對異常情況進行應急處理。

高信噪比和高分辨率

由于智能傳感器具有數據存儲、存儲和信息處理的功能，可以去除輸入數據中的噪聲，通過數字濾波等相關分析處理，自動提取有用數據；通過數據融合和神經網絡技術，可以消除多參數狀態碰撞中的交叉敏感性。

適應性強

智能傳感器具有判斷、分析和處理功能，可根據系統的工作條件確定各部件的供電情況和上位機的數據傳輸速率，使系統處于低功耗的最佳狀態，優化傳輸效率。

更高的性價比

智能傳感器的高性能不是通過追求傳感器本身的完美，仔細設計和調試傳感器的各個方面，以及像傳統傳感器技術一樣制作“工藝品”來實現的。利用微處理器和集成電路的結合，不僅價格低廉，而且具有強大的軟件價值。

智能傳感器的關鍵功能

智能傳感器的功能是通過模擬人類感官和大腦的協調動作，結合多年的測試技術研究和實踐經驗提出的。它代表一個相對獨立的智能單元。它的出現降低了對原始硬件性能的苛刻要求，并依靠軟件的幫助大大提高了傳感器的性能。

智能傳感器通常可以執行以下功能：

1.復合敏感功能

我們觀察周圍的自然現象。常見的信號包括聲音、光、電、熱、電和化學物質。傳感器組件通常以兩種方式測量：直接測量和間接測量。智能傳感器具有復合功能，可以同時測量各種物理量和化學量，并提供能夠全面反映物質運動規律的信息。例如，美國加利福尼亞大學開發的復合液體傳感器可以同時測量介質的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GIC傳感器公司開發的復合機械傳感器可以同時測量物體特定點的三維振動加速度、速度、位移等。

2.適應功能

當條件發生變化時，智能傳感器可以在一定程度上自動調整其特性以適應這種變化。通過使用自適應技術，自適應技術可以延長一個或多個設備的壽命，因為它們可以補償由老化組件引起的參數漂移。此外，它還可以自動適應不同的環境條件，從而擴大了工作范圍。自適應技術提高了傳感器的重復性和準確性。因為其校正和補償值不再是平均值，而是測量點的實際校正值。

3.自檢、自校準和自診斷功能

普通傳感器必須定期檢查和校準，以確保在正常使用期間具有足夠的精度。這些任務通常要求從現場拆卸傳感器，并將其送往實驗室或檢驗部門。無法診斷在線測量傳感器異常時間。有了智能傳感器，情況發生了巨大變化。首先，自診斷功能執行通電自檢，即確定部件是否有故障的診斷測試。其次，它可以根據使用時間進行在線校正，微處理器使用存儲在E2PROM中的測量特性進行比較和驗證。

4.信息存儲功能

信息往往是成功的關鍵：智能傳感器可以存儲大量信息，用戶可以隨時查詢。此類信息可包括設備的歷史信息。例如，傳感器工作了多少小時，更換了多少次電源等。它還包括所有傳感器數據和圖表，以及配置選擇指南等。此外，還包括序列號、生產日期、目錄表和最終工廠測試結果。內容可以是無限的，只受智能傳感器本身存儲容量的限制。除了擴展過程數據處理、自診斷、配置和信息存儲功能外，智能傳感器還提供數字通信能力和適應性。

5.數據處理功能

過程數據處理是一項非常重要的任務，智能傳感器本身提供了這一功能。智能傳感器不僅可以放大信號，還可以將其數字化，然后使用軟件實現信號調節。通常，簡單的傳感器不能提供線性信號，過程控制的一個重要目標是線性。智能傳感器可以通過查表將非線性信號線性化。當然，必須為每個傳感器單獨創建此數據表。智能傳感器過程數據處理的另一個例子是通過數字濾波器對數字信號進行濾波，這可以減少噪聲或其他相關影響的干擾。用軟件設計復雜的濾波器比用分立的電子電路設計復雜得多。補償環境影響也是數據處理中的一項重要任務。微控制器可以幫助提高信號檢測的準確性。例如，可以通過測量基本傳感元件的溫度來獲得正確的溫度補償系數，從而實現信號的溫度補償。非線性補償和其他更復雜的補償也可以在軟件中實現。這是因為查找表可以生成幾乎任何形狀的曲線。有時，為了報告各自的數據，需要測量和處理幾個不同的物理量。智能傳感器徽章控制器使用戶可以輕松地對多個信號進行加法、減法、乘法和除法。智能傳感器可以在過程數據處理中發揮作用。


將這些操作從中央控制室移開，靠近信號產生點也將是有益的。首先，向控制室發送額外信號的成本很高，而智能傳感器消除了額外傳感器和接線的成本。第二種是在信息應用點捕獲附加信息，大大減少了遠程傳輸帶來的負面影響（如噪聲、電位差等），使信號更加準確。三是簡化主控制器軟件，提高控制回路速度。

6.配置功能

智能傳感器的另一個重要功能是配置選項。信號應該多久放大一次？溫度傳感器是否以攝氏度或華氏度為單位報告溫度？有了智能傳感器，用戶可以選擇他們想要的配置。例如，檢測范圍、可編程開/關延遲、組選擇計數器、常開/常閉、8/12位分辨率選擇等。這些只是當今眾多智能傳感器配置中的一小部分。靈活的配置功能大大減少了用戶設計和更換所需不同傳感器類型和數量的需要。使用智能傳感器配置功能可以使同一類型的傳感器在最佳狀態下工作，并在不同的場合執行不同的任務。

7、數字通信功能

如上所述，由于智能傳感器可以生成大量信息和數據，普通傳感器的單一連接無法為設備的數據提供必要的輸入和輸出。然而，lead不能用于所有信息，因為這會使系統非常復雜。因此，需要一個靈活的串行通信系統。在流程工業中，點對點串聯和串聯網絡很常見，今天的總趨勢是串聯網絡。由于智能傳感器本身有一個微控制器，因此它本身是數字的，因此有必要配置帶有外部連接的數字串行通信。這是因為串行網絡比傳統模擬信號更能抵抗環境影響（如電磁干擾）。通過與設備進行串行通信，可以有效地管理信息傳輸，從而只在需要時輸出數據。

智能傳感器的實現方法

智能傳感器的實現目前在傳感器發展的三條道路上進行：a）通過計算機合成，即智能合成；b）通過特殊功能材料，即智能材料；c）通過功能化幾何結構，即智能結構。智能綜合是傳感器設備和微處理器的結合，是目前的主要方式。

根據傳感器和計算機的綜合方法，當前的傳感器技術采用以下三種具體方式來實現智能傳感器。

1.非綜合模塊化方法

非集成式智能傳感器是一種智能傳感器系統，由傳統的基本傳感器、信號調理電路和帶有數字總線接口的微處理器組成。在現場總線控制系統發展的推動下，這種非集成的智能傳感器正在迅速發展。自動售貨機廠家生產過程中的原有設備基本不變，由一塊帶數字總線接口的微處理器板組成，并配有通訊、控制、自校準、自補償等智能功能。自診斷軟件實現智能傳感器功能。這是構建智能傳感器最經濟、最快速的方法。


2.綜合實現

這種智能傳感器系統采用微加工技術和大規模集成電路技術，以硅為基本材料制造敏感元件、信號調理電路和微處理器單元，并將它們集成在一個芯片上。該集成實現了智能傳感器的小型化和結構集成，提高了精度和穩定性。在敏感元件形成陣列后，通過適當的圖像處理軟件，可以實現圖形映射，形成多維圖像傳感器。此時，智能傳感器已達到其最先進的形式。


3.混合實現

智能傳感器系統在單芯片上的實現帶來了許多無法解決的挑戰。根據需要和可能性，系統的每個集成連接（例如敏感單元、信號調節電路、微處理器單元、數字總線接口）可以以不同的組合集成在兩個或三個芯片上，并安裝在一個外殼中。


智能傳感器的發展與趨勢

發展趨勢

1.向高精度發展

隨著自動化生產水平的提高，對傳感器的要求也越來越高：必須開發高靈敏度、高精度、快速響應和良好互換性的新型傳感器，以確保生產自動化的可靠性。

2.向高可靠性和寬溫度范圍發展

傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能。開發高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是一個永恒的方向。利用陶瓷等新材料開發傳感器將大有可為。

3.向小型化發展

各種控制儀表和裝置的功能越來越強大，每個部件的體積越小，傳感器本身就越小。這就需要開發新材料和加工技術。硅材料制成的傳感器體積已經很小。例如，傳統的加速度計是由重力塊和彈簧制成的，它們體積大、脆弱、壽命短，而采用激光等各種微處理技術制成的硅加速度計體積小，可互換性好。性更好。

4.向微功耗和被動發展

傳感器一般是將非電轉換為電，工作時電源是不可分割的。在野外或遠離電網的地方，它們通常由電池或太陽能供電。因此，開發具有微功耗的傳感器和無源傳感器的發展方向勢在必行，這樣可以節約能源，提高系統的使用壽命。目前，低功耗芯片發展迅速，如B.T12702運放，靜態功耗僅為1.5A，工作電壓僅為2~5V。

5.邁向智能化數字發展

隨著現代化的發展，傳感器的功能已經突破了傳統的功能，其輸出不再是單一的模擬信號（如0~10mV），而是由微機處理的數字信號。，有些甚至具有被稱為數字傳感器的控制功能。

6.網絡發展

網絡化是傳感器發展的一個重要方向，網絡的作用和好處開始顯現。網絡傳感器必將推動電子技術的發展。

發展重點

1.通過機器智能進行錯誤檢測和預測。任何系統都必須在潛在問題出錯并產生嚴重后果之前檢測或預測它們。目前，還沒有定義良好的異常狀態模型，異常狀態檢測技術仍然缺乏。迫切需要將傳感器信息和知識結合起來，以提高機器的智能性。

2.在正常情況下，可以高精度、高靈敏度地檢測目標的物理參數，但在檢測異常情況和故障方面進展甚微。因此，迫切需要對故障進行檢測和預測，并應大力開發和應用。

3.當前的傳感器技術可以在單個點上精確檢測物理或化學量，但難以檢測多維狀態。例如，特征參數分布廣泛、具有時空相關性的環境測量也是一個亟待解決的難題。因此，有必要加強多維狀態檢測的研究與開發。

4.用于目標成分分析的遙感。化學成分分析主要基于樣品物質，有時目標物質的取樣很困難。與測量平流層臭氧水平一樣，遙感是必不可少的，光譜法與雷達或激光探測技術相結合是一種可能的方法。無樣品部件的分析容易受到傳感器系統和目標部件之間各種噪聲或介質的干擾，傳感器系統的機器智能有望解決這一問題。

5.傳感器智能，實現資源的高效回收。現代制造系統已經實現了從原材料到產品的高效自動化生產過程，當產品不再使用或廢棄時，循環過程既沒有效率，也沒有自動化。如果可再生資源的回收能夠有效地、自動地進行，就可以有效地防止環境污染和能源短缺，實現生命周期資源管理。對于自動化和高效的循環過程，使用機器智能來區分目標組件或特定組件是智能傳感器系統的一項非常重要的任務。

研究熱點

1.探索物理轉化的機制

數字輸出是智能傳感器的典型特征之一。它不僅僅是通過模數轉換進行的簡單數字化，而是一個機構的數字輸出。其中，諧振式傳感器具有直接數字輸出、高穩定性、高重復性、強抗干擾能力、高分辨率和測量精度等優點。傳統光電傳感器的頻率信號檢測需要更復雜的設計，這限制了其在工業領域的廣泛應用和發展。目前，它只需在同一片硅芯片上集成一個智能檢測電路，就能快速提取頻率信號，因此諧振式微機械傳感器已成為國際上的研究熱點。


2.多數據融合研究

數據融合是一種數據合成和處理技術，代表了許多傳統學科和新技術的集成和應用，如B.通信、模式識別、決策理論、不確定性理論、信號處理、估計理論、優化處理、計算機科學、人工智能和神經網絡等，數據融合已成為集成智能傳感器理論的一個重要領域和研究熱點。也就是說，對來自多個來源的多個傳感器或信息進行廣泛的處理和評估，以提供更準確可靠的結論。因此，對于多傳感器陣列而言，數據融合技術可以充分展示每個傳感器的特性，充分利用它們的互補性和冗余性，提高測量信息的準確性和可靠性，延長系統的使用壽命。近年來，數據融合引入了遺傳算法、小波分析技術和虛擬技術。


智能傳感器是傳感器發展的總趨勢，已經引起了世界各國的關注和認可，可以說智能傳感器是一種很有前途的新型傳感器。未來，隨著硅微加工技術的發展，新一代智能傳感器的功能將會增加。它將利用人工神經網絡、人工智能、信息處理技術等為傳感器帶來更先進的智能功能，同時也將向微傳感器、微執行器、微處理器和微系統發展。

說出智能傳感器應用領域的黑色技術

分子傳感器

雖然歷史上有在“隱形墨水”中使用化學品的技術需要加密，但改進的檢測方法使得難以確保未經授權的人無法讀取隱藏的信息。為了應對這種情況，以色列魏茨曼科學研究所的戴維·馬古利斯和他的研究團隊開發了一種熒光分子傳感器，可以通過產生特定的熒光發射光譜來區分不同的化學物質。鑒于最近對全球電子監控的擔憂，該傳感器提供了繞過電子通信系統的安全手段。


無線傳感器

近年來，健身跟蹤器已成為一種越來越流行的可穿戴技術。但是加利福尼亞大學的工程師伯克利將這一概念進一步發展，開發了微型無線傳感器來檢測人體的健康狀況。據報道，這些設備已經縮小到了一立方毫米，大約一粒塵埃大小，被稱為“神經塵埃”。這些傳感器可以植入人體，實時檢測組織、肌肉和神經。

無線傳感器越來越多地應用于工業、農業、軍事、航空、建筑、醫療、環保等領域。深圳新力科技長期致力于各類無線傳感器的設計和開發，為基于無線傳感器網絡的無線數據采集、傳輸和監控系統提供解決方案。例如，無線溫濕度傳感器、無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、無線氣體傳感器、無線液位傳感器等。在智能農業、智能溫室環境監測系統、智能養殖環境監測系統、倉儲環境監測系統、，智能管網監測系統、重大危險源環境監測系統、能源管理系統、大氣環境質量監測系統、智能制造監測系統等。

生物發光傳感器

生物發光傳感器實際上是范德比爾特大學的一群科學家通過基因改造生物酶熒光素酶發明的一種新型研究方法。研究人員稱，這種新型傳感器可以用來跟蹤大腦中大型神經網絡的內部相互作用。

人工毛發傳感器

對人類來說，皮膚不僅是保護我們免受灰塵和細菌侵害的屏障，也是我們感知外部環境變化的媒介。隨著研究人員對機器人技術的進步，他們也在努力創造出功能類似于真實皮膚的機器人。中國哈爾濱工業大學材料科學教授何曉東和他的同事在這一領域進行了創新，他們開發了一種新技術，模擬人體表面的細毛，并將感官信息傳輸給機器人。研究人員用30微米的金屬絲替換頭發，并在硅橡膠中嵌入一系列微小的金屬絲，這一系列金屬絲的功能是為人造皮膚帶來外部信息。研究結果可用于感覺假肢或相應的健康設備。

復合式觸摸傳感器

目前，大多數機器人觸摸傳感器只有力傳感器，因此只能檢測物體的硬度和紋理，使得機器人的異物檢測精度非常低。但與傳統的力傳感器相結合，復合觸摸傳感器可以幫助機器人識別物體的組成。利用這一原理，美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的專家展示了一種由導電和非導電材料以及熱敏電阻制成的“皮膚”，他們為發熱機器人設計了這種皮膚。


空氣傳感器

TZOA推出了一種新的空氣傳感器。不用說，這是一個傳感器，可以收集有關空氣質量的信息，包括顆粒的類型和數量，以及它們是否含有有害化學物質。該設備還可以保護胎兒和兒童免受損害大腦發育的污染物的影響。未來，該公司計劃在中國和印度銷售戶外污染設備，在美國銷售室內污染設備。TZOA還開發了哮喘設備，可以幫助識別哮喘發作的誘因。

促進睡眠的“感覺”傳感器

據報道，詹姆斯在英國倫敦發明了一種名為“感知”的睡眠傳感器。據了解，“感知”傳感器可以自動調節光線，控制加熱，甚至播放舒緩的音樂，以促進人類按照主人的規定睡眠，并在睡眠期間將環境調整到最舒適的狀態。它還監測噪音、光線、溫度、濕度和空氣質量，并對用戶的夜間睡眠進行排名。

肌電傳感器

傳感器一直在醫療保健領域發揮著重要作用，因為它們處于數據收集的前沿。EMG傳感器是上海成電自主研發的一種電荷傳感器，具有采樣率高、抗干擾能力強、濾波效果好等特點。該傳感器已成功應用于康復醫學和仿生修復，并將擴展到未來的行業，如VR/AR、健身和人體外骨骼。

溫度傳感器

SirenCare是一家致力于監測糖尿病患者健康狀況的初創公司，它開發了一款智能襪子，使用溫度傳感器檢測患者是否有炎癥，從而實時監測糖尿病患者的健康狀況。與其他公司之前開發的靴子和鞋墊相比，Siren的襪子更貼近皮膚。傳感器被編織到襪子中，可以隨時檢測腳部炎癥，所有檢測到的信息都將上傳到智能手機上的應用程序中，以便患者隨時了解自己的腳部狀況。

皮膚傳感器

據報道，日本研究人員最近發明了一種低成本、類似創可貼的集成傳感器。這種集成到帶式傳感器中的傳感器是一種柔性裝置，可以隨意安裝在身體上。它可以監測人類活動量、心跳次數和紫外線強度。它可以用于醫療管理和物聯網等領域。粘貼式皮膚傳感器通過最新開發的打印技術打印在薄塑料膜上。與以前的半導體傳感器制造技術相比，成本非常低，并且考慮了方便性和低成本。


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