隨著測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)不能滿足一定的數(shù)據(jù)處理能力以及自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)墓δ埽鄧?guó)科學(xué)家已在研發(fā)智能傳感器和多功能傳感器。

智能傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

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(guó)防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但與飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)相比較，作為“五官”的傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上作為“大腦”的計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度。

隨著測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。國(guó)外有的文章稱傳統(tǒng)的傳感器為Dumbsensor(愚蠢的、笨啞的傳感器)。另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，彌補(bǔ)其性能的不足，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生功能強(qiáng)大的智能傳感器。國(guó)外稱為Intelligentsensor(智能傳感器)或Smart2sensor(靈巧的、機(jī)敏的、智能傳感器)。另外，傳統(tǒng)的傳感器一般只能測(cè)量一個(gè)參數(shù)，有些場(chǎng)合需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)參數(shù)的體積小的多功能傳感器。現(xiàn)在多國(guó)科學(xué)家已重視這一方向的開拓，并已研制出一些多功能傳感器。

1、智能傳感器

智能傳感器是當(dāng)今國(guó)際科技界研究的熱點(diǎn)，尚無統(tǒng)一的、確切的定義。本文不討論(In2telligentsensor或Smartsensor)兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的區(qū)別，統(tǒng)稱為智能傳感器。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計(jì)算機(jī))相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能傳感器的功能如下：

(1)自補(bǔ)償能力：通過軟件對(duì)傳感器的非線性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

(2)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)。

(3)自診斷功能：接通電源后，可對(duì)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(shù)值處理功能：可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序，自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(gòu)成閉環(huán)，微處理機(jī)不但接收、處理傳感器的數(shù)據(jù)，還可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。

(6)信息存儲(chǔ)和記憶功能。

(7)數(shù)字量輸出功能：輸出數(shù)字信號(hào)，可方便的和計(jì)算機(jī)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(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件，檢測(cè)物理量的變化，而智能傳感器則包括測(cè)量信號(hào)調(diào)理(如濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能?？梢娭悄軅鞲衅鞯墓δ芤蜒由斓絻x器的領(lǐng)域。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器的功能將逐步增強(qiáng)，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(jí)的智能，具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能，可以完成圖象識(shí)別、特征檢測(cè)、多維檢測(cè)等復(fù)雜任務(wù)。

2、智能傳感器的結(jié)構(gòu)

智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計(jì)算機(jī))及相關(guān)電路組成。

傳感器將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)理電路中，進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后，送到微計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)是智能傳感器的核心，它不但可以對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)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(hào)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(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路作在不同的芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器(HybridSmart2Sensor)。目前這類結(jié)構(gòu)較多。初級(jí)的智能傳感器也可以有許多互相獨(dú)立的模塊組成，如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)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(nèi)，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(jié)構(gòu)形式。

3、多功能傳感器

多功能傳感器能轉(zhuǎn)換兩種以上的不同物理量。例如，使用特殊的陶瓷把溫度和濕度敏感元件集成在一起，作成溫濕度傳感器；把檢測(cè)鈉離子和鉀離子的敏感元件集成在一個(gè)基片上，制成測(cè)量血液中離子成分的傳感器；將檢測(cè)幾種不同氣體敏感元件用厚膜制造工藝作在同一基片上，制成檢測(cè)H2S、C8H18、NH3、C20H20O四種氣體的多功能傳感器；在同一硅片上制作應(yīng)變計(jì)和溫度敏感元件，制成同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的多功能傳感器，該傳感器還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。此外，日本學(xué)者還研制出其它多功能傳感器，如測(cè)量溫濕度和風(fēng)速，測(cè)量物體表面光潔度和溫度的傳感器。有些多功能傳感器是混合式的，分別制作幾個(gè)傳感器并組裝起來。多功能傳感器和微處理機(jī)、信號(hào)處理電路結(jié)合起來，則組成多功能智能傳感器。

4、智能傳感器和多功能傳感器的應(yīng)用

智能傳感器最早應(yīng)用在航天領(lǐng)域。宇宙飛船中需要測(cè)量大量參數(shù)，有反映運(yùn)行軌道的速度、加速度、姿態(tài)、方位等參數(shù)，有反映宇航員生存環(huán)境的溫度、濕度、氣壓、空氣成分等參數(shù)，因此需要大量的傳感器。這些大量的原始數(shù)據(jù)若直接送到計(jì)算機(jī)中，無疑會(huì)增加主計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，影響處理速度。為了提高效率和可靠性，采用分布處理的方法，即將這些數(shù)據(jù)先經(jīng)過各自的處理系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理，然后再傳送至主機(jī)進(jìn)行集中處理。這就是在美國(guó)宇航局開發(fā)宇宙飛船時(shí)所開發(fā)的智能傳感器。由于智能傳感器和多功能傳感器的功能強(qiáng)，集成度高，體積小，因此可以大大減少傳感器的數(shù)量和連接電纜線的重量，這恰是導(dǎo)彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器所需要的，所以它們?cè)诤娇蘸教祛I(lǐng)域中起著非常重要的作用。

在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展，采集的數(shù)據(jù)越來越多，需要使用大量傳感器和計(jì)算機(jī)。特別是需要智能傳感器。

智能傳感器和多功能傳感器在機(jī)器人中有廣闊的應(yīng)用前景。如視覺傳感器、觸覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器等。特別是智能機(jī)器人，需要根據(jù)采集的信息進(jìn)行識(shí)別、判斷、決策。智能傳感器如同人的五官，可以使機(jī)器人具有感知功能?，F(xiàn)在一些國(guó)家在研究開發(fā)可以識(shí)別物體形狀的觸覺傳感器，分辨不同氣體的嗅覺傳感器。

隨著智能傳感器和多功能傳感器的發(fā)展，它們將在工業(yè)、科技、國(guó)防等各個(gè)部門得到更廣泛的應(yīng)用。

5、現(xiàn)狀與發(fā)展

目前，世界各國(guó)都在研制與開發(fā)各種智能傳感器和多功能傳感器。其中最成功的是美國(guó)Honeywell公司研制的DSTJ-3000智能壓差壓力傳感器在同一塊半導(dǎo)體基片上用離子注入法配置擴(kuò)散了壓差、靜壓和溫度三個(gè)敏感元件，整個(gè)傳感器還包括變換器、多路轉(zhuǎn)換器、脈沖調(diào)制、微處理器和數(shù)字量輸出接口等。另外還在PROM中裝有該傳感器的特性數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。ParScientific公司研制1000系列數(shù)字式石英智能傳感的器。日本日立研究所研制出可以識(shí)別四種氣體嗅覺傳感器。智能傳感器是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、材料科學(xué)互相結(jié)合的綜合密集型技術(shù)。目前各國(guó)科學(xué)家正在按下列技術(shù)途徑開發(fā)研究：

(1)利用新型材料研制基本傳感器。基本傳感器是智能傳感器的基礎(chǔ)，它的制作及其性能對(duì)整個(gè)智能傳感器影響甚大。除硅材料具有優(yōu)良的物理特性，能夠方便地制成各種集成傳感器。此外還有功能陶瓷、石英、記憶合金等都是制作傳感器的優(yōu)質(zhì)材料。

(2)利用新的加工技術(shù)。近年來利用微加工技術(shù)日趨成熟，可以加工高性能的微結(jié)構(gòu)傳感器、ASIC制作技術(shù)，也可用于制造智能傳感器。

(3)采用新的測(cè)量原理和方法。諧振式傳感器輸出數(shù)字量，可以直接和微機(jī)及接口總線連接，不用A/D轉(zhuǎn)換器。另外，光纖傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器新型傳感器，為智能傳感器提供新的信息來源。

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