智能傳感器的應用及其發展

黃瑩

摘 要：智能傳感器是一種帶有信息處理功能的傳感器，以其獨特的優點受到了廣泛的關注、研發及應用，智能傳感器的發展極大地推動了工業自動化的進程。文章主要介紹了智能傳感器的結構、功能，然后闡述了智能傳感器的應用以及發展趨勢。

關鍵詞：智能傳感器；應用；發展

引言

智能傳感器最初是由美國宇航局在宇宙飛船的開發過程中提出來的，目前普遍定義智能傳感器為一種對信息具有檢測、數據處理、自診斷及具有自適應功能的傳感器；IEEE協會從網絡方向定義智能傳感器為能檢測被測量大小并可應用于網絡環境的一種集成傳感器。隨著智能傳感器的出現，智能傳感器技術已成為傳感器技術發展方向之一，其涉及信號處理、計算機技術、微電子技術、模糊控制理論、神經網絡技術等多種學科，是一門綜合性技術。

1 智能傳感器的結構與功能

智能傳感器是一種帶有微處理器，可實現測量、處理、存儲信息以及邏輯思維判斷功能的傳感器。智能傳感器由硬件和軟件組成，硬件主要包括基本傳感器和信息處理單元。基本傳感器的性能決定了智能傳感器的性能，其是智能傳感器的基礎；信息處理單元包括微處理器、信號調理電路等，微處理器是智能傳感器的核心，信息處理單元是智能傳感器區別于傳統傳感器的主要原因。傳感器經敏感元件感知被測量，并將其轉換為電信號，信號調理電路對電信號進行放大、濾波、D/A轉換等處理后送入微處理器。微處理器對數據進行計算、存儲等處理，并經反饋回路對傳感器進行調節補償。軟件不僅可處理傳感器傳送的數據，增強傳感器功能，也可管理和調節信息檢測過程。此外，還可通過軟件實現硬件不能完成的任務，提高傳感器自身性能。

智能傳感器的主要功能有：（1）具有自校零、自校正、自補償和自標定的功能；（2）可自動采集、處理數據；（3）可自檢驗、自選量程及故障；（4）可存儲數據及信息處理；（5）可雙向通訊，并使數字輸出或符號輸出標準化；（6）具有判斷、決策處理功能；（7）可通過神經網絡、模糊控制理論和遺傳算法等模仿人類思維。

2 智能傳感器的應用

根據功能不同，智能傳感器可分為感知物體的位移、速度、加速度等運動量；壓力、溫濕度等過程量；波長、光強等光特性量；濃度、流量等液體特性量。目前，智能傳感器已被廣泛應用于航空航天、汽車、氣體分析、通信等領域。

2.1 在航空航天領域應用

飛機、衛星和火箭都用高精度的導航儀來控制其飛行姿態，傳感器很大程度決定了導航儀的功能及精度，而傳感器在實際使用過程中因環境惡劣影響精度，因此需要對傳感器進行實時監測。例如NASA利用智能傳感器網絡技術檢查火箭、燃料箱、乘員艙等健康狀況，工作原理是：傳感器產生電磁波后在結構部件中進行傳播，然后被其它傳感器接收，最后傳輸數據到計算機后進行數據處理、分析，以此實現結構健康監測。

2.2 在汽車領域應用

在汽車領域中，智能傳感器已被廣泛使用，有基本的溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器以及用來車距探測、車道跟蹤、衛星定位的智能傳感器。比如，汽車的動力系統中有智能微加速度傳感器和智能硅壓力傳感器，智能微加速傳感器用來汽車自動制動和懸掛，智能硅壓力傳感器用來測量、控制壓力；契合的安全行駛系統中有輪胎壓力傳感器和安全氣囊傳感器，輪胎壓力傳感器用來測量電壓、溫度和壓力，安全氣囊傳感器用來監測氣囊使用情況；智能交通系統中有用于電子收費的多種智能傳感器等。

2.3 在氣體分析方面的應用

智能傳感器已成功應用于氣體分析方面，來實現環境監測。2010年，DARPA微系統技術研討會上提出了一種能監測270多種分析物和干擾物的微氣體分析儀，通過此分析儀不僅可遠程監測氣體的化學成分，而且可搭建邊境預警傳感器網絡。

2.4 在通信方面的應用

智能傳感器采用可支持以太網和多種現場總線的IEEE1415系列標準作為通用的通信標準，IEEE1415系列標準為連接智能傳感器和網絡提供了便利。例如：將IEEE1415與射頻技術結合，使用射頻芯片、振動傳感器、溫度傳感器設計出基于單片機的無線智能傳感器。

此外，智能傳感器的廣泛應用，推動工業自動化進程的同時，也為我們的生活提供了更好的服務。通過利用智能傳感器實時測量人體血壓等信息來評價健康狀況，通過運動手環實時監測人體心跳、脈搏和里程來督促運動等。

3 智能傳感器的發展趨勢

智能傳感器是傳感器技術發展中的一次重要變革，是現代自動化發展的一部分，它正朝著微型化、網絡化、集成化、高精度及高可靠性方向發展。

3.1 微型化

如今，各種設備都朝著微型化發展，設備的微型化也就要求通過發展新材料及提高工藝水平使得智能傳感器微型化。例如，目前的加速度傳感器是由重力塊和彈簧組成的，其體積大、壽命短、穩定性差，而通過采用激光燈細微加工的硅加速度智能傳感器的體積小、壽命長、穩定性高。

3.2 網絡化

網絡化是智能傳感器發展方向之一，智能傳感器通過總線技術將多個傳感器構建成系統，并為系統配備具有網絡接口的微處理器，通過微處理器實現傳感器與系統及其他傳感器的信息交換。傳感器測得的數據就近登錄網絡，通過標準的網絡協議將傳感器和網絡技術結合，即通過TCP/IP協議和具有通信功能的節點進行通信，實時共享、發布數據。隨著智能傳感器聯網使用，傳感器、互聯網、用戶間可異地交換信息，因此廠商可及時診斷傳感器故障、指導用戶進行維修并升級軟件。

3.3 集成化

智能傳感器集成化分為兩個方向，一種是利用集成電路技術及微機械加工技術等將多個功能相同的敏感元件集成在同一個芯片上擴大量程，或是利用集成技術將不同功能的敏感元件集成在同一個芯片上實現綜合檢測，同時測量不同的物理參數。另一種是利用微電子電路技術、接口技術等將傳感器、信號調理電路和信號補償電路等集成在同一個芯片上，來實現智能傳感器的自動校準、改善智能傳感器的性能。

3.4 高精度及高可靠性

隨著工業自動化程度的大幅提高，對于傳感器的要求也越來越嚴格，高精度、高靈敏性及高響應性的智能傳感器可保障自動化生產的可靠性，高可靠性的智能傳感器直接保障了設備的性能，因此高精度及高可靠性是未來智能傳感器的發展方向之一。

4 結束語

文章首先介紹了智能傳感器的結構及功能，然后闡述了智能傳感器的應用現狀，并在此基礎上總結了智能傳感器的發展趨勢。智能傳感器的出現改變了傳統傳感器的設計理念，并為信息化時代提供了一種嶄新的獲取信息、處理信息的方式。全面推動智能傳感器的微型化、網絡化、集成化、高精度及高可靠性發展，相信一定會為人們的生活帶來全新的變化。

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