设计分析・ 智能传感器功能综述 张 鸣 。 李 赞。（１．郑州大学，河南郑州４５００００；２．防空兵学院，河南郑州４５００５２） 摘要：本文通过对智能传感器发展历程与主要特点的讨论，归纳智能传感器的功能与应用方向。 关键词：传感器技术；智能传感器；信息技术 随着微电子技术的飞速发展，纳米技术的应用，大规模集 成电路工艺技术日益完善，集成电路器件的密集度越来越高。 （３）自学习与自适应功能。传感器通过对被测量样本值学 习，处理器利用近似公式和迭代算法可认知新的被测量值，即 以硅材料为基础的微机械加工技术和大规模集成电路工艺实 有再学习能力。同时，通过对被测量和影响量的学习，处理器利 现各种仪表传感器系统的微型化，也称为专用集成微型传感器 用判断准则自适应地重构结构和重置参数。 技术。除了具有精度高、高可靠性、高稳定性、高信噪比、高分 （４）自诊断功能。接通电源后，检查传感器各部分是否正常， 辨率、自适应性强等特点外，智能传感器还具有以下多个特点： （１）微型化。（２）结构一体化。（３）精度高。（４）多功能阵列式。纳米 级敏感元件结构的实现，特别有利于在同一个硅片上制作不同 功能的多个传感器。敏感元件组成阵列后，通过微处理器解耦 运算、模式识别、神经网络技术的应用，有利于消除传感器的 时变误差和交叉灵敏度的不利影响，提高传感器的可靠性、稳 定性与分辨能力。 智能传感器系统通常包含若干功能层：具有不同感知功能 的信号检测层、信号处理层、数据验证和解析层以及信号传输 和显示层等。单个智能传感器中包含多个传感器，每个传感器 的操作参数如偏置电位及温度等可由系统的微处理器来设定。 传感器元件与信号控制及调节平台之间的界面可同时提供激励 信号和进行信号记录及调节。数据采集层可将模拟信号转换成 数字信号，也可采集额外的必需参数以进行诸如温度漂移及时 间漂移的信号补偿。所植入的人工智能可对不同传感器进行连 续监控，对所采集的工程数据进行验证，并定期进行传感器标 定和检测传感器是否正常工作。处理后的数据成为所需要的信 息并传输到外部用户。用户可对传输来的数据进行选择：仅读 取单一数据或下载传感器系统的完整参数 。 智能传感器不仅具有视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉功能， 且应具有记忆、学习、思维、推理和判断等“大脑”功能。前者 由传统的传感器来完成。传统传感器的功能结构包括敏感元 件、调理电路和模数转换器，敏感元件将描述客观对象与环境 状态或特性的物理量转换成电路元件参量或状态参量，调理电 路将电路参量转换成电压信号并进行归一化处理以满足ＡＤＣ动 态范围。智能处理器应对ＡＤＣ输出的数字信号进行智能处理，主 要智能处理功能如下 ： （１）自补偿功能。通过软件对传感器的非线性、温度漂移、 响应时间等进行自动补偿。根据给定的传统传感器和环境条件 的先验知识，处理器利用数字计算方法，自动补偿传统传感器 硬件线性、非线性和漂移以及环境影响因素引起的信号失真， 以最佳地恢复被测信号。计算方法用软件实现，达到软件补偿 硬件缺陷的目的。 （２）自计算和处理功能。根据给定的间接测量和组合测量数 学模型，智能处理器利用补偿的数据可计算出不能直接测量的 物理量数值。利用给定的统计模型可计算被测对象总体的统计 特性和参数。利用已知的电子数据表，处理器可重新标定传感 器特性。 并可诊断发生故障的部件。因内部和外部因素影响，传感器性 能会下降或失效，分别称为软、硬故障。处理器利用补偿后的状 态数据，通过电子故障字典或有关算法可预测、检测和定位故 障。 （５）自校准功能。操作者输入零值或某一标准量值后，自校 准软件可以自动地对传感器进行在线校准。 （６）数据处理功能。智能传感器可以根据内部程序，自动处 理数据，并且能够完成多传感器多参数混合测量，从而进一步 拓宽了其探测和应用领域，而微处理器的介入使得智能传感器 能够更加方便地对多种信号进行实时处理。此外，其灵活的配 置功能既能够使相同类型的传感器实现最佳的工作性能，也能 使它们适合于各不相同的工作环境。 （７）信息存储和记忆功能。智能传感器既能够很方便地实时 处理所探ＩＩＩＩ！Ｉ得大量数据，也可以根据需要对接收到的信息进 行存储和记忆。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一 类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等。 （８）双向通信功能。智能传感器有一个数字式通信接口，通 过此接口可以直接与其所属计算机进行通讯联络和交换信息。 微处理器和基本传感器之间构成闭环，微处理器不但接收、处 理传感器的数据，还可以将信息反馈至传感器，对测量过程进 行调节和控制。 （９）复合敏感功能。智能传感器能够同时测量多种物理量和 化学量，具有复合敏感功能，能够给出全面反映物质变化规律 的信息，如光照、波长、相位和偏振度等参数可反映光的运动 特性；压力、真空度、温度梯度、热量和熵、浓度、ＰＨ值等分别反 映物质的力、热、化学等特性。 （１ｏ）数字和模拟输出功能。许多带微处理器的传感器能通过 编程提供模拟输出、数字输出或同时提供两种输出，并且各自 具有独立的检测窗口。最新的智能传感器都能提供两个互不影 响的输出通道，具有独立的组态设备点。 （１Ｄ断电保护功能。智能传感器内装有备用电源，当系统掉 电时，能自动把后备电源接入ＲＡＭ，以保证数据不丢失 。 ［参考文献］ ［１］孙圣和．“现代传感器发展方向”．电子测量与仪器学报，２００９．１． Ｉ２３Ｇａｒｙ ｗ．Ｈｕｎｔｅｒ，３ｎｓｅｐｈ Ｒ．Ｓｔｅｔｔｅｒ，等．“智能传感器系统”．化学传感 器，２０１２．３． ［３］王雪文，张志勇．传感器原理及应用．北京航空航天大学出版社，２００４．