2.6 智能传感器

2.6.1 智能传感器简介

智能传感器（Intelligent Sensor或Smart Sensor）是20世纪70年代初出现的，随着微处理器技术的迅猛发展及测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定的数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。近年来，随着微处理器技术、信息技术、检测技术和控制技术的迅速发展，对传感器提出了更高的要求，不仅要具有传统的检测功能，而且要具有存储、判断和信息处理功能，促使传统传感器产生了一个质的飞跃，由此诞生了智能传感器。所谓智能传感器，就是一种带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。即智能传感器就是将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的结构。

智能传感器可以对信号进行检测、分析、处理、存储和通信，具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能。所以称之为智能传感器。

计算机软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。由于“电脑”的加入，智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。

智能传感器系统一般构成框图如图2-46所示。其中作为系统“大脑”的微型计算机，可以是单片机、单板机，也可以是微型计算机系统。

以智能温度传感器为例，它可以将温度变量转换为可传送的标准化输出信号，并用于工业过程温度参数的测量和控制。智能温度传感器的原理框图如图2-47所示，前端敏感元件是热电偶或热电阻，信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成，同时增加显示单元和现场总线功能。

2.6.2 智能传感器的分类

智能传感器按其结构分为模块式智能传感器、混合式智能传感器和集成式智能传感器三种。

1.模块式智能传感器

这种智能传感器由许多互相独立的模块组成。将微型计算机、信号处理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内，组成模块式智能传感器。这种传感器的集成化程度不高、体积较大，但比较实用。模块式智能传感器一般由如图2-48所示的几个部分构成。

2.混合式智能传感器

混合式智能传感器将传感器、微处理器和信号处理电路等各个部分以不同的组合方式集成在几个芯片上，然后装配在同一壳体内。目前，混合式智能传感器作为智能传感器的主要类型而被广泛应用。ST3000系列传感器就是最典型的混合式智能传感器。

ST3000系列传感器的原理结构如图2-49所示。ST3000系列智能压力、差压传感器，就是根据扩散硅应变电阻原理进行工作的。在硅杯上除制作了感受电压的应变电阻外，还同时制作出感受温度和静压的元件，即把电压、温度、静压三个传感器中的敏感元件都集成在一起，组成带补偿电路的传感器，将电压、温度、静压这三个变量转换成三路电信号，分时采集后送入微处理器。微处理器利用这些数据信息，能产生一个高精确度的输出。图2-49中的ROM里存有微处理器工作的主程序。P ROM里所存内容则根据每台变送器的压力特性、温度特性而有所不同，它是在加工完成之后，经过逐台检验，分别写入各自的PD中使之依照其特性自行修正，保证在材料工艺稍有分散性因素下仍然能获得较高的精确度。

3.集成式智能传感器

集成式智能传感器将一个或多个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一芯片上。它的结构一般是三维器件，即立体器件。这种结构是在平面集成电路的基础上，一层一层向立体方向制作多层电路。这种传感器具有类似于人的五官与大脑相结合的功能。它的智能化程度是随着集成化程度提高而不断提高的。目前，集成式智能传感器技术正在起步，势必在未来的传感器技术中发挥重要的作用。如图2-50所示为三维多功能单片智能传感器的结构。在硅片上分层集成了敏感元件、传输线、存储器、运算器、电源和驱动等多个部分，将光电转换等检测功能和特征抽取等信息处理功能集成在同一块硅基片上。利用这种技术，可实现多层结构，将传感器功能、逻辑功能和记忆功能等集成在一块硅基片上，这是集成式智能传感器的一个重要发展方向。

2.6.3 智能传感器的功能与特点

1.智能传感器的功能

智能传感器是具有判断能力、学习能力和创造能力的传感器。智能传感器具有以下功能：

①具有自校准功能。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。

②具有自补偿功能。智能传感器在工作中可以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。

③具有自诊断功能。智能传感器在接通电源后，可以对传感器进行自检，检查各部分是否正常。在内部出现操作问题时，能够立即通知系统，通过输出信号表明传感器发生故障，并可诊断出发生故障的部件。

④具有数据处理功能。智能传感器可以根据内部的程序自动处理数据，如进行统计处理、剔除异常数值等。

⑤具有双向通信功能。智能传感器的微处理器与传感器之间构成闭环，微处理器不但能够接收、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。

⑥具有信息存储和记忆功能。

⑦具有数字信号输出功能。智能传感器输出数字信号，可以很方便地和计算机或接口总线相连。

2.智能传感器的特点

与传统的传感器相比，智能传感器主要有以下特点：

①利用微处理器不仅能提高传感器的线性度，而且能够对各种特性进行补偿。微处理器将传感器元件特性的函数及其参数记录在存储器上，利用这些数据可进行线性度及各种特性的补偿。即使传感元件的输入输出特性是非线性关系，也不要紧，重要的是传感元件具有良好的重复性和稳定性。

②提高了测量可靠性，测量数据可以存取，使用方便。对异常情况可做出应急处理，如报警或故障显示。

③测量精度高，对测量值可以进行各种零点自校准和满度校正，可以进行非线性误差补偿等多项新技术，因此测量精度及分辨率都得到了大幅度提高。

④灵敏度高，可进行微小信号的测量。

⑤具有数字通信接口，能与微型计算机直接连接，相互交换信息。

⑥多功能。能进行多参数、多功能的测量，是新型智能传感器的一大特色。

⑦超小型化、微型化、微功耗。随着微电子技术的迅速推广，智能传感器正朝着短、小、轻、薄的方向发展，以满足航空、航天及国际尖端技术领域的需求，并且为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。

图2-51是一种智能应力传感器的硬件结构图。智能应力传感器用于测量飞机机翼上各个关键部位的应力大小，并判断机翼的工作状态是否正常以及故障情况。它共有6路应力传感器和1路温度传感器，其中每一路应力传感器由4个应变片构成的全桥电路和前级放大器组成，用于测量应力大小。温度传感器用于测量环境温度，从而对应力传感器进行误差修正。采用单片机作为数据处理和控制单元。多路开关根据单片机发出的命令轮流选通各个传感器通道，0通道作为温度传感器通道，1～6通道分别为6个应力传感器通道。程控放大器则在单片机的命令下分别选择不同的放大倍数对各路信号进行放大。该智能式传感器具有较强的自适应能力，可以判断工作环境因素的变化，进行必要的修正，以保证测量的准确性。

通用的智能传感器具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、打印键盘监控及通过串口与计算机通信的功能，其软件采用模块化和结构化的设计方法，其软件结构如图2-52所示。主程序模块完成自检、初始化、通道选择以及各个功能模块调用的功能；其中信号采集模块主要完成数据滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正以及检索查表等功能；故障诊断模块的任务是对各个应力传感器的信号进行分析，判断设备各部分的工作状态及是否存在损伤或故障。

目前，智能传感器正向单片集成化的方向发展，借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理电路、接口电路和微处理器等制作在同一块芯片上，从而形成大规模集成电路。最终目标是具有对外界信息进行检测、逻辑判断、自行诊断、数据处理、自适应能力的集成一体化多功能传感器。