智能傳感器

簡介

　　自動化領(lǐng)域所取得的一項最大進展就是智能傳感器的發(fā)展與廣泛使用。但究竟什么是“智能”傳感器？下面，來自6個傳感器廠家的專家對這一術(shù)語進行了定義。

　　據(jù)Honeywell工業(yè)測量與控制部產(chǎn)品經(jīng)理TomGriffiths的定義：“一個良好的‘智能傳感器"是由微處理器驅(qū)動的傳感器與儀表套裝，并且具有 通信 與板載診斷等功能，為監(jiān)控系統(tǒng)和/或操作員提供相關(guān)信息，以提高工作效率及減少維護成本?！敝悄軅鞲衅骷闪藗鞲衅?、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復雜性、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。[1]編輯本段通信

　　無故障通信

　　“智能傳感器的優(yōu)勢，”GEFanuc自動化公司控制器產(chǎn)品經(jīng)理BillBlack說，“是能從過程中收集大量的信息以減少宕機時間及提高質(zhì)量?！盡TS傳感器公司Temposonics（磁致伸縮位移傳感器）產(chǎn)品經(jīng)理DavidEdeal對此補充說：“分布式智能的基本前提是，在適當位置和時間擁有有關(guān)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件的狀態(tài)的全部知識，以進行‘最優(yōu)的"過程控制決策?！?/p>

　　Cognex公司Checker機器視覺部產(chǎn)品營銷經(jīng)理JohnKeating繼續(xù)補充說，“對于一種真正的‘智能"（機器視覺）傳感器，它應(yīng)該不需要使用者懂得機器視覺。”

　　智能傳感器必須具備通信功能?！白钇鸫a，除了滿足最基本應(yīng)用的反饋信號，‘智能"傳感器必須能傳輸其它信息。”Edeal表示。這可以是疊加在標準4-20mA過程輸出、總線系統(tǒng)或無線安排上的HART（可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議）信號。該領(lǐng)域正在增長的因素是IEEE1451——一系列旨在為不同廠家生產(chǎn)的傳感器提供即插即用能力的智能傳感器接口標準。

　　診斷程序

　　智能傳感器可對其運行的各個方面進行自監(jiān)控，包括“攝像頭的污濁，超容忍限或不能開關(guān)等，”GEFanuc自動化公司的Black說。Pepperl+Fuchs公司智能系統(tǒng)經(jīng)理HelgeHornis補充說，“（除此之外），還有線圈監(jiān)控功能，目標超出范圍或太近。”它也可以對工況的變化進行補償?！啊悄?傳感器，”O(jiān)mron電子有限公司戰(zhàn)略創(chuàng)意總監(jiān)DanArmentrout表示，“必須首先能監(jiān)視自身及周圍的環(huán)境，然后再決定是否對變化進行自動補償或?qū)ο嚓P(guān)人員發(fā)出警告?！?/p>

　　很多智能傳感器都能重裝到控制現(xiàn)場，通過提供“可設(shè)置參數(shù)，使用戶能替換一些‘標準"傳感器，”Hornis說道，“例如，典型的傳感器一般都設(shè)置為常開（NO）或常關(guān)（NC），而智能傳感器則能設(shè)置為以上任何一種狀態(tài)?！?/p>

　　智能傳感器擁有很多優(yōu)勢。隨著嵌入式計算功能的成本繼續(xù)減少，“智能”器件將被更多地應(yīng)用。獨立的內(nèi)部診斷功能可避免代價高昂的宕機，從而迅速收回投資

定義

　　智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒有形成規(guī)范化的定義。早期，人們簡單、機械地強調(diào)在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結(jié)合，認為“傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。

　　關(guān)于智能傳感器的中、英文稱謂，尚未有統(tǒng)一的說法。JohnBrignell和NellWhite認為“IntelligentSensor”是英國人對智能傳感器的稱謂，而“SmartSensor”是美國人對智能傳感器的俗稱。而JohanH.Huijsing在“IntegratedSmartSensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“SmartSensor”、“IntegratedSmartSensor”。對“SmartSensor”的中文譯名有譯為“靈巧傳感器”的，也有譯為“智能傳感器”的。

　　《智能傳感器系統(tǒng)》書上的定義：“傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器就是智能傳感器(系統(tǒng))”；模糊傳感器也是一種智能傳感器(系統(tǒng))，將傳感器與微處理器集成在一塊芯片上是構(gòu)成智能傳感器(系統(tǒng))的一種方式。（《智能傳感器系統(tǒng)》，劉君華，西安電子科技大學出版社）

　　《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》書上的定義：所渭智能式傳感器就是一種帶行微處理機的，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。（《現(xiàn)代新型傳感器原理與應(yīng)用》，劉迎春，葉湘濱等，國防工業(yè)出版社，2000.5）[2]編輯本段功能

　　概括而言，智能傳感器的主要功能是：

　　(1)具有自校零、自標定、自校正功能；

　　(2)具有自動補償功能；

　　(3)能夠自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；

　　(4)能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障；

　　(5)具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能；

　　(6)具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能；

　　(7)具有判斷、決策處理功能。

　　可實現(xiàn)的功能

　　智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結(jié)合長期以來測試技術(shù)的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元，它的出現(xiàn)對原來硬件性能苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。

　　1、信息存儲和傳輸——隨著全智能集散控制系統(tǒng)(SmartDistributedSystem)的飛速發(fā)展，對智能單元要求具備通信功能，用通信網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式進行雙向通信，這也是智能傳感器關(guān)鍵標志之一。智能傳感器通過測試數(shù)據(jù)傳輸或接收指令來實現(xiàn)各項功能。如增益的設(shè)置、補償參數(shù)的設(shè)置、內(nèi)檢參數(shù)設(shè)置、測試數(shù)據(jù)輸出等。

　　2、自補償和計算功能——多年來從事傳感器研制的工程技術(shù)人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣，放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復性好，利用微處理器對測試的信號通過軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對漂移和非線性進行補償，從而能獲得較精確的測量結(jié)果壓力傳感器。

　　3、自檢、自校、自診斷功能——普通傳感器需要定期檢驗和標定，以保證它在正常使用時足夠的準確度，這些工作一般要求將傳感器從使用現(xiàn)場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行。對于在線測量傳感器出現(xiàn)異常則不能及時診斷。采用智能傳感器情況則大有改觀，首先自診斷功能在電源接通時進行自檢，診斷測試以確定組件有無故障。其次根據(jù)使用時間可以在線進行校正，微處理器利用存在EPROM內(nèi)的計量特性數(shù)據(jù)進行對比校對。

　　4、復合敏感功能——我們觀察周圍的自然現(xiàn)象，常見的信號有聲、光、電、熱、力、化學等。敏感元件測量一般通過兩種方式：直接和間接的測量。而智能傳感器具有復合功能，能夠同時測量多種物理量和化學量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GICSensors公司研制的復合力學傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度（加速度傳感器）、速度（速度傳感器）、位移（位移傳感器），等等。

　　5、智能傳感器的集成化----由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展使得傳感器與相應(yīng)的電路都集成到同一芯片上，而這種具有某些智能功能的傳感器叫作集成智能傳感器集成智能傳感器的功能有三個方面的優(yōu)點：較高信噪比：傳感器的弱信號先經(jīng)集成電路信號放大后再遠距離傳送，就可大大改進信噪比。改善性能：由于傳感器與電路集成于同一芯片上，對于傳感器的零漂、溫漂和零位可以通過自校單元定期自動校準，又可以采用適當?shù)姆答伔绞礁纳苽鞲衅鞯念l響。信號規(guī)一化：傳感器的模擬信號通過程控放大器進行規(guī)一化，又通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，微處理器按數(shù)字傳輸?shù)膸追N形式進行數(shù)字規(guī)一化，如串行、并行、頻率、相位和脈沖等。

特點

　　智能式傳感器是一個以微處理器為內(nèi)核擴展了外圍部件的計算機檢測系統(tǒng)。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著特點：1.提高了傳感器的精度

　　智能式傳感器具有信息處理功能，邊過軟件不儀可修正各種確定性系統(tǒng)誤差(如傳感器輸入輸出的非線性誤差、服度誤差、零點誤差、正反行程誤并等)而且還可適省地補償隨機誤差、降低噪聲，大大提高了傳感器精度。

　　2.提高了傳感器的可靠性

　　集成傳感器系統(tǒng)小型化，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些不可靠Jd素，改善丁整個系統(tǒng)的抗干擾件能；同時它只有門診斷、巴校淮和數(shù)據(jù)存儲功能(對于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能)，具有良好的穩(wěn)定性。

　　3.提高了傳感器的性能價格比

　　在相同精度的需求下，多功能智能式傳感器名單一功能的普通傳感器相比，性能價格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機后更為明顯。

　　4.促成了傳感器多功能化

　　智能式傳感器可以實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量，qJ編程擴大測量與使用范圍；有定的自適應(yīng)能力，根據(jù)檢測對象或條件的改變，相應(yīng)地改變量程反輸出數(shù)據(jù)的形式；具有數(shù)字通信接口功能，直接送入遠地計算機進行處理；具釘多種數(shù)據(jù)輸出形式(如Rs232串行輸批，PIO并行輸出，IEE-488總線輸出以及經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等)，適配各種應(yīng)用系統(tǒng)。

　　發(fā)展進步

　　電子自動化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展與進步促使傳感器技術(shù)、特別是集成智能傳感器技術(shù)日趨活躍發(fā)展，隨著半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外一些著名的公司和高等院校正在大力開展有關(guān)集成智能傳感器的研制，國內(nèi)一些著名的高校和研究所以及公司也積極跟進，集成智能傳感器技術(shù)取得了令人矚目的發(fā)展。國產(chǎn)智能傳感器逐漸在智能傳感器領(lǐng)域邁開步伐，西安中星測控生產(chǎn)的PT600系列傳感器，采用國際上一流傳感器芯體、變送器專用集成電路和配件，運用軍工產(chǎn)品的生產(chǎn)線和工藝，精度高，穩(wěn)定性好，成本低，采用高性能微控制器（MCU），同時具備數(shù)字和模擬兩種輸出方式，同時針對用戶的特定需求（如組網(wǎng)式測量，自定義通訊協(xié)議），均可在原產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，周期極短，為用戶節(jié)省時間，提高效率。已廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、礦山、機械、大壩、地質(zhì)、水文等行業(yè)中測量各種氣體和流體的壓力、壓差、流量和流體的高度和重量。

　　應(yīng)用與方向

　　智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域中。例如，它在機器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景，智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能，可感知各種現(xiàn)象，完成各種動作。

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，利用傳統(tǒng)的傳感器無法對某些產(chǎn)品質(zhì)量指標（例如，黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等）進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產(chǎn)品質(zhì)量指標有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量（如溫度、壓力、流量等），利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)技術(shù)建立的數(shù)學模型進行計算，可推斷出產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　在醫(yī)學領(lǐng)域中，糖尿病患者需要隨時掌握血糖水平，以便調(diào)整飲食和注射胰島素，防止其它并發(fā)癥。通常測血糖時必須刺破手指采血，再將血樣放到葡萄糖試紙上，最后把試紙放到電子血糖計上進行測量。這是一種既麻煩又痛苦的方法。美國Cygnus公司生產(chǎn)了一種“葡萄糖手表”，其外觀像普通手表一樣，戴上它就能實現(xiàn)無疼、無血、連續(xù)的血糖測試?！捌咸烟鞘直怼鄙嫌幸粔K涂著試劑的墊子，當墊子與皮膚接觸時，葡萄糖分子就被吸附到墊子上，并與試劑發(fā)生電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電流。傳感器測量該電流，經(jīng)處理器計算出與該電流對應(yīng)的血糖濃度，并以數(shù)字量顯示。

推動產(chǎn)業(yè)升級

　　智能傳感器作為廣泛地系統(tǒng)前端感知器件，既可以助推傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，例如，傳統(tǒng)工業(yè)的升級、傳統(tǒng)家電的智能化升級；又可以對創(chuàng)新應(yīng)用進行推動，比如機器人、VR/AR（虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實）、無人機、智慧家庭、智慧醫(yī)療和養(yǎng)老等領(lǐng)域。

　　在工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)企業(yè)面臨人力成本提高、市場需求下降等問題，傳統(tǒng)企業(yè)開始從勞動密集型轉(zhuǎn)向自動化、智能化。在整個轉(zhuǎn)型中，智能傳感器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，推動傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

　　2015年我國傳感器市場規(guī)模達1100億元，預(yù)計到2020年將達到2115億元，年復合增長率達到14%。但是由于國內(nèi)傳感器企業(yè)技術(shù)水平、生產(chǎn)工藝、規(guī)模和盈利能力等方面的差距導致國內(nèi)傳感器市場高度依賴進口。特別是高端傳感器方面，由于種類多、跨學科研發(fā)技術(shù)水平高、開發(fā)成本大，企業(yè)不愿承擔開發(fā)風險，造成我國高端傳感器基本依靠進口。2015 年，我國中高端傳感器進口比例達到80%。

　　智能傳感技術(shù)是智能制造和物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，作為前端感知工具，具有非常重要的意義。