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)、國防建設(shè)和科學技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但與飛速發(fā)展的計算機相比較,作為“五官”的傳感器遠遠趕不上作為“大腦”的計算機的發(fā)展速度。

　　隨著測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展,要求傳感器準確度高、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、自補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。國外有的文章稱傳統(tǒng)的傳感器為Dumb sensor(愚蠢的、笨啞的傳感器) [1 ] 。另外,為制造高性能的傳感器,光靠改進材料工藝也很困難,需要利用計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合,彌補其性能的不足,計算機技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革,微處理器(或微計算機) 和傳感器相結(jié)合,產(chǎn)生功能強大的智能傳感器。國外稱為Intelligent sensor (智能傳感器) 或Smart2sensor (靈巧的、機敏的、智能傳感器) 。另外,傳統(tǒng)的傳感器一般只能測量一個參數(shù),有些場合需要同時測量多個參數(shù)的體積小的多功能傳感器?，F(xiàn)在多國科學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

智能傳感器是當今國際科技界研究的熱點,尚無統(tǒng)一的、確切的定義。本文不討論( In2telligent sensor 或Smart sensor) 兩個術(shù)語的區(qū)別,統(tǒng)稱為智能傳感器。

目前國內(nèi)外學者普遍認為,智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計算機) 相結(jié)合而構(gòu)成的,它充分利用計算機的計算和存儲能力,對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理,并能對它的內(nèi)部行為進行調(diào)節(jié),使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能傳感器的功能如下:

(1)自補償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應(yīng)時間等進行自動補償。

(2) 自校準功能:操作者輸入零值或某一標準量值后,自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。

(3) 自診斷功能:接通電源后,可對傳感器進行自檢,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,自動處理數(shù)據(jù),如進行統(tǒng)計處理,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,對測量過程進行調(diào)節(jié)和控制。

(6) 信息存儲和記憶功能。

(7) 數(shù)字量輸出功能:輸出數(shù)字信號,可方便的和計算機或接口總線相連。

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,檢測物理量的變化,而智能傳感器則包括測量信號調(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。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,智能傳感器的功能將逐步增強,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的智能,具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學習的功能,可以完成圖象識別、特征檢測、多維檢測等復雜任務(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(或微計算機) 及相關(guān)電路組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所

傳感器技術(shù)的新發(fā)展：智能傳感器和多功能傳感器

圖1 智能傳感器原理框圖

傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,送到信號調(diào)理電路中,進行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微計算機中。計算機是智能傳感器的核心,它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進行計算、存儲、數(shù)據(jù)處理,還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié)。由于計算機充分發(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或多個敏感器件與微處理器、信號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)水平下還很難實現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號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(Hybrid Smart2Sensor) 。目前這類結(jié)構(gòu)較多。初級的智能傳感器也可以有許多互相獨立的模塊組成,如將微計算機、信號調(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;把檢測鈉離子和鉀離子的敏感元件集成在一個基片上,制成測量血液中離子成分的傳感器;將檢測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)變計和溫度敏感元件,制成同時測量壓力和溫度的多功能傳感器,該傳感器還可以實現(xiàn)溫度補償。此外,日本學者還研制出其它多功能傳感器,如測量溫濕度和風速,測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,分別制作幾個傳感器并組裝起來。多功能傳感器和微處理機、信號處理電路結(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。宇宙飛船中需要測量大量參數(shù),有反映運行軌道的速度、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)若直接送到計算機中,無疑會增加主計算機的負擔,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)進行預處理,然后再傳送至主機進行集中處理。這就是在美國宇航局開發(fā)宇宙飛船時所開發(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,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,這恰是導彈、衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器所需要的,所以它們在航空航天領(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算機。特別是需要智能傳感器。

智能傳感器和多功能傳感器在機器人中有廣闊的應(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。特別是智能機器人,需要根據(jù)采集的信息進行識別、判斷、決策。智能傳感器如同人的五官,可以使機器人具有感知功能?，F(xiàn)在一些國家在研究開發(fā)可以識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、國防等各個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Honeywell 公司研制的DSTJ - 3000 智能壓差壓力傳感器在同一塊半導體基片上用離子注入法配置擴散了壓差、靜壓和溫度三個敏感元件,整個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),以實現(xiàn)非線性補償。Par Scientific 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別四種氣體嗅覺傳感器。智能傳感器是測量技術(shù)、半導體技術(shù)、計算技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學、材料科學互相結(jié)合的綜合密集型技術(shù)。目前各國科學家正在按下列技術(shù)途徑開發(fā)研究:

(1) 利用新型材料研制基本傳感器?；緜鞲衅魇侵悄軅鞲衅鞯幕A(chǔ),它的制作及其性能對整個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,可以直接和微機及接口總線連接,不用A/ D 轉(zhuǎn)換器。另外,光纖傳感器、化學傳感器、生物傳感器新型傳感器,為智能傳感器提供新的信息來源。