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有关智能传感器的深度解读分享

2022-05-27 11:13阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5618177803

什么是智能传感器？
传感器是现代信息技术的重要组成部分，是人类收集信息的工具。传统意义上的传感器的输出大多是模拟信号，它们不具备信号处理和网络功能，但需要连接到特定的测量设备来完成信号处理和传输功能。智能传感器可以通过标准接口对原始数据进行内部处理，与外界交换数据，并根据实际需要通过软件控制改变传感器的工作，实现智能化和网络化。智能传感器采用标准总线接口，具有良好的开放性和可扩展性，为系统的扩展提供了很大的发展空间。
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智能传感器的概念最早由NASA在航天器开发过程中提出，并于1979年形成产品。航天器上的大量传感器需要不断向地面或航天器上的处理器发送温度、位置、速度和姿态等数据信息。即使是一台大型计算机也很难同时处理如此大量的数据。此外，航天器限制了计算机的尺寸和重量，因此希望传感器本身具有信息处理功能，因此传感器将与微处理器结合，出现智能传感器。
智能传感器是一种新型传感器，能够获取和识别被测对象的特定信息，学习、推断、判断和处理信号，并具有通信和管理功能。智能传感器具有自动调零、校准、补偿和收集数据的能力。它的能力决定了智能传感器与传统传感器相比还具有更高的精度和分辨率、更高的稳定性和可靠性、更好的适应性，以及非常高的性价比。
在早期的智能传感器中，传感器的输出信号经过处理和转换，然后通过接口发送到微处理器进行计算处理。20世纪80年代，智能传感器主要以微处理器为核心，将传感器信号处理电路、微电子计算机存储器和接口电路集成到一个芯片中，使传感器具有一定的人工智能
。20世纪90年代，智能测量技术进一步完善，使传感器实现了小型化、结构集成化、阵列式、数字化、操作简单、易于操作和自诊断功能、存储和信息处理功能。数据存储功能、多参数测量功能、网络通信功能、逻辑思维和判断功能。
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智能传感器大致可分为三类：判断传感器、学习传感器和创意传感器。
智能传感器的结构
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智能传感器系统主要由传感器、微处理器及相关电路组成，如图所示，传感器将测得的理化量转换成相应的电信号，送入信号调制电路，经滤波、放大、A/D转换后送入微处理器。微处理器对接收到的信号进行计算、存储和分析后，一方面通过反馈回路对传感器和信号调理电路进行调节，实现对测量过程的调节和控制，另一方面将处理结果经接口电路处理后传输到输出接口，根据输出格式和接口适配输出数字化测量结果。微处理器是智能传感器的核心，因为微处理器充分利用了各种软件的功能，使传感器智能化，大大提高了传感器的性能。
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智能传感器的特点
高精度
智能传感器可以通过自动零点校准消除零点，自动进行全系统校准，非线性校正系统误差，如与标准参考基准进行实时比较，实时采集大量数据进行分析和处理，消除偶然误差的影响，调整智能传感器的高精度。
高可靠性和高稳定性
智能传感器能自动补偿因工况、环境参数等变化引起的系统特性漂移，判断采集数据的合理性，并自动对异常情况进行应急处理。
高信噪比和高分辨率
由于智能传感器具有数据存储、存储和信息处理的功能，可以去除输入数据中的噪声，通过数字滤波等相关分析处理，自动提取有用数据；通过数据融合和神经网络技术，可以消除多参数状态碰撞中的交叉敏感性。
适应性强
智能传感器具有判断、分析和处理功能，可根据系统的工作条件确定各部件的供电情况和上位机的数据传输速率，使系统处于低功耗的最佳状态，优化传输效率。
更高的性价比
智能传感器的高性能不是通过追求传感器本身的完美，仔细设计和调试传感器的各个方面，以及像传统传感器技术一样制作“工艺品”来实现的。利用微处理器和集成电路的结合，不仅价格低廉，而且具有强大的软件价值。
智能传感器的关键功能
智能传感器的功能是通过模拟人类感官和大脑的协调动作，结合多年的测试技术研究和实践经验提出的。它代表一个相对独立的智能单元。它的出现降低了对原始硬件性能的苛刻要求，并依靠软件的帮助大大提高了传感器的性能。
智能传感器通常可以执行以下功能：
1.复合敏感功能
我们观察周围的自然现象。常见的信号包括声音、光、电、热、电和化学物质。传感器组件通常以两种方式测量：直接测量和间接测量。智能传感器具有复合功能，可以同时测量各种物理量和化学量，并提供能够全面反映物质运动规律的信息。例如，美国加利福尼亚大学开发的复合液体传感器可以同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GIC传感器公司开发的复合机械传感器可以同时测量物体特定点的三维振动加速度、速度、位移等。
2.适应功能
当条件发生变化时，智能传感器可以在一定程度上自动调整其特性以适应这种变化。通过使用自适应技术，自适应技术可以延长一个或多个设备的寿命，因为它们可以补偿由老化组件引起的参数漂移。此外，它还可以自动适应不同的环境条件，从而扩大了工作范围。自适应技术提高了传感器的重复性和准确性。因为其校正和补偿值不再是平均值，而是测量点的实际校正值。
3.自检、自校准和自诊断功能
普通传感器必须定期检查和校准，以确保在正常使用期间具有足够的精度。这些任务通常要求从现场拆卸传感器，并将其送往实验室或检验部门。无法诊断在线测量传感器异常时间。有了智能传感器，情况发生了巨大变化。首先，自诊断功能执行通电自检，即确定部件是否有故障的诊断测试。其次，它可以根据使用时间进行在线校正，微处理器使用存储在E2PROM中的测量特性进行比较和验证。
4.信息存储功能
信息往往是成功的关键：智能传感器可以存储大量信息，用户可以随时查询。此类信息可包括设备的历史信息。例如，传感器工作了多少小时，更换了多少次电源等。它还包括所有传感器数据和图表，以及配置选择指南等。此外，还包括序列号、生产日期、目录表和最终工厂测试结果。内容可以是无限的，只受智能传感器本身存储容量的限制。除了扩展过程数据处理、自诊断、配置和信息存储功能外，智能传感器还提供数字通信能力和适应性。
5.数据处理功能
过程数据处理是一项非常重要的任务，智能传感器本身提供了这一功能。智能传感器不仅可以放大信号，还可以将其数字化，然后使用软件实现信号调节。通常，简单的传感器不能提供线性信号，过程控制的一个重要目标是线性。智能传感器可以通过查表将非线性信号线性化。当然，必须为每个传感器单独创建此数据表。智能传感器过程数据处理的另一个例子是通过数字滤波器对数字信号进行滤波，这可以减少噪声或其他相关影响的干扰。用软件设计复杂的滤波器比用分立的电子电路设计复杂得多。补偿环境影响也是数据处理中的一项重要任务。微控制器可以帮助提高信号检测的准确性。例如，可以通过测量基本传感元件的温度来获得正确的温度补偿系数，从而实现信号的温度补偿。非线性补偿和其他更复杂的补偿也可以在软件中实现。这是因为查找表可以生成几乎任何形状的曲线。有时，为了报告各自的数据，需要测量和处理几个不同的物理量。智能传感器徽章控制器使用户可以轻松地对多个信号进行加法、减法、乘法和除法。智能传感器可以在过程数据处理中发挥作用。
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将这些操作从中央控制室移开，靠近信号产生点也将是有益的。首先，向控制室发送额外信号的成本很高，而智能传感器消除了额外传感器和接线的成本。第二种是在信息应用点捕获附加信息，大大减少了远程传输带来的负面影响（如噪声、电位差等），使信号更加准确。三是简化主控制器软件，提高控制回路速度。
6.配置功能
智能传感器的另一个重要功能是配置选项。信号应该多久放大一次？温度传感器是否以摄氏度或华氏度为单位报告温度？有了智能传感器，用户可以选择他们想要的配置。例如，检测范围、可编程开/关延迟、组选择计数器、常开/常闭、8/12位分辨率选择等。这些只是当今众多智能传感器配置中的一小部分。灵活的配置功能大大减少了用户设计和更换所需不同传感器类型和数量的需要。使用智能传感器配置功能可以使同一类型的传感器在最佳状态下工作，并在不同的场合执行不同的任务。
7、数字通信功能
如上所述，由于智能传感器可以生成大量信息和数据，普通传感器的单一连接无法为设备的数据提供必要的输入和输出。然而，lead不能用于所有信息，因为这会使系统非常复杂。因此，需要一个灵活的串行通信系统。在流程工业中，点对点串联和串联网络很常见，今天的总趋势是串联网络。由于智能传感器本身有一个微控制器，因此它本身是数字的，因此有必要配置带有外部连接的数字串行通信。这是因为串行网络比传统模拟信号更能抵抗环境影响（如电磁干扰）。通过与设备进行串行通信，可以有效地管理信息传输，从而只在需要时输出数据。
智能传感器的实现方法
智能传感器的实现目前在传感器发展的三条道路上进行：a）通过计算机合成，即智能合成；b）通过特殊功能材料，即智能材料；c）通过功能化几何结构，即智能结构。智能综合是传感器设备和微处理器的结合，是目前的主要方式。
根据传感器和计算机的综合方法，当前的传感器技术采用以下三种具体方式来实现智能传感器。
1.非综合模块化方法
非集成式智能传感器是一种智能传感器系统，由传统的基本传感器、信号调理电路和带有数字总线接口的微处理器组成。在现场总线控制系统发展的推动下，这种非集成的智能传感器正在迅速发展。自动售货机厂家生产过程中的原有设备基本不变，由一块带数字总线接口的微处理器板组成，并配有通讯、控制、自校准、自补偿等智能功能。自诊断软件实现智能传感器功能。这是构建智能传感器最经济、最快速的方法。
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2.综合实现
这种智能传感器系统采用微加工技术和大规模集成电路技术，以硅为基本材料制造敏感元件、信号调理电路和微处理器单元，并将它们集成在一个芯片上。该集成实现了智能传感器的小型化和结构集成，提高了精度和稳定性。在敏感元件形成阵列后，通过适当的图像处理软件，可以实现图形映射，形成多维图像传感器。此时，智能传感器已达到其最先进的形式。
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3.混合实现
智能传感器系统在单芯片上的实现带来了许多无法解决的挑战。根据需要和可能性，系统的每个集成连接（例如敏感单元、信号调节电路、微处理器单元、数字总线接口）可以以不同的组合集成在两个或三个芯片上，并安装在一个外壳中。
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智能传感器的发展与趋势
发展趋势
1.向高精度发展
随着自动化生产水平的提高，对传感器的要求也越来越高：必须开发高灵敏度、高精度、快速响应和良好互换性的新型传感器，以确保生产自动化的可靠性。
2.向高可靠性和宽温度范围发展
传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能。开发高可靠性、宽温度范围的传感器将是一个永恒的方向。利用陶瓷等新材料开发传感器将大有可为。
3.向小型化发展
各种控制仪表和装置的功能越来越强大，每个部件的体积越小，传感器本身就越小。这就需要开发新材料和加工技术。硅材料制成的传感器体积已经很小。例如，传统的加速度计是由重力块和弹簧制成的，它们体积大、脆弱、寿命短，而采用激光等各种微处理技术制成的硅加速度计体积小，可互换性好。性更好。
4.向微功耗和被动发展
传感器一般是将非电转换为电，工作时电源是不可分割的。在野外或远离电网的地方，它们通常由电池或太阳能供电。因此，开发具有微功耗的传感器和无源传感器的发展方向势在必行，这样可以节约能源，提高系统的使用寿命。目前，低功耗芯片发展迅速，如B.T12702运放，静态功耗仅为1.5A，工作电压仅为2~5V。
5.迈向智能化数字发展
随着现代化的发展，传感器的功能已经突破了传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号（如0~10mV），而是由微机处理的数字信号。，有些甚至具有被称为数字传感器的控制功能。
6.网络发展
网络化是传感器发展的一个重要方向，网络的作用和好处开始显现。网络传感器必将推动电子技术的发展。
发展重点
1.通过机器智能进行错误检测和预测。任何系统都必须在潜在问题出错并产生严重后果之前检测或预测它们。目前，还没有定义良好的异常状态模型，异常状态检测技术仍然缺乏。迫切需要将传感器信息和知识结合起来，以提高机器的智能性。
2.在正常情况下，可以高精度、高灵敏度地检测目标的物理参数，但在检测异常情况和故障方面进展甚微。因此，迫切需要对故障进行检测和预测，并应大力开发和应用。
3.当前的传感器技术可以在单个点上精确检测物理或化学量，但难以检测多维状态。例如，特征参数分布广泛、具有时空相关性的环境测量也是一个亟待解决的难题。因此，有必要加强多维状态检测的研究与开发。
4.用于目标成分分析的遥感。化学成分分析主要基于样品物质，有时目标物质的取样很困难。与测量平流层臭氧水平一样，遥感是必不可少的，光谱法与雷达或激光探测技术相结合是一种可能的方法。无样品部件的分析容易受到传感器系统和目标部件之间各种噪声或介质的干扰，传感器系统的机器智能有望解决这一问题。
5.传感器智能，实现资源的高效回收。现代制造系统已经实现了从原材料到产品的高效自动化生产过程，当产品不再使用或废弃时，循环过程既没有效率，也没有自动化。如果可再生资源的回收能够有效地、自动地进行，就可以有效地防止环境污染和能源短缺，实现生命周期资源管理。对于自动化和高效的循环过程，使用机器智能来区分目标组件或特定组件是智能传感器系统的一项非常重要的任务。
研究热点
1.探索物理转化的机制
数字输出是智能传感器的典型特征之一。它不仅仅是通过模数转换进行的简单数字化，而是一个机构的数字输出。其中，谐振式传感器具有直接数字输出、高稳定性、高重复性、强抗干扰能力、高分辨率和测量精度等优点。传统光电传感器的频率信号检测需要更复杂的设计，这限制了其在工业领域的广泛应用和发展。目前，它只需在同一片硅芯片上集成一个智能检测电路，就能快速提取频率信号，因此谐振式微机械传感器已成为国际上的研究热点。
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2.多数据融合研究
数据融合是一种数据合成和处理技术，代表了许多传统学科和新技术的集成和应用，如B.通信、模式识别、决策理论、不确定性理论、信号处理、估计理论、优化处理、计算机科学、人工智能和神经网络等，数据融合已成为集成智能传感器理论的一个重要领域和研究热点。也就是说，对来自多个来源的多个传感器或信息进行广泛的处理和评估，以提供更准确可靠的结论。因此，对于多传感器阵列而言，数据融合技术可以充分展示每个传感器的特性，充分利用它们的互补性和冗余性，提高测量信息的准确性和可靠性，延长系统的使用寿命。近年来，数据融合引入了遗传算法、小波分析技术和虚拟技术。
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智能传感器是传感器发展的总趋势，已经引起了世界各国的关注和认可，可以说智能传感器是一种很有前途的新型传感器。未来，随着硅微加工技术的发展，新一代智能传感器的功能将会增加。它将利用人工神经网络、人工智能、信息处理技术等为传感器带来更先进的智能功能，同时也将向微传感器、微执行器、微处理器和微系统发展。
说出智能传感器应用领域的黑色技术
分子传感器
虽然历史上有在“隐形墨水”中使用化学品的技术需要加密，但改进的检测方法使得难以确保未经授权的人无法读取隐藏的信息。为了应对这种情况，以色列魏茨曼科学研究所的戴维·马古利斯和他的研究团队开发了一种荧光分子传感器，可以通过产生特定的荧光发射光谱来区分不同的化学物质。鉴于最近对全球电子监控的担忧，该传感器提供了绕过电子通信系统的安全手段。
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无线传感器
近年来，健身跟踪器已成为一种越来越流行的可穿戴技术。但是加利福尼亚大学的工程师伯克利将这一概念进一步发展，开发了微型无线传感器来检测人体的健康状况。据报道，这些设备已经缩小到了一立方毫米，大约一粒尘埃大小，被称为“神经尘埃”。这些传感器可以植入人体，实时检测组织、肌肉和神经。
无线传感器越来越多地应用于工业、农业、军事、航空、建筑、医疗、环保等领域。深圳新力科技长期致力于各类无线传感器的设计和开发，为基于无线传感器网络的无线数据采集、传输和监控系统提供解决方案。例如，无线温湿度传感器、无线压力传感器、无线温度传感器、无线气体传感器、无线液位传感器等。在智能农业、智能温室环境监测系统、智能养殖环境监测系统、仓储环境监测系统、，智能管网监测系统、重大危险源环境监测系统、能源管理系统、大气环境质量监测系统、智能制造监测系统等。
生物发光传感器
生物发光传感器实际上是范德比尔特大学的一群科学家通过基因改造生物酶荧光素酶发明的一种新型研究方法。研究人员称，这种新型传感器可以用来跟踪大脑中大型神经网络的内部相互作用。
人工毛发传感器
对人类来说，皮肤不仅是保护我们免受灰尘和细菌侵害的屏障，也是我们感知外部环境变化的媒介。随着研究人员对机器人技术的进步，他们也在努力创造出功能类似于真实皮肤的机器人。中国哈尔滨工业大学材料科学教授何晓东和他的同事在这一领域进行了创新，他们开发了一种新技术，模拟人体表面的细毛，并将感官信息传输给机器人。研究人员用30微米的金属丝替换头发，并在硅橡胶中嵌入一系列微小的金属丝，这一系列金属丝的功能是为人造皮肤带来外部信息。研究结果可用于感觉假肢或相应的健康设备。
复合式触摸传感器
目前，大多数机器人触摸传感器只有力传感器，因此只能检测物体的硬度和纹理，使得机器人的异物检测精度非常低。但与传统的力传感器相结合，复合触摸传感器可以帮助机器人识别物体的组成。利用这一原理，美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的专家展示了一种由导电和非导电材料以及热敏电阻制成的“皮肤”，他们为发热机器人设计了这种皮肤。
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空气传感器
TZOA推出了一种新的空气传感器。不用说，这是一个传感器，可以收集有关空气质量的信息，包括颗粒的类型和数量，以及它们是否含有有害化学物质。该设备还可以保护胎儿和儿童免受损害大脑发育的污染物的影响。未来，该公司计划在中国和印度销售户外污染设备，在美国销售室内污染设备。TZOA还开发了哮喘设备，可以帮助识别哮喘发作的诱因。
促进睡眠的“感觉”传感器
据报道，詹姆斯在英国伦敦发明了一种名为“感知”的睡眠传感器。据了解，“感知”传感器可以自动调节光线，控制加热，甚至播放舒缓的音乐，以促进人类按照主人的规定睡眠，并在睡眠期间将环境调整到最舒适的状态。它还监测噪音、光线、温度、湿度和空气质量，并对用户的夜间睡眠进行排名。
肌电传感器
传感器一直在医疗保健领域发挥着重要作用，因为它们处于数据收集的前沿。EMG传感器是上海成电自主研发的一种电荷传感器，具有采样率高、抗干扰能力强、滤波效果好等特点。该传感器已成功应用于康复医学和仿生修复，并将扩展到未来的行业，如VR/AR、健身和人体外骨骼。
温度传感器
SirenCare是一家致力于监测糖尿病患者健康状况的初创公司，它开发了一款智能袜子，使用温度传感器检测患者是否有炎症，从而实时监测糖尿病患者的健康状况。与其他公司之前开发的靴子和鞋垫相比，Siren的袜子更贴近皮肤。传感器被编织到袜子中，可以随时检测脚部炎症，所有检测到的信息都将上传到智能手机上的应用程序中，以便患者随时了解自己的脚部状况。
皮肤传感器
据报道，日本研究人员最近发明了一种低成本、类似创可贴的集成传感器。这种集成到带式传感器中的传感器是一种柔性装置，可以随意安装在身体上。它可以监测人类活动量、心跳次数和紫外线强度。它可以用于医疗管理和物联网等领域。粘贴式皮肤传感器通过最新开发的打印技术打印在薄塑料膜上。与以前的半导体传感器制造技术相比，成本非常低，并且考虑了方便性和低成本。
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