刘潇潇
中国电子科技集团第四十九研究所 黑龙江省 150028
摘要：随着现代科学技术的不断发展与完善，传感器正逐步向着工艺集成化、多变量复合化、智能化、以及网络化方向发展。智能传感器是正在高速发展的高新技术，至今还未形成统一的规范化定义，人们普遍人认为智能传感器具有对外界环境等信息进行自动收集、数据处理以及自诊断与自适应能力的传感器。
关键词：智能传感器；应用；发展趋势；展望
引言
智能传感器系统是一门现代综合技术，是当今世界正在迅速发展的高新技术，所以我们应该掌握只能传感器的设计，从而推动我国自动化的发展。
1.智能传感器的定义与功能
目前，智能传感器尚没有标准化的科学定义。归纳诸多学者的观点,笔者认为应模仿人的感官和大脑功能来定义智能传感器。本质上,它应定义为基于人工智能理论,利用微处理器实现智能处理功能的传感器。
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"能力。前者由传统的传感器来完成。此处的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(ADC),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
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。
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,处理器利用判断准则自适应地重构结构和重置参数。例如,自选量程,自选通道、自动触发、自动滤波切换和自动温度补偿等。
4)自诊断功能
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)其它的常用功能包括用于数据交换通信接口功能,数字和模拟输出功能及使用备用电源的断电保护功能等。
2.智能传感器的设计
在智能传感器的设计中应采用高精度的数据采集芯片。它的功能是以比较低的成本获得极高的分辨率，芯片上集成有多路开关、可编程增益放大器、增益及零点校正等, 可以直接处理传感器输出的微弱信号, 这样不但简化了设计, 而且在提高系统性能的同时降低了成本。
2.1传感模块
传感模块将各种物理量转换为电量，主要由具体的传感单元来实现，如温湿度传感单元、光敏传感单元及气敏传感单元等，其输出包括模拟量、数字量、开关量等。它需要对信号进行检测，这主要是通过对MAX1400的编程来实现的。MAX1400内部各部分电路的工作状态由一组内部寄存器控制。这些内部寄存器包括8个可单独寻址的寄存器。
其中通信寄存器主要控制对内部寄存器的访问；两个全局设置寄存器主要用来选择模拟输入通道、设置调制频率、数字抽取滤波器抽取因子、数字滤波器频率响应和其他工作状态；特殊功能寄存器用于控制整个器件；3个传输函数寄存器分别用来设置对应于3个模拟输入通道的PGA 增益和DAC 偏移量；数据寄存器用于保存转换结果。
2.2信号处理模块
信号处理模块以微处理器为核心，主要完成A\D 转换、数字信号处理和数据输出调度。从智能传感器高可靠性、低功耗、微体积等特点来考虑，选用Winbond 公司的W78E58 单片机，该型号的单片机性价比高、速度快、程序空间大，能很好地满足设计要求。信号处理单元包含微处理芯片和存储器。一方面用来存储传感器的物理特征: 偏移、灵敏度、校准参数,甚至传感器的厂家信息，另一方面微处理器需要根据实际的需要对传感器的输入进行处理和变换, 用来实现数据的处理和补偿, 以及输出校准。网络接口实现智能传感器之间以及它们与检测控制设备之间的互连, 设计中必须保证网络中所有的节点能够满足共同的协议, 实现即插即用功能, 它是对网络中的每个设备最基本的要求。
2.3通讯模块
通讯模块用来实现本地数据的远程传送及接收远程控制命令等。工业应用中采用的网络形式有多种，现在一般都采用各种现场总线等，我们可以在PC 机上广泛使用的TCP\IP 协议，这是因为TCP\IP协议已经成为计算机网络通信中的事实标准协议, 它具有开放性、低成本、高速度、高可靠性等特点, 而且连网方便, 有众多的应用和开发软件。实现网络接口的方式一般有两种: 软件方式和硬件方式。软件方式是开发者将所采用的协议模式嵌入到特定的芯片中，这种方式的优点是成本低，但实施起来具有一定的困难；硬件方式是直接使用已经嵌入了协议的芯片，使用这些芯片操作简单、使用方便，但它所需要的成本太高，利用这些芯片组网动辄几千元。综合考虑实现的方便性及设备的成本问题, 这里采用的是软硬件结合的方式，就是把协议写入到单片机中，用单片机驱动8029 芯片的网卡来实现网络接口。
3.传感器技术的发展趋势
人工智能材料和智能传感器，在最近几年以及今后若干年的时间内，仍然是世人瞩目的一门科学。虽然，人工智能材料及智能器材的研究已向前迈进了重要的一步。但是，目前，人们还不能随意地设计和创造人造思维系统，而只是处在实验室中开拓研究的初级阶段。今后人工智能材料和智能传感器的研究内容主要集中在如下几个方面。
3.1利用微电子学，使传感器和微处理器结合在一起实现各种功能的单片智能传感器，仍然是智能传感器的主要发展方向之一。例如，利用三维集成（3DIC）及异质结技术研制高智能传感器“人工脑”这是科学家近期的奋斗目标。日本正在用3DIC技术研制视觉传感器就是其中一例。
3.2利用生物工艺研制传感器功能材料。以此技术为基础研制分子生物传感器是一门新兴学科，是一种超前技术。这门技术在敏感原理、材料及工艺等方面都属高层次研究。可以预测，这项工作的开展必将促进传感器技术产生一次新飞跃。
3.3超导及超导传感器是当今全世界范围内科学家研究的重要课题之一。超导传感器是利用某些材料，当温度接近绝对零度时，其电阻几乎为零，在其上施加电流时，电流将会无限止地流动下去的这种超导特性而研制的一种传感器。研究发现，在超导体中，电子可以穿过极薄的绝缘层，这个现象称为超导隧道效应。超导体中存在正常电子和超导电子对两种电子。因此超导效应有电子隧道效应和电子对隧道效应。利用具有这些效应的超导体可制作高速开关、电磁波探测装置、超导量子干涉器件SCQID（Super Conduction Quantum Interecs Devices）等。
4.结语
当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。
参考文献
[1]张佳薇，孙丽萍，宋文龙.传感器原理与应用[M].哈尔滨：东北林业大学出版社，2013.