智能感測器

自動化領域所取得的一項最大進展就是智能感測器的發展與廣泛使用。但究竟什麼是“智能”感測器？下面，來自6個感測器廠家的專家對這一術語進行了定義。

據Honeywell工業測量與控制部產品經理Tom Griffiths的定義：“一個良好的‘智能感測器’是由微處理器驅動的感測器與儀錶套裝，並且具有通信與板載診斷等功能，為監控系統和/或操作員提供相關信息，以提高工作效率及減少維護成本。”智能感測器集成了感測器、智能儀錶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，降低了系統的複雜性、簡化了系統結構。

無故障通信

“智能感測器的優勢，”GE Fanuc自動化公司控制器產品經理Bill Black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量。”MTS感測器公司Temposonics（磁致伸縮位移感測器）產品經理David Edeal對此補充說：“分散式智能的基本前提是，在適當位置和時間擁有有關係統、子系統或組件的狀態的全部知識，以進行‘最優的’過程式控制制決策。”

Cognex公司Checker機器視覺部產品營銷經理John Keating繼續補充說，“對於一種真正的‘智能’（機器視覺）感測器，它應該不需要使用者懂得機器視覺。”

智能感測器必須具備通信功能。“最起碼，除了滿足最基本應用的反饋信號，‘智能’感測器必須能傳輸其它信息。”Edeal表示。這可以是疊加在標準4-20 mA過程輸出、匯流排系統或無線安排上的HART（可定址遠程感測器高速通道的開放通信協議）信號。該領域正在增長的因素是IEEE 1451——一系列旨在為不同廠家生產的感測器提供即插即用能力的智能感測器介面標準。

智能感測器可對其運行的各個方面進行自監控，包括“攝像頭的污濁，超容忍限或不能開關等，”GE Fanuc自動化公司的Black說。Pepperl+Fuchs公司智能系統經理Helge Hornis補充說，“（除此之外），還有線圈監控功能，目標超出範圍或太近。”它也可以對工況的變化進行補償。“‘智能’感測器，”Omron電子有限公司戰略創意總監Dan Armentrout表示，“必須首先能監視自身及周圍的環境，然後再決定是否對變化進行自動補償或對相關人員發出警告。”

很多智能感測器都能重裝到控制現場，通過提供“可設置參數，使用戶能替換一些‘標準’感測器，”Hornis說道，“例如，典型的感測器一般都設置為常開（NO）或常關（NC），而智能感測器則能設置為以上任何一種狀態。”

智能感測器擁有很多優勢。隨著嵌入式計算功能的成本繼續減少，“智能”器件將被更多地應用。獨立的內部診斷功能可避免代價高昂的宕機，從而迅速收回投資。

智能感測器系統是一門現代綜合技術，是當今世界正在迅速發展的高科技新技術，但還沒有形成規範化的定義。早期，人們簡單、機械地強調在工藝上將感測器與微處理器兩者緊密結合，認為“感測器的敏感元件及其信號調理電路與微處理器集成在一塊晶元上就是智能感測器”。

關於智能感測器的中、英文稱謂，尚未有統一的說法。John Brignell和Nell White認為“Intelligent Sensor”是英國人對智能感測器的稱謂，而“Smart Sensor”是美國人對智能感測器的俗稱。而Johan H.Huijsing在“Integrated Smart Sensor”一文中按集成化程度的不同，分別稱為“Smart Sensor”、 “Integrated Smart Sensor”。對“Smart Sensor”的中文譯名有譯為“靈巧感測器”的，也有譯為“智能感測器”的。

《智能感測器系統》書上的定義： “感測器與微處理器賦予智能的結合，兼有信息檢測與信息處理功能的感測器就是智能感測器(系統)”；模糊感測器也是一種智能感測器(系統)，將感測器與微處理器集成在一塊晶元上是構成智能感測器(系統)的一種方式。（《智能感測器系統》，劉君華，西安電子科技大學出版社）

《現代新型感測器原理與應用》書上的定義：所渭智能式感測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感測器。（ 《現代新型感測器原理與應用》 ，劉迎春，葉湘濱等，國防工業出版社，2000.5）。

概括而言，智能感測器的主要功能是：

(1) 具有自校零、自標定、自校正功能；

(2) 具有自動補償功能；

(3) 能夠自動採集數據，並對數據進行預處理；

(4) 能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障；

(5) 具有數據存儲、記憶與信息處理功能；

(6) 具有雙向通訊、標準化數字輸出或者符號輸出功能；

(7) 具有判斷、決策處理功能。

可實現的功能

智能感測器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作，結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元，它的出現對原來硬體性能苛刻要求有所減輕，而靠軟體幫助可以使感測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(SmartDistributedSystem)的飛速發展，對智能單元要求具備通信功能，用通信網路以數字形式進行雙向通信，這也是智能感測器關鍵標誌之一。智能感測器通過測試數據傳輸或接收指令來實現各項功能。如增益的設置、補償參數的設置、內檢參數設置、測試數據輸出等。

2、自補償和計算功能——多年來從事感測器研製的工程技術人員一直為感測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。而智能感測器的自補償和計算功能為感測器的溫度漂移和非線性補償開闢了新的道路。這樣，放寬感測器加工精密度要求，只要能保證感測器的重複性好，利用微處理器對測試的信號通過軟體計算，採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果壓力感測器。

3、自檢、自校、自診斷功能——普通感測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感測器從使用現場拆卸送到實驗室或檢驗部門進行。對於在線測量感測器出現異常則不能及時診斷。採用智能感測器情況則大有改觀，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。其次根據使用時間可以在線進行校正，微處理器利用存在EPROM內的計量特性數據進行對比校對。

4、複合敏感功能——觀察周圍的自然現象，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。而智能感測器具有複合功能，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運動規律的信息。如美國加利弗尼亞大學研製的複合液體感測器，可同時測量介質的溫度、流速、壓力和密度。複合力學感測器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度（加速度感測器）、速度（速度感測器）、位移（位移感測器），等等。

5、智能感測器的集成化----由於大規模集成電路的發展使得感測器與相應的電路都集成到同一晶元上，而這種具有某些智能功能的感測器叫作集成智能感測器集成智能感測器的功能有三個方面的優點：較高信噪比：感測器的弱信號先經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：由於感測器與電路集成於同一晶元上，對於感測器的零漂、溫漂和零位可以通過自校單元定期自動校準，又可以採用適當的反饋方式改善感測器的頻響。信號規一化：感測器的模擬信號通過程式控制放大器進行規一化，又通過模數轉換成數字信號，微處理器按數字傳輸的幾種形式進行數字規一化，如串列、并行、頻率、相位和脈衝等。

智能式感測器是一個以微處理器為內核擴展了外圍部件的計算機檢測系統。相比一般感測器，智能式感測器有如下顯著特點：

1.提高了感測器的精度

智能式感測器具有信息處理功能，通過軟體不僅可修正各種確定性系統誤差(如感測器輸入輸出的非線性誤差、服度誤差、零點誤差、正反行程誤並等)而且還可適當地補償隨機誤差、降低雜訊，大大提高了感測器精度。

2.提高了感測器的可靠性

集成感測器系統小型化，消除了傳統結構的某些不可靠因素，改善整個系統的抗干擾件能；同時它還有診斷、校淮和數據存儲功能(對於智能結構系統還有自適應功能)，具有良好的穩定性。

3.提高了感測器的性能價格比

在相同精度的需求下，多功能智能式感測器與單一功能的普通感測器相比，性能價格比明顯提高，尤其是在採用較便宜的單片機后更為明顯。

4.促成了感測器多功能化

智能式感測器可以實現多感測器多參數綜合測量，通過編程擴大測量與使用範圍；有一定的自適應能力，根據檢測對象或條件的改變，相應地改變數程反輸出數據的形式；具有數字通信介面功能，直接送入遠地計算機進行處理；具有多種數據輸出形式(如Rs232串列輸批，PIO并行輸出，IEE-488匯流排輸出以及經D/A轉換后的模擬量輸出等)，適配各種應用系統。

電子自動化產業的迅速發展與進步促使感測器技術、特別是集成智能感測器技術日趨活躍發展，隨著半導體技術的迅猛發展，國外一些著名的公司和高等院校正在大力開展有關集成智能感測器的研製，國內一些著名的高校和研究所以及公司也積極跟進，集成智能感測器技術取得了令人矚目的發展。國產智能感測器逐漸在智能感測器領域邁開步伐，運用軍工產品的生產線和工藝，精度高，穩定性好，成本低，採用高性能微控制器（MCU），同時具備數字和模擬兩種輸出方式，同時針對用戶的特定需求（如組網式測量，自定義通訊協議），均可在原產品基礎上進行二次開發，周期極短，為用戶節省時間，提高效率。已廣泛應用於航空、航天、石油、化工、礦山、機械、大壩、地質、水文等行業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。

智能感測器已廣泛應用於航天、航空、國防、科技和工農業生產等各個領域中。例如，它在機器人領域中有著廣闊應用前景，智能感測器使機器人具有類人的五官和大腦功能，可感知各種現象，完成各種動作。

在工業生產中，利用傳統的感測器無法對某些產品質量指標（例如，黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等）進行快速直接測量並在線控制。而利用智能感測器可直接測量與產品質量指標有函數關係的生產過程中的某些量（如溫度、壓力、流量等），利用神經網路或專家系統技術建立的數學模型進行計算，可推斷出產品的質量。

在醫學領域中，糖尿病患者需要隨時掌握血糖水平，以便調整飲食和注射胰島素，防止其它併發症。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，最後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。而“葡萄糖手錶”,其外觀像普通手錶一樣，戴上它就能實現無疼、無血、連續的血糖測試。“葡萄糖手錶”上有一塊塗著試劑的墊子，當墊子與皮膚接觸時，葡萄糖分子就被吸附到墊子上，並與試劑發生電化學反應，產生電流。感測器測量該電流，經處理器計算出與該電流對應的血糖濃度，並以數字量顯示。

1、應用於電池拓展閱讀

基於智能感測器的彈藥庫溫/濕度監控系統設計

好的感測器的設計是經驗加技術的結晶。一般理解感測器是將一種物理量經過電路轉換成一種能以另外一種直觀的可表達的物理量的描述。比如轉換成僅依賴於此測物理量的較高的電壓電流等信號，再顯示出來。因此需要注意幾點：

1、一般所測得的物理量是非常小的，通常還帶有作為感測器物理轉換元件固有的轉換雜訊。比如感測器在1被放大倍率下的信號強度為0.1~1uV，此時的背景雜訊信號也有這麼大的水平，甚至於將其湮滅。如何將有用信號盡量取出並且壓低雜訊是感測器設計的首要解決的問題。

2、感測器電路一定要簡單精鍊。設想具有3級放大電路的，帶有2級有源濾波器的放大迴路，放大了信號的同時也將雜訊放大了，如果雜訊不是明顯偏離有用信號頻譜，則無論怎樣濾波兩者同時放大，結果信噪比沒有提高。因此感測器電路一定要精鍊簡約。能省1隻電阻或電容就一定要將它去掉。這一點是許多設計感測器的工程師們容易忽略的問題。已知的情況是，感測器電路隨著雜訊的問題困擾，電路越修改越複雜，成為怪圈。

3、功耗問題。感測器通常在後續電路的前端，有可能需要較長的引線連接。當感測器功耗較大時引線的連接將會所有的無謂雜訊以及電源雜訊引入使得後續電路愈發難以設計。在夠用的情況小如何降低功耗也是一個不小的考驗。

4、元器件的選用和電源迴路。元器件的選用一定要夠用為好，只要器件指標在需要的範圍之內就可以了，餘下的就是電路設計問題。電源是感測器電路設計過程一定要遇到的難題，不要追求無法達到的電源指標，而選擇一款帶有較好的共模抑制比的運放，採用差分放大電路設計可能最普通的開關電源以及器件就能滿足你的要求。電源的退偶一定要可靠設計，並且遵循器件手冊的要求，寧多勿少。

智能感測器作為廣泛地系統前端感知器件，既可以助推傳統產業的升級，例如，傳統工業的升級、傳統家電的智能化升級；又可以對創新應用進行推動，比如機器人、VR/AR（虛擬現實/增強現實）、無人機、智慧家庭、智慧醫療和養老等領域。

在工業領域，傳統企業面臨人力成本提高、市場需求下降等問題，傳統企業開始從勞動密集型轉向自動化、智能化。在整個轉型中，智能感測器發揮著至關重要的作用，推動傳統工業的轉型升級。

2015年我國感測器市場規模達1100億元，預計到2020年將達到2115億元，年複合增長率達到14%。但是由於國內感測器企業技術水平、生產工藝、規模和盈利能力等方面的差距導致國內感測器市場高度依賴進口。特別是高端感測器方面，由於種類多、跨學科研發技術水平高、開發成本大，企業不願承擔開發風險，造成我國高端感測器基本依靠進口。2015 年，我國中高端感測器進口比例達到80%。

智能感測技術是智能製造和物聯網的先行技術，作為前端感知工具，具有非常重要的意義。