智能传感器 智能传感器有什么不一样

来源:传感器技术

作者:法拉第

随着测控系统自动化和智能化的发展，传统传感器已经不能满足一定的数据处理能力和自检、自校准、自补偿功能。智能传感器和多功能传感器的研发和应用已经走向市场。

第1部分/智能传感器的结构和特性

传感器和人的五官一样，是获取信息的重要工具。它在工业生产、国防建设和科学技术中发挥着巨大的作用。然而，与飞速发展的计算机相比，作为“五官”的传感器却跟不上作为“大脑”的计算机的发展速度。

随着测控系统自动化和智能化的发展，要求传感器具有高精度、高可靠性、良好的稳定性、一定的数据处理能力、自检测、自校准和自补偿能力。传统的传感器已经不能满足这样的要求。

另外，要制造高性能的传感器，单靠材料技术是很难提高的，需要将计算机技术和传感器技术结合起来，弥补其性能的不足。计算机技术给传感器技术带来了巨大的变革，微处理器(或微型计算机)和传感器的结合产生了强大的智能传感器。国外称为智能传感器或Smartsensor。此外，传统传感器只能测量一个参数，在某些情况下，需要同时测量多个参数。现在很多国家的科学家都很重视这个方向的发展，开发了一些多功能传感器。

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智能传感器

智能传感器是国际科技界的一个研究热点，目前还没有统一准确的定义。本文不讨论这两个术语(智能传感器或智能传感器)之间的区别，这两个术语统称为智能传感器。

目前国内外学者普遍认为智能传感器是由传统传感器和微处理器(或微型计算机)组成。它充分利用计算机的计算和存储能力来处理传感器的数据，并调整其内部行为，以获得最佳的数据收集效果。智能传感器的功能如下:

(1)自我补偿能力:

传感器的非线性、温度漂移、时间漂移和响应时间由软件自动补偿。

(2)自校准功能:

操作员输入零值或某个标准值后，自校准软件可以自动在线校准传感器。

(3)自诊断功能:

通电后，可以自检传感器，检查传感器各部分是否正常，并诊断故障部件。

(4)数值处理功能:

根据智能传感器的内部程序，可以对数据进行自动处理，如统计处理、剔除异常值等。

(5)双向通信功能:

微处理器和基本传感器之间形成闭环。微处理器不仅接收和处理传感器的数据，还将信息反馈给传感器，以调节和控制测量过程。

(6)信息存储和记忆功能。

(7)数字输出功能:

输出数字信号，可方便地与计算机或接口总线连接。

智能传感器目前只有上述功能的一部分。传统传感器只能作为敏感元件检测物理量的变化，而智能传感器包括测量信号调理(如滤波、放大、A/D转换等)。)，数据处理和数据显示等。它几乎包含了仪器仪表的所有功能。可见，智能传感器的功能已经扩展到仪器领域。

在早期的智能传感器中，传感器的输出信号经过处理和变换，然后通过接口发送给微处理器进行运算处理。20世纪80年代，智能传感器主要以微处理器为核心，将传感器信号调节电路、微电子计算机存储器和接口电路集成在一个芯片上，使传感器具有一定的人工智能。智能测量技术在20世纪90年代得到进一步完善，使传感器实现小型化、结构集成化、阵列化和数字化，使用方便、操作简单，具有自诊断、记忆和信息处理、数据存储、多参数测量、网络化通信、逻辑思维和判断等功能。

随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强。它将利用人工神经网络、人工智能和信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)。)，使传感器具有更高的智能、分析、判断、自适应和自学习功能，能够完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

智能传感器可分为三种:具有判断能力的传感器；具有学习能力的传感器；具有创新能力的传感器。

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智能传感器的结构

智能传感器主要由传感器、微处理器(或微型计算机)及相关电路组成。

传感器将测量的物理量转换成相应的电信号，这些电信号被发送到信号调理电路，经过滤波、放大和模数转换，然后被发送到微型计算机。计算机是智能传感器的核心，它不仅可以计算、存储和处理传感器的测量数据，还可以通过反馈回路调节传感器。由于计算机充分发挥了各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高了传感器的性能，降低了成本。

智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离的，根据结构可以分为集成、混合和模块化三种形式。集成智能传感器将一个或多个敏感器件与微处理器和信号处理电路集成在同一个硅片上，集成度高，体积小。这种集成传感器在目前的技术水平下很难实现。传感器、微处理器和信号处理电路由不同的芯片组成，构成了混合智能2传感器。

目前有很多这样的结构。初级智能传感器也可以由许多独立的模块组成。例如微型计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器如果装配在同一个外壳内，装配度高，体积大，但在目前的技术水平上仍然是一种实用的结构形式。

第2部分/智能传感器有广泛的应用

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智能农业中的应用

由于环境的特殊性，大部分农业项目都是在野外进行，标定操作非常不方便，人工成本也非常高，所以对传感器数据稳定性的要求非常高，智能传感器是最有效的传感器。

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在工业自动化中的应用

在现代工业生产中，尤其是在自动化生产过程中，需要使用各种传感器来监控生产过程中的各种参数，使设备能够工作在正常状态或最佳状态，产品能够达到最佳质量。可以说，没有优秀的智能传感器，工业自动化就无从谈起。

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在机器人中的应用

现在的机器人拥有和人类一样的物理和感官功能，具有一定的智能，动作程序灵活，可以不依靠人类操纵而工作，这些都是传感器不可缺少的，传感器是机器人感知外界的重要助手。

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智能医疗中的应用

随着智能传感器的发展，医学智能传感器作为提取生命体征信息的五官，发挥着越来越重要的作用，并得到了广泛的应用。例如，在图像处理、临床化学检查、生命体征监测、呼吸、神经和心血管疾病的诊断和治疗等方面。，智能传感器的作用是不可替代的，在未来的现代医疗仪器设备中几乎无处不在。

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在智能家电中的应用

智能家居是未来的一大趋势，智能家电将是许多家庭的必备产品。智能传感器未来可以用在很多家电上，比如电视剧、风扇、空调谐器、洗衣机、干衣机、冰箱、衣柜等。它是实现人与家电之间通信的基本设备，也是家庭物联网的基础。

第三部分/中国智能传感器产业发展中的不足

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关键技术尚未突破

传感器设计技术包含很多学科、理论、材料和工艺知识，很难突破。目前，在人才缺乏、研发成本高、企业间恶性竞争激烈的情况下，我国还没有突破传感器的一些常见关键技术。

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工业化能力不足

由于中国企业技术力量落后，行业发展标准尚未形成，导致国内传感器产品不配套、不系列化、重复生产、恶性竞争频繁发生，导致产品可靠性差、低端偏差严重的现象。工业化程度与品种和系列不成正比，只能长期依赖国外进口。

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资源不集中

目前，我国传感器企业有1600多家，但多为小微企业，盈利能力较弱，缺乏以技术为主导的龙头企业。最终资本、技术、企业布局、产业结构、市场等方面分散，资源没有得到有效集中，产业发展太慢，无法成熟。

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高端人才稀缺

因为传感器行业的发展还处于起步阶段，资金、技术、产业基础薄弱，很难吸引高端人才加入，因为它涉及的学科多，需要的知识范围广，新技术层出不穷。此外，我国人才培养机制的不完善和不合理也导致了行业人才的短缺。

第四部分/智能传感器技术的发展和趋势

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走向高精度

随着自动化生产的提高，对传感器的要求也越来越高。为了保证生产自动化的可靠性，有必要开发高灵敏度、高精度、响应速度快、互换性好的新型传感器。

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向高可靠性和宽温度范围发展

传感器的可靠性直接影响电子设备的抗干扰性能，开发高可靠性、宽温度范围的传感器将是一个永恒的方向。开发新材料(如陶瓷)传感器将是有前途的。

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走向小型化

各种控制仪器设备的功能越来越强，要求元器件越小越好。所以传感器本身越小越好。这就需要开发新的材料和加工技术。目前，硅材料制成的传感器非常小。比如传统的加速度传感器由重力块和弹簧制成，体积大，稳定性差，使用寿命短，而由激光等各种微加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小，互换性可靠性好。

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走向微功耗和被动

传感器一般由非电量转换为电量，没有电源就无法工作。在野外或远离电网的地方，它们通常由电池或太阳能供电。开发微功耗传感器和无源传感器是一个必然的发展方向，可以节约能源，延长系统寿命。目前，低功耗芯片发展迅速。比如T12702运算放大器静态功耗只有1.5 A，而工作电压只有2 ~ 5 V。

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走向智能数字发展

随着现代化的发展，传感器的功能突破了传统的功能，其输出不再是单一的模拟信号(如0~ 10mV)，而是由微型计算机处理的数字信号，有的甚至具有控制功能，称为数字传感器。

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向网络发展

网络化是传感器发展的一个重要方向，其功能和优势正在逐渐显现。网络传感器必将推动电子科学技术的发展。

智能传感器是物联网发展中最重要的技术之一，不仅为传统产业注入新鲜血液，也引领传感器产业的发展趋势，在医疗、工业、海洋、航空航天、军事、农业等领域发挥着核心作用。随着智能传感器技术的发展，新一代智能传感器将结合人工神经网络、人工智能等技术不断完善其功能，具有可观的发展前景。

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