智能化传感器
0 概念及简介智能化传感器是将一个或多个敏感元件、精密模拟电路、数字电路、微处理器(MCU)、通讯接口、智能软件系统相结合的产物，并将硬件集成在一个封装组件内。该类传感器具备数据采集、数据处理、数据存储、自诊断、自补偿、在线校准、逻辑判断、双向通讯、数字输出/模拟输出等功能，极大地提高了传感器的准确度、稳定性和可靠性。由于采用标准的数字接口，智能化传感器有着很强的互换性和兼容性。
智能化传感器从用户使用角度来看是一个具有标准数字接口的模块单元，用户可以按照面向对象的方法来设计自己的产品或应用系统。由于其标准仪表的数据接口满足IEEE1451协议，使得任何符合该协议的硬件设备均可与其连接和互换。由于其标准传感器的数据接口满足MSD-SYS接口规范，使得任何符合该协议的硬件设备均可与其连接和互换。
智能化传感器内嵌了标准的通讯协议和标准的数字接口，使构造同类和/或不同类的复合传感器（多个传感器的结合）变得非常容易；同时借助标准的通讯支持组件，智能化传感器可轻而易举地组成网络或作为用户网络内的一个节点。
智能化传感器的主要特点
能够完成对信号的采集、变换、逻辑判断、功能计算；
具有搭建同类和不同类多个传感器的复合能力；
能实现内部自检测、自诊断、自校正、自补偿；
能与其他系统实现单向或双向通讯；
提供离散输出或模拟输出；
极大地提高了传感器输出的一致性、重复性、稳定性、准确性及可靠性；
使应用开发更简便、经济、快速，具备良好的兼容性；
允许用户的控制程序下载至智能化传感器；
具备在线标定和校准能力；
具备传感器休眠功能；
具有自我学习功能。
1发展历程现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成传感器；(3)智能传感器。目前，国际上新型传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。
2 传感器的分类2.1 传统的分立式传感器该类传感器是用非集成化工艺制造的，仅具有获取信号的功能。2.2 模拟集成化传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成传感器。模拟集成传感器是在20世纪80年代问世的，它是将传感器集成在一个芯片上、可完成测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成传感器的主要特点是功能单一(仅测量某一物理量)、测量误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测量、控制，不需要进行非线性校准，外围电路简单。2.3 智能传感器(Intelligent Sensor)智能传感器(亦称数字传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发出多种智能传感器系列产品。智能传感器内部都包含传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(cpu)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能传感器的特点是能输出测量数据及相关的控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
3智能传感器的功能和特点3.1 智能传感器的功能智能传感器一般都有下列全部或部分功能：
a.具有自校零、自标定、自校正；
b.具有自动补偿功能；
c.能够自动采集数据，并对数据进行预处理；
d.能够自行进行检验、自选量程、自寻故障；
e.具有数字存储、记忆与信息处理功能；
f.具有双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能；
g.具有判断、决策处理能力。3.2 智能传感器的特点与传统的传感器相比，智能传感器的特点是：
a.精度高 智能传感器有多项功能来保证它的高精度，如；通过自动校零去除零点误差；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行整体非线形等系统误差的校正；通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响；从而保证了智能传感器具有高精度。
b.高可靠性与高稳定性 智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，比如：温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移；在当被测参数变化后能自动改换量程；能实时自动进行系统的自我检验，分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理(报警或故障提示)。因此，有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。
c.高信噪比与高分辨率 由于智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件进行数字滤波、相关分析等处理，可以去除输入数据中的噪声，将有用的信号提取出来；通过数据融合、神经网络技术，可以消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证在多参数状态下对特定参数测量的分辨能力，故智能传感器具有高的信噪比与分辨率。
d.强的自适应性 由于智能传感器具有判断、分析和处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况、与上位计算机数据传输速率，使系统工作在最优低功耗状态和优化的传输速率。
e.高的性能价格比 智能传感器所具有的上述高性能，不是象传统传感器技术那样为追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计与调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器/计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。所以具有高的性价比。
4.智能传感器的意义智能化设计是传感器传统设计理念中的一次革命，是世界传感器的发展趋势.传感器的智能化和任何其他事物一样有它的必然性，传感器：作为信息系统的最前端，它的特性好坏、输出信息的可靠性对整个系统质量至关重要，但是长期以来与计算机技术的飞速发展相比传感器技术前进的步伐明显落后，由于采用传统的传感器技术设计和生产，使得传感器的性价比很低，据有关资料介绍，从1970年到1990年计算机的性价比提高了1000倍，而传感器的性价比只提高了3倍。然而，传统传感器技术已达到了技术极限，它的性价比不可能再有大幅度的提高。另外它在以下几个方面存在着严重的不足：
△ 输入输出特性存在非线性，且随时间漂移；
△ 参数易受环境条件变化的影响；
△ 信噪比低，易受噪声干扰；
△ 存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。
随着工农业生产和科技事业的发展不仅对传感器的性能要求越来越高，而且对它的数量要求也越来越大，再用传统的方法设计和用作坊式的手工操作为主的生产，质与量均满足不了需求。一方面传感器大量的使用要求把传感器的成本降下来，另一方面传感器在各个领域的使用又要求把性能提上新台阶。只有智能传感器才能满足上述两方面的要求。4.1 智能化传感器改变了生产方式传统传感器的生产决定了作坊式的手工操作为主的生产方式，由于智能化传感器具有数字存储、记忆与信息处理功能、双向通讯、标准化数字输出或符号输出功能，因此可用与上位计算机通信的方法来组织批量生产，比如对某种传感器进行温度补偿，只要通过上位计算机对每个与其相连接的在环境试验设备中的智能传感器发出读写指令，这些被处理的传感器就会在各个设定的温度将适应各自的补偿值存入记忆体内，在上位计算机的控制下，整个一批传感器经历了一个“学习”过程，这一工序也告完成。当然这样的生产方式，是在传感器设计时已经安排好的。这种生产方式极大的提高生产率，也降低了生产成本，同时由于采用了智能元件，传感器的补偿可以应体而异，由各个传感器自行解决，它对于敏感元件的要求就不是很高了，从理论上讲，只要敏感元件具有重复性，不管它其他指标怎样，采用智能传感器的设计方法，都能造出高性能的传感器。这样又进一步降低了传感器的制造成本。4.2 智能化传感器改变了使用方式智能传感器具有自校零、自标定、自校正；能够自行进行检验、自选量程、自寻故障。这些性能给使用者带来了极大的方便，智能传感器在每次测量前都进行自校零、自选量程、自寻故障。改变了使用原来使用传统传感器的习惯，数码相机就是一个很好的例子，我们把照相机看成是一个图象传感器，要记录一张清晰图象，如果用传统的相机，先要调好光圈、速度和距离才行。用傻瓜相机就不同了，你只要对着对象照就行了。
我国的传感器行业经过近十年的引进、消化、吸收，现已形成一定规模的传感器生产能力。据有关部门统计全国敏感元件与传感器产品生产能力已超过４亿只，总产量约1.5亿只，总产值约4亿元，总销售额3亿元左右。但是，与发达国家相比还有很大差距，主要表现在产品的质量、生产规模、市场开发、销售等方面。我国敏感元件与传感器的科研开发水平约落后发达国家5～10年；生产技术约落后10～15年。进入21世纪，世界传感器市场将迅速发展。由1993年的130亿美元，发展到2000年后，市场规模将达343亿美元。其中，以半导体传感器为主流的各类固态传感器增长幅度很大，年增长率高达20％以上；微传感器、微执行器约占总市场的40％。据估计到2010年，我国敏感元件与传感器的科研生产综合实力将得到大幅度增强，传感器的总体研究水平将达到国际21世纪初水平，与国外差距缩短为3~5年。我们必须抓住机遇大幅度增强我国传感器研制和生产的综合实力，建立智能传感器高新技术产业，跟踪国际上发展的前沿技术，加强预研，突破关键技术，使产品质量、价格达到或接近国际同类产品水平。