智能传感器随数字化时代诞生
　　
　　从微【wēi】处理器带【dài】来的数字化革命到虚拟仪器（VXI）的【de】飞速发【fā】展，对传感器【qì】的综合精度、稳定可靠性和【hé】响应要【yào】求越来越高【gāo】，传统传感器已【yǐ】不【bú】能【néng】适应多种测试要【yào】求，随着微【wēi】处理智能技术和微机械加工【gōng】技术在传感器上的应【yīng】用，智能传感【gǎn】器（Smart Sensor）诞【dàn】生了。
　　
　　目前，国际传感【gǎn】器【qì】领域【yù】已【yǐ】对"Smart Sensor"定义形成了基【jī】本共识，但中文译法【fǎ】尚未形成定论，本文所【suǒ】用【yòng】的"智能传感器"一词属个人引用。智能传感【gǎn】器从其【qí】功能来说是具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测、变换【huàn】处理【lǐ】、逻辑判【pàn】断、功能计算、双【shuāng】向通讯，内部可实现自【zì】检【jiǎn】、自校【xiào】、自补【bǔ】偿、自【zì】诊断、具【jù】备以【yǐ】上部分【fèn】功能或全部功能的器件。
　　
　　从使【shǐ】用的角度，传【chuán】感【gǎn】器的准确度、稳定【dìng】性和可【kě】靠性是至关重要的。长期以来研究【jiū】工作【zuò】大【dà】都集中在硬件方面，虽然人们不断【duàn】利用新材料研制敏【mǐn】感器件，改进传【chuán】感【gǎn】器【qì】芯片的制【zhì】造工艺方法来提高芯【xīn】片的质量以及通过外【wài】电【diàn】路补偿方【fāng】法【fǎ】来改善传【chuán】感器的线性度、稳定性和输出漂移，但都没【méi】有根本性的突破。
　　
　　七十年代【dài】，微处理器举世瞩目的成【chéng】就带来了数字化的革命，对仪器【qì】仪表【biǎo】的【de】发展起了【le】巨大的推动作用【yòng】。如九十年代的【de】虚拟仪器【qì】（VXI）飞速发展【zhǎn】，使以微型计【jì】算机【jī】为基础的【de】测控系统【tǒng】都【dōu】需要传感器来提供【gòng】赖以作出实时决策的【de】数据。随着系统自动【dòng】化程度【dù】的提【tí】高【gāo】和复杂性【xìng】的增加，对传感器的【de】综合精度【dù】、稳定可【kě】靠【kào】性和响应要求越来越高【gāo】。传统的【de】传感【gǎn】器因其功能单一、性能不适应、不能满足多种测试【shì】要求，为此人们利用微【wēi】处理器智能技术【shù】用于传感【gǎn】器。八【bā】十年代末期，人们又将微【wēi】机械加工技术应用到传【chuán】感器，从而产生新概【gài】念传感器"Smart Sensor"--智能【néng】传感器。
　　
　　可实现的功能
　　
　　智能传感器的功能是通过模拟人【rén】的感官和大【dà】脑的【de】协调动作，结【jié】合长期以来测【cè】试技术的研究和【hé】实际经验而提出【chū】来【lái】的。是一【yī】个相对【duì】独立的智能单元，它的出【chū】现【xiàn】对原来硬件性能【néng】苛【kē】刻要求【qiú】有所减轻，而靠软件帮【bāng】助可以使传感器的性能大幅【fú】度提高。
　　
　　1.复合敏感功能【néng】----我们观【guān】察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化【huà】学等。敏感元件测量一般通【tōng】过两种方式：直接和间接【jiē】的测量。而智能传感【gǎn】器具有复合功能，能够【gòu】同时测量多种物理量和化【huà】学量【liàng】，给【gěi】出【chū】能够较全面反映物质运【yùn】动规律的【de】信息。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液【yè】体传感器【qì】，可同【tóng】时测量【liàng】介质【zhì】的温度、流速、压力和密度【dù】。美【měi】国EG&GICSensors公【gōng】司研制的复合力学传感器，可同【tóng】时【shí】测量物体某一【yī】点的三【sān】维振【zhèn】动【dòng】加速度、速度【dù】、位移【yí】，等等。
　　
　　2.自【zì】补偿【cháng】和计算功能----多年来从【cóng】事传感器研制【zhì】的【de】工程技【jì】术人员一直为传感器的温度漂移和输出非线【xiàn】性作大量的【de】补偿工作【zuò】，但都【dōu】没【méi】有从根【gēn】本【běn】上解【jiě】决【jué】问题。而智能传感【gǎn】器的自补偿和计算功能为传【chuán】感【gǎn】器【qì】的【de】温度漂移和非线性补【bǔ】偿【cháng】开辟了新的【de】道路。这样，放【fàng】宽传感器加工精密度要求，只要能保证传感器的重复【fù】性【xìng】好，利用【yòng】微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟【nǐ】合和差值计【jì】算方【fāng】法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较【jiào】精确【què】的【de】测【cè】量结果【guǒ】。
　　
　　3.自检【jiǎn】、自校【xiào】、自诊断功能----普【pǔ】通【tōng】传感器需要定期检验和标【biāo】定【dìng】，以保【bǎo】证它在正常使用时【shí】足够的准确度，这【zhè】些【xiē】工作一般要求将传感器【qì】从使【shǐ】用现场拆卸【xiè】送【sòng】到实验室或检验部门进行。对于在线测量【liàng】传【chuán】感【gǎn】器出现异常【cháng】则不能及时诊断。采用智能传感器情况则大有改【gǎi】观，首先自诊断功能在电源接通时进行自【zì】检【jiǎn】，诊【zhěn】断测试【shì】以确定【dìng】组件【jiàn】有无【wú】故障。其次根据【jù】使用时【shí】间可以在线进行校正，微【wēi】处理器利用存【cún】在EPROM内的计【jì】量特性数【shù】据进行对比校对。
　　
　　4.信息【xī】存储和传【chuán】输----随着全智【zhì】能集【jí】散【sàn】控制系统（SmartDistributedSystem）的【de】飞速发展，对智能单元要求具【jù】备通信功能，用通信网络以数【shù】字形式进行【háng】双【shuāng】向通信，这也【yě】是智能传感器关【guān】键标志【zhì】之【zhī】一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各【gè】项功能【néng】。如增益的设置【zhì】、补偿参【cān】数的设置、内检【jiǎn】参【cān】数设置、测试数据输【shū】出等。
　　
　　智能传感器的集成化
　　
　　由于大规模集成电【diàn】路【lù】的发展使得传感器与相应的【de】电路都集成【chéng】到【dào】同一芯片上，而这种具有某【mǒu】些智能功能的传感【gǎn】器【qì】叫作集成智【zhì】能【néng】传感器集成智能传感器的功能有三个方面的优点：较高信噪【zào】比：传【chuán】感【gǎn】器【qì】的弱信号【hào】先经集【jí】成电路信号放大后再远距【jù】离传送【sòng】，就【jiù】可大大改进【jìn】信噪比。改善【shàn】性能【néng】：由于传【chuán】感器【qì】与【yǔ】电【diàn】路集成【chéng】于同一芯【xīn】片上【shàng】，对于传【chuán】感器的零漂、温漂【piāo】和【hé】零位可以通过自校单元定【dìng】期自动校准，又可以采用适当的反馈方式改善传感器的频【pín】响。信号规一化：传感器的模拟信号【hào】通过程【chéng】控放【fàng】大器【qì】进行规一【yī】化，又通过模数转换【huàn】成数【shù】字信号，微处理器【qì】按数字传输的【de】几种形式进行数字【zì】规一化，如串行、并行、频率、相位和脉冲等【děng】。
　　
　　微机械加工技术与软件
　　
　　智能传感器【qì】的【de】制造基【jī】础是微机械加工技术，将硅进行机【jī】械、化学、焊接加【jiā】工，再采用不同的封装技术来【lái】封装，近【jìn】几年又发展了一【yī】种LIGA工【gōng】艺（深层【céng】X射线光刻电镀成敏膜）用于制造传感器【qì】。
　　
　　智【zhì】能传感器一般具有实时性很强的功能【néng】，尤其动态测量时常要【yào】求在几微秒内【nèi】完成数据采集、计算、处【chù】理和输出。智【zhì】能传感【gǎn】器的一系列功能都【dōu】是在程【chéng】序【xù】支持【chí】下进行。如功能多【duō】少、基【jī】本性能、方便使用、工作可靠，大都在一【yī】定程度上【shàng】依赖于【yú】软件设计和其质量，这些软【ruǎn】件主要有五大【dà】类。包括标度换【huàn】算、数字调零、非【fēi】线性补偿【cháng】、温【wēn】度补偿、数字滤波技术【shù】。国【guó】内外的应用状况
　　
　　十【shí】几年前，美【měi】国Honeywell公司研制第【dì】一只智能传感器。它是将【jiāng】硅敏感元【yuán】件【jiàn】技【jì】术与微处理器的计【jì】算、控制能力结合在【zài】一起，建立了新【xīn】的传感器【qì】概念。目前智【zhì】能传感器多【duō】使用于压力、力、振动冲击【jī】加【jiā】速度、流量、温湿度的测量【liàng】。如美【měi】国Honeywell公司的ST3000系列全智能变【biàn】送器【qì】，德国Strohrmann公司的二维加速度传感【gǎn】器等。
　　
　　目前智能传感器系统本身【shēn】都是数字式的【de】，但其通信规定仍采用【yòng】4～20mA的标准模【mó】拟【nǐ】信号。国际上有【yǒu】关标准化研究机【jī】构正在积极推出国际【jì】规格的数字【zì】标准（现场总线）。在【zài】现【xiàn】在的过渡阶【jiē】段采用了【le】HART协议（Highway Addressable Remote Transducer，寻【xún】址远程传【chuán】感【gǎn】器数据【jù】线）。这是【shì】一【yī】种智能传感器的通信协议【yì】，与现有的4～20mA的系统兼【jiān】容，模拟与数【shù】字可以同时进行通【tōng】信【xìn】。这样【yàng】使不同生产厂家【jiā】的产【chǎn】品具有通用性。
　　
　　我国智能传【chuán】感【gǎn】器的研【yán】究【jiū】主要集中在专业研【yán】究所和大学，始于八【bā】十年代中【zhōng】期，八十年代末中国国防科技【jì】大学、北京航空航天大学、浙江【jiāng】大学等大专院校相继报道了【le】研究成果【guǒ】。九十【shí】年代初，国内几家研究机构采用混合【hé】集成技术成功的【de】研制出实用的智能【néng】传感器，标【biāo】志着我国智能【néng】传感器的研究进入了国际【jì】行列，但是与国外的【de】先【xiān】进技【jì】术【shù】相比，我们还【hái】有较大【dà】差【chà】距。主要【yào】在【zài】：1、先进的计算、模拟和设【shè】计方法，2、先【xiān】进的微【wēi】机械加工【gōng】技术【shù】与设备，3、先进的封装技术于设【shè】备，4、可靠性【xìng】技术研究等方面。所【suǒ】以加强技【jì】术【shù】的研究【jiū】和引【yǐn】进先【xiān】进设备，提高【gāo】整体水平是【shì】我们今后努【nǔ】力的方向。
　　
　　今后【hòu】几年中，智能传感器【qì】将扩展到化学、电磁、光学和核物【wù】理等【děng】领域，可以预见【jiàn】，越来越多的智能传感器【qì】将【jiāng】会在【zài】我国国民经济【jì】的各【gè】个领域【yù】发挥【huī】作用。