隨著測控系統(tǒng)自動化,、智能化的發(fā)展,，傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)不能滿足一定的數(shù)據(jù)處理能力以及自檢,、自校、自補償?shù)墓δ?，多國科學(xué)家已在研發(fā)智能傳感器和多功能傳感器,。

　　智能傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

　　傳感器像人的五官一樣,，是獲取信息的重要工具,。它在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用,。但與飛速發(fā)展的計算機相比較,，作為“五官”的傳感器遠遠趕不上作為“大腦”的計算機的發(fā)展速度。

　　隨著測控系統(tǒng)自動化,、智能化的發(fā)展,，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高,、穩(wěn)定性好,，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢,、自校,、自補償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求,。國外有的文章稱傳統(tǒng)的傳感器為Dumbsensor(愚蠢的,、笨啞的傳感器)。另外,，為制造高性能的傳感器,，光靠改進材料工藝也很困難，需要利用計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合,，彌補其性能的不足,，計算機技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革,，微處理器(或微計算機)和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生功能強大的智能傳感器,。國外稱為Intelligentsensor(智能傳感器)或Smart2sensor(靈巧的,、機敏的、智能傳感器),。另外,，傳統(tǒng)的傳感器一般只能測量一個參數(shù)，有些場合需要同時測量多個參數(shù)的體積小的多功能傳感器?，F(xiàn)在多國科學(xué)家已重視這一方向的開拓,，并已研制出一些多功能傳感器。

　　1,、智能傳感器

　　智能傳感器是當(dāng)今國際科技界研究的熱點,，尚無統(tǒng)一的、確切的定義,。本文不討論(In2telligentsensor或Smartsensor)兩個術(shù)語的區(qū)別,，統(tǒng)稱為智能傳感器。

　　目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為,，智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計算機)相結(jié)合而構(gòu)成的,，它充分利用計算機的計算和存儲能力，對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理,，并能對它的內(nèi)部行為進行調(diào)節(jié),，使采集的數(shù)據(jù)最佳。智能傳感器的功能如下：

　　(1)自補償能力：通過軟件對傳感器的非線性,、溫度漂移,、時間漂移、響應(yīng)時間等進行自動補償,。

　　(2)自校準(zhǔn)功能：操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)量值后,，自校準(zhǔn)軟件可以自動地對傳感器進行在線校準(zhǔn)。

　　(3)自診斷功能：接通電源后,，可對傳感器進行自檢,，檢查傳感器各部分是否正常，并可診斷發(fā)生故障的部件,。

　　(4)數(shù)值處理功能：可以根據(jù)智能傳感器內(nèi)部的程序,，自動處理數(shù)據(jù)，如進行統(tǒng)計處理,，剔除異常值等,。

　　(5)雙向通信功能：微處理器和基本傳感器之間構(gòu)成閉環(huán)，微處理機不但接收,、處理傳感器的數(shù)據(jù),，還可將信息反饋至傳感器,，對測量過程進行調(diào)節(jié)和控制。

　　(6)信息存儲和記憶功能,。

　　(7)數(shù)字量輸出功能：輸出數(shù)字信號,，可方便的和計算機或接口總線相連。

　　目前研制的智能傳感器只具有上述功能中的一部分,。傳統(tǒng)的傳感器只能作為敏感元件,，檢測物理量的變化，而智能傳感器則包括測量信號調(diào)理(如濾波,、放大,、A/D轉(zhuǎn)換等)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)顯示等,。它幾乎包括了儀器儀表的全部功能,。可見智能傳感器的功能已延伸到儀器的領(lǐng)域,。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，智能傳感器的功能將逐步增強，它將利用人工神經(jīng)網(wǎng),、人工智能,、信息處理技術(shù)(如傳感器信息融合技術(shù)、模糊理論等),，使傳感器具有更高級的智能,，具有分析、判斷,、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能,，可以完成圖象識別,、特征檢測、多維檢測等復(fù)雜任務(wù),。

　　2,、智能傳感器的結(jié)構(gòu)

　　智能傳感器主要由傳感器、微處理器(或微計算機)及相關(guān)電路組成,。

　　傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,，送到信號調(diào)理電路中，進行濾波,、放大,、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后，送到微計算機中,。計算機是智能傳感器的核心,，它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進行計算,、存儲、數(shù)據(jù)處理,，還可以通過反饋回路對傳感器進行調(diào)節(jié),。由于計算機充分發(fā)揮各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù),，從而大大降低傳感器制造的難度,，提高傳感器的性能，降低成本,。

　　智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的,，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)可以分為集成式,、混合式和模塊式三種形式,。集成智能傳感器是將一個或多個敏感器件與微處理器、信號處理電路集成在同一硅片上,，集成度高,，體積小。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下還很難實現(xiàn),。將傳感器和微處理器,、信號處理電路作在不同的芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器(HybridSmart2Sensor),。目前這類結(jié)構(gòu)較多,。初級的智能傳感器也可以有許多互相獨立的模塊組成，如將微計算機,、信號調(diào)理電路模塊,、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi),，則組高,，體積較大，但在目前的技術(shù)水平下,，仍不失為一種實用的結(jié)構(gòu)形式,。

　　3、多功能傳感器

　　多功能傳感器能轉(zhuǎn)換兩種以上的不同物理量,。例如,，使用特殊的陶瓷把溫度和濕度敏感元件集成在一起，作成溫濕度傳感器,；把檢測鈉離子和鉀離子的敏感元件集成在一個基片上,，制成測量血液中離子成分的傳感器；將檢測幾種不同氣體敏感元件用厚膜制造工藝作在同一基片上,，制成檢測H2S,、C8H18,、NH3、C20H20O四種氣體的多功能傳感器,；在同一硅片上制作應(yīng)變計和溫度敏感元件,，制成同時測量壓力和溫度的多功能傳感器，該傳感器還可以實現(xiàn)溫度補償,。此外,，日本學(xué)者還研制出其它多功能傳感器，如測量溫濕度和風(fēng)速,，測量物體表面光潔度和溫度的傳感器,。有些多功能傳感器是混合式的，分別制作幾個傳感器并組裝起來,。多功能傳感器和微處理機,、信號處理電路結(jié)合起來，則組成多功能智能傳感器,。

　　4,、智能傳感器和多功能傳感器的應(yīng)用

　　智能傳感器最早應(yīng)用在航天領(lǐng)域。宇宙飛船中需要測量大量參數(shù),，有反映運行軌道的速度,、加速度、姿態(tài),、方位等參數(shù),，有反映宇航員生存環(huán)境的溫度、濕度,、氣壓,、空氣成分等參數(shù)，因此需要大量的傳感器,。這些大量的原始數(shù)據(jù)若直接送到計算機中,，無疑會增加主計算機的負擔(dān)，影響處理速度,。為了提高效率和可靠性，采用分布處理的方法,，即將這些數(shù)據(jù)先經(jīng)過各自的處理系統(tǒng)進行預(yù)處理,，然后再傳送至主機進行集中處理。這就是在美國宇航局開發(fā)宇宙飛船時所開發(fā)的智能傳感器,。由于智能傳感器和多功能傳感器的功能強,，集成度高，體積小,，因此可以大大減少傳感器的數(shù)量和連接電纜線的重量,，這恰是導(dǎo)彈,、衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器所需要的,，所以它們在航空航天領(lǐng)域中起著非常重要的作用,。

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)過程自動化的發(fā)展,，采集的數(shù)據(jù)越來越多,，需要使用大量傳感器和計算機。特別是需要智能傳感器,。

　　智能傳感器和多功能傳感器在機器人中有廣闊的應(yīng)用前景,。如視覺傳感器、觸覺傳感器,、力覺傳感器,、接近覺傳感器等。特別是智能機器人,，需要根據(jù)采集的信息進行識別,、判斷、決策,。智能傳感器如同人的五官,，可以使機器人具有感知功能。現(xiàn)在一些國家在研究開發(fā)可以識別物體形狀的觸覺傳感器,，分辨不同氣體的嗅覺傳感器,。

　　隨著智能傳感器和多功能傳感器的發(fā)展，它們將在工業(yè),、科技,、國防等各個部門得到更廣泛的應(yīng)用。

　　5,、現(xiàn)狀與發(fā)展

　　目前,，世界各國都在研制與開發(fā)各種智能傳感器和多功能傳感器。其中最成功的是美國Honeywell公司研制的DSTJ-3000智能壓差壓力傳感器在同一塊半導(dǎo)體基片上用離子注入法配置擴散了壓差,、靜壓和溫度三個敏感元件,，整個傳感器還包括變換器、多路轉(zhuǎn)換器,、脈沖調(diào)制,、微處理器和數(shù)字量輸出接口等。另外還在PROM中裝有該傳感器的特性數(shù)據(jù),，以實現(xiàn)非線性補償,。ParScientific公司研制1000系列數(shù)字式石英智能傳感的器。日本日立研究所研制出可以識別四種氣體嗅覺傳感器。智能傳感器是測量技術(shù),、半導(dǎo)體技術(shù),、計算技術(shù)、信息處理技術(shù),、微電子學(xué),、材料科學(xué)互相結(jié)合的綜合密集型技術(shù)。目前各國科學(xué)家正在按下列技術(shù)途徑開發(fā)研究：

　　(1)利用新型材料研制基本傳感器,?；緜鞲衅魇侵悄軅鞲衅鞯幕A(chǔ)，它的制作及其性能對整個智能傳感器影響甚大,。除硅材料具有優(yōu)良的物理特性,，能夠方便地制成各種集成傳感器。此外還有功能陶瓷,、石英,、記憶合金等都是制作傳感器的優(yōu)質(zhì)材料。

　　(2)利用新的加工技術(shù),。近年來利用微加工技術(shù)日趨成熟,，可以加工高性能的微結(jié)構(gòu)傳感器、ASIC制作技術(shù),，也可用于制造智能傳感器,。

　　(3)采用新的測量原理和方法。諧振式傳感器輸出數(shù)字量,，可以直接和微機及接口總線連接,，不用A/D轉(zhuǎn)換器。另外,，光纖傳感器,、化學(xué)傳感器、生物傳感器新型傳感器,，為智能傳感器提供新的信息來源,。