智能传感器的特点

与传统传感器相比，智能传感器的特点是：

1.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；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集的大量数据进行统计处理以消除偶然误差的影响等，从而保证了智能传感器的高精度。

2.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的系统特性的漂移，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、判断所采集到数据的合理性，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。

3.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率，故智能传感器具有高的信噪比与高的分辨率。

4.自适应性强

由于智能传感器具有判断、分析与处理功能，它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况与高／上位计算机的数据传送速率，使系统工作在最优低功耗状态和优化传送速率。

5.性价比高

智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技术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”的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器／微计算机结合，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，所以具有很高的性价比。

由此可见，智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是世界传感器的发展趋势。作为商品，在20世纪80年代初期有美国霍尼韦尔公司的压阻式ST－300型压力 （差）智能变送器，后有用于现场总线控制系统中的智能传感／变送器，如，美国SMAR公司生产的LD302系列电容式智能压力 （差）变送器；美国罗斯蒙特公司生产的电容式智能压力 （差）变送器系列；日本横河电气株式会社生产的谐振式EJA型智能压力 （差）变送器。此外，世界各国正在利用计算机和智能技术研究、开发各种其他类型的智能传感／变送器，如智能气体传感器。

知识拓展1

智能检测技术

由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高速发展，以及它们在各种测量技术与仪器仪表上的应用，使新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结构不断涌现并发展成熟，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。另外在高速发展的信息社会，要在有限的时空上实现大量的信息交换，必然带来信息密度的急剧增大，要求电子系统对信息的处理速度越来越快，功能越来越强，这使得系统日趋复杂，对体积、耗电和价格的要求促使系统及IC的集成密度越来越高。同时激烈的市场竞争又要求产品的价格不断下降，研制生产周期缩短。目前的测试技术在如下几方面受到挑战：

①要求测试仪器不仅能做参量测量，而且要求测量数据能被其他系统所共享。

②微处理器和DSP（数字信号处理器）技术的飞速发展以及它们加工成本的不断降低，改变了传统仪器就是电子线路设计的概念，而代之以所谓仪器软件化的概念。

③仪器的人机界面所含的信息显示和人机交互的便易性，要求传统的仪器反映的信息量增加。

④把计算机的运算能力和数据交换能力 “出借”给测试仪器，即利用计算机已有的硬件，再配接适当的接口部件，构造测量系统。

⑤计算机不仅可以完成测试仪器的一些功能，在需要增加某种测试功能时，只需增加少量的模块化功能硬件即可。

图13－4 检测技术发展进程

可见，一方面电子技术的迅速发展从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化发展；另一方面，计算机硬件技术的发展也给测试仪器向自动化发展提供了可能。在这种背景下，智能检测技术的产生成为一种必然。

1.检测技术的发展

机电工程中检测技术及检测系统经历了由机械式仪表到普通光学－机械仪表、电动仪表、自动化检测系统及智能仪器、虚拟仪器的发展历程，如图13－4所示。

20世纪80年代，随着计算机科学技术的发展，特别是微处理器和个人电脑的出现，推动了以检测仪器与微处理器相结合为特征的智能仪器的产生。这些智能仪器不仅能进行测量并输出测量结果，而且能对结果进行存储、提取、加工与处理。

1986年National Instruments公司开发了Lobview1.0软件工具，使仪器的开发简化为“软件”设计，并逐渐形成一个全新概念的新型仪器—— “虚拟仪器”（Virtual Instrument），成为当今仪器仪表发展的又一个新方向。其基本思想是：用计算机资源取代传统仪器中的输入、处理和输出等部分，实现仪器硬件核心部分的模块化和最小化；用计算机软件和仪器软面板实现仪器的测量和控制功能。

到20世纪90年代，微机械研究获得巨大的成功，实现了传感器的微型化，并进而实现传感器与信号调理电路和微处理机的集成，从而产生了高度集成的智能传感器 （Smart Sensor）。人工智能原理及技术的发展，人工神经网络技术、专家系统、模式识别技术等在检测中的应用，更进一步促进了检测智能化的进程，成为21世纪检测技术的发展方向。

2.检测智能化

智能化已经成为近几年使用频率最高的词汇之一，智能仪表、智能制造、智能控制、智能CAD、智能家电、智能大厦等词汇经常出现在文献资料及报纸杂志上。那么什么是智能呢？一般说来，“智能”是指一种能随外界条件的变化，确定正确行动的能力。也就是说智能是随外界条件的变化正确地进行分析判断和决策的能力。例如，在炎热的夏天或寒冷的冬天，你下班后推开家门，几秒钟后空调会自动开启，而当你家里来了很多客人时，你不用担心空调的制冷量不够，空调会自动调节风量，使房间始终保持舒适的温度。而当你离家后，即使忘记关空调，你也不必担心，它会自动关闭，这就是智能空调。它可以根据房间内是否有人和人数的变化确定空调的开、关或运行状态。这已不是科学的幻想，而是正在市场上销售的智能家电产品。

从信息科学的角度来看，信息技术的发展可以分为 “信息化” “自动化” “最优化”“智能化”四个层次。“信息化”是把客观事物模型化、抽象化，用计算机可以识别的编码表示事物，以便于数据的存储和处理。“自动化”则是按照一定的逻辑顺序或规则进行重复的处理。“最优化”是按照某一个或几个预定的目标，通过一定的算法求出使目标函数最大或最小的解答。而 “智能化”则应包括理解、推理、判断、分析等一系列功能，是数值逻辑与知识的综合分析能力。实际上，在不同的领域，“智能”及 “智能化”具有不尽相同的含义。在检测技术领域，智能化检测可分为三个层次，即初级智能化、中级智能化及高级智能化。

（1）初级智能化

初级智能化只是把微处理器或微型计算机与传统的检测方法结合起来，它的主要特征是：

①实现数据的自动采集、存储与记录。

②利用计算机的数据处理功能进行简单的测量数据的处理，例如，进行被测量的单位换算和传感器非线性补偿；利用多次测量和平均化处理消除随机干扰，提高测量精度等。

③采用按键式面板通过按键输入各种常数及控制信息。

（2）中级智能化

中级智能化是检测系统或仪器具有部分自治功能，它除了具有初级智能化的功能外还具有自动校正、自动补偿、自动量程转换、自诊断、自学习功能，具有自动进行指标判断及进行逻辑操作、极限控制及程序控制的功能。目前大部分智能仪器或智能检测系统属于这一类。

（3）高级智能化

高级智能化是检测技术与人工智能原理的结合，利用人工智能的原理和方法改善传统的检测方法，其主要特征为：

①具有知识处理功能。利用领域知识和经验知识通过人工神经网络和专家系统解决检测中的问题，具有特征提取、自动识别、冲突消解和决策的能力。

②具有多维检测和数据融合功能，可实现检测系统的高度集成并通过环境因素补偿提高检测精度。

③具有 “变尺度窗口”。通过动态过程参数预测，可自动实时调整增益与偏置量，实现自适应检测。

④具有网络通信和远程控制功能，可实现分布式测量与控制。

⑤具有视觉、听觉等高级检测功能。

例如德国PIB的坐标测量机和意大利的专家坐标测量机是具有部分高级智能的坐标测量机，可以根据被测零件图纸自行确定测量策略，自动实现编程和测量方案优化，实现信息自动化和决策智能化。智能坐标测量机具有CAD文件特征识别系统、零件位置识别系统、测量路径规划系统和数据库、知识库及人机交互接口。CAD文件特征识别系统可根据CAD设计图形文件提取测量信息，生成零件定义模型；零件位置识别系统可利用计算机视觉处理零件图像，完成零件在测量机中的位置测量，建立零件坐标系；测量路径规划系统则根据坐标测量机知识库的知识，自动规划测量顺序，选择测头及附件，设计测量点的分布。系统统一的数据结构和统一的数据库便于数据的传输和数据库、知识库的维护。

3.智能检测装置的主要形式

智能检测装置主要有四种实现方式，即智能传感器、智能仪表、虚拟仪器和通用智能检测系统。

（1）智能传感器 （Smart Sensor）

美国加州Janusz Bryzak认为，智能传感器是内置有智能的传感装置，智能传感器是将微加工 （Micromachining）制造的硅基传感器与信号处理电路、微处理器集成在同一芯片上或封装在一起的器件。但集成制造的传感器并不是都可以称为智能传感器，这取决于其内置的智能水平。

智能传感器的智能主要由信号调理、存储、自检与自诊断或输出处理实现。信号调理包括漂移补偿、灵敏度校准、非线性补偿、温度补偿等。例如Lucas Nova Sensor公司生产的智能压力传感器，其压力敏感部分是微加工制造的硅压电装置。

图13－5所示为智能传感器系统框图。智能部分是数字信号处理器，可以进行温度补偿和校准，其修正系统由主控计算机下载并存储在可擦除存储器EEPROM中。Motorola公司则采用传感器与信号处理集成电路分别制造并封装在一起的方法，提高传感器设计制造的柔性和性能稳定性。

图13－5 智能传感器系统框图

由传感器与信号调理电路集成而形成的智能传感器，其智能是有限的，其自补偿、自校正功能也只能补偿传感器部分的漂移和非线性，但成本低廉，所以它是当前智能传感器的主要形式。

目前已将微处理器与传感器集成，形成高级智能传感器，实际上成为微型智能仪器，例如美国Sndia国家实验室开发的智能传感器，集成了250个微传感器和微处理器，已形成了IC器件测试系统。

（2）智能仪表

智能仪表是最早出现的智能检测装置。1973年推出了第一批商品化智能仪器，例如， HP公司的1722A示波器，它的微处理机部分是用HP－55计算器改装的。早期的智能仪器都采用4位微处理器，如美国DANA公司的9000计时／计数器，Systron Douner公司的7115数字电压表等。1980年以后逐渐采用8位微处理器构建智能仪器，例如英国Solartron7055／7065型和Datron公司的1071型电压表，采用了MC6800微处理器。有些智能仪器还采用两个微处理器，例如HP公司的3455A型电压表，具有两个微处理器，一个用作数据采集，一个用于数据处理。

20世纪80年代以后，随着计算机科学技术的发展，仪器智能化有了迅速的发展，从小型智能电表、智能通用测试仪器发展到智能大型检测仪器与系统，出现了智能化轮廓仪、圆度仪以及三坐标测量机等。英国泰勒公司的表面轮廓仪Talysurf5采用三个微处理器5P、5L、5Z，使用电感式探头，可用于测定表面粗糙度、波度和轮廓波形，可给出表面的粗糙度特征值以及表征表面特性的特征值，还可提供多种图形输出。

（3）虚拟仪器

虚拟仪器是以通用微型计算机为基础，采用插入通用功能板的方式构建的专用仪器，主要是以计算机为核心，通过最大限度地利用计算机系统的软件和硬件资源，使计算机在仪器中不但能像在传统程控化仪器中那样完成过程控制、数据运算和处理工作，而且可以用强有力的软件去代替传统仪器的某些硬件功能，直接产生出激励信号或实现所需要的各项测试功能。从这个意义上来说，虚拟仪器的一个显著特点就是仪器功能的软件化。它更像是 “定制式”仪器或组装式仪器，由用户或代理商根据检测需要选择功能板和专用机箱组合成仪器，并利用专用图形式编程软件生成仪器面板及逻辑控制，完成仪器的开发过程，从而缩短了仪器开发时间，增加了检测仪器的柔性和可用性。

虚拟仪器的智能化主要体现在功能板的设计及软件开发中，目前虚拟仪器的功能模板已具有了智能仪器通常具有的零点补偿、自校准等功能，但在高级人工智能实现方面还有较大的困难，其智能化水平与用户的水平关系很大。

目前虚拟仪器已形成多种构成方式及配置方案，可以与PC计算机、笔记本电脑及专用机箱组合。

（4）通用智能检测系统

这种检测系统不采用嵌入式微处理器，而采用通用的微型计算机构建检测系统，实现数据采集与处理，并可以与其他控制和执行系统组合，组成智能测控系统。

4.检测智能化方法

检测智能化的水平和实现方法因检测对象、检测要求和应用环境的不同而异。不同的检测应用对智能化水平的要求也不相同，片面追求高智能化通常会增加不必要的系统开发成本与维护费用。因此检测系统智能化功能的确定应根据检测系统的要求与应用环境而定。对检测精度要求较高、自动化水平较高或在环境恶劣条件下工作的检测系统，其智能水平也应较高。在一般的检测系统中，则可以采用较初级的智能化功能，以提高功能性价比。

检测智能化的方法大致可以分为两类：一类是传感信号处理方法，一类是以知识为基础的决策处理方法。典型的智能检测系统经常是两种方法或子系统的混合。

图13－6所示为典型智能检测系统框图。传感信号处理系统以传感信号调理为主，主要通过硬件和少量软件实现。敏感元件感受被测参数，经信号调理电路可实现量程切换、自校正、自补偿功能。

知识处理系统涉及知识库、数据库与推理机，利用显式及隐式存储知识及数据，通过专家系统、人工神经网络、模式识别等人工智能的方法，实现环境识别处理和信息融合，从而达到高级智能化水平。

图13－6 智能检测系统框图

智能传感器通常是传感器与信号调理器和微处理器的集成，因此其智能化主要是用传感信号处理方法实现的，采用硬件方式实现传感器本身的性能补偿和优化，一般还不能实现整个仪器的补偿和智能化。

智能仪器和虚拟仪器是从不同的思路实现仪器与微处理器融合的两种方式。智能仪器将微处理器嵌入仪器内部形成基于微处理器的独立仪器，而虚拟仪器则是将仪器功能板插入计算机，或直接与微型计算机连接，使计算机具有仪器的功能。这两类仪器都可以采用传感信号处理方法与知识处理方法实现检测智能化，但是智能仪器由于用途专一，因而更便于提高智能化水平。而虚拟仪器由于考虑到柔性与重用性，为便于用户自行构建检测系统，一般智能化水平稍差，采用知识处理方法提高智能化的难度较大。

通用智能检测系统由于采用通用微型计算机，可以充分发挥计算机内存量大、运算速度快的特点，利用知识处理方法实现高级智能。例如用于质量保证的智能化加工检测与诊断系统，系统中包括趋势分析模块和规则式专家系统模块。系统根据检测的传感器信息 （切削力、主轴振动、切削温度及声发射信息）经人工神经网络数据融合，预测加工尺寸及表面粗糙度数值。趋势分析模块对传感信息及预测信息进行趋势分析，得到加工过程及质量参数的连续变化轨迹，并由专家系统模块对生产过程及质量状态做出智能决策。