1、摘要智能传感器是一种具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物,它的产生极大地推动了自动化领域的发展。本文主要阐述了智能传感器的功能、特点，探讨了智能传感器在工程中的应用。关键词：智能传感器 功能 应用AbstractIntelligent sensor is a sensor having an information processing function. Smart sensors with microprocessors, with collection, processing, exchange infor
2、mation, the sensor integration and microprocessor product of the combination, which produces greatly promoted the development of the field of automation. This article focuses on intelligent sensor functions, features, discusses smart sensor applications in engineering.Key Words: Intelligent sensor ,
3、Functions , Applications1 概述 .12 智能传感器的主要功能 .12.1 自补偿功能 .12.2 自校准功能 .12.3 自诊断功能 .12.4 数据处理功能 .22.5 双向通信功能 .22.6 信息存储与处理功能 .22.7 数字量输出功能 .22.8 软件组态功能 .22.9 接口功能 .22.10 人机对话功能 .23 智能传感器的特点 .23.1 高稳定性与高可靠性 .23.2 高信噪比与高高的分辨力 .23.3 精度高 .23.4 自适应性强 .23.5 低的价格性价比 .34 智能传感器的应用 .34.1 汽车制动性能检测仪 .34.2 智能传感器的接口
4、芯片 .34.2.1 通用传感器接口芯片 USIC.34.2.2 信号调理芯片 SCA2095.44.3 3MAX14 系列传感器接口芯片 .4参考文献 .41. 概述传感是获取信息的工具，在自动控制系统中起着重要的作用。传感器是反馈环节的主要元件，是影响控制系统精度的主要因素。随着自动化技术的不断发展，人们对控制系统的性能要求越来越高，于是智能传感器( intelligent sensor) 就应运而生了。智能传感器是年由美国宇航局在宇航工业发展中开发出来的产品。宇宙飞船中有大量传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等数据。由于一台大型计算机很难同时处理这样多的数据,于是提出把 CPU
5、分散化的解决方案, 这样就产生出智能化传感器。随着微电子技术的发展, 1983 年,美国 Honeywell 公司首次推出过程工业中应用的智能压力传感器, 其它公司效法, 纷纷推出自己的智能传感器产品。随着传感器技术的迅猛发展，多种新型传感器应运而生，如智能传感器、微波传感器、超声波传感器、生物传感器和机器人传感器等。以此来满足对信息测量准确度也越来越高的要求，克服越来越大的测量难度，实现自动检测系统的智能控制。智能传感器是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、材料科学等综合密集型技术的结合，主要由传感器、微处理器（或微计算机）及相关电路组成。微计算机是智能传感器的核心，它
6、不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。微计算机能充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。传感器将被测的物理、化学量转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，进行波、放大、模数转换后送到微计算机中。智能传感器的结构可以是集成化的，也可以是分离式的。2. 智能传感器的主要功能智能传感器一般是指以专用微处理器进行控制的具有双向通信功能的先进传感器系统,微处理器能够按照给定的程序对传感器实现软件控制,把传感器从单功能变成多功能。智能传感器一般具有如下基本功能。2.1 自补偿功能：通过软件
7、对传感器的非线性、温度漂移、响应时间等进行自动补偿。2.2 自校准功能：操作者输人零值或某一标准量值后，自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。2.3 自诊断功能：接通电源后，检查传感器各部分是否正常，并可诊断发生故障的部件。自动诊断功能是智能传感器的重要功能,智能传感器通过其故障诊断软件和自检软件,自动对传感器和系统工作状态进行定期和不定期的检验、测试,及时发现故障,协助诊断发生故障的原因、位置,并给予操作提示。2.4 数据处理功能：可以根据智能传感器内部的程序，自动处理数据。智能传感器不仅能对各个被测量参数进行测量,而且能够根据已知被测参数求出未知参数,并能自动调零、自动平衡、自动补偿、
8、自动量程变换等。例如,在带有温度补偿和静压补偿的智能差压传感器中,当被测量的介质温度和静压发生变化时,智能传感器中的温度和静压补偿软件能自动依照一定的补偿算法进行补偿,以提高测量精度。2.5 双向通信功能：微处理器和基本传感器之间构成闭环，微处理机不但接收、处理传感器的数据，还可将信息反馈至传感器，对测量过程进行调节和控制。2.6 信息存储和记忆功能：对接收到的信息能够进行存储和记忆。智能传感器具有信息存储,记忆功能。能把测量参数、状态参数通过 RAM 和 EEPROM 进行存储。为了防止数据在掉电时自动消失,智能传感器中具有备用电源,当系统掉电时,能够把后备电源接入 RAM ,保护数据不丢失
9、。2.7 数字量输出功能：输出数字信号，可方便地与计算机或接口总线相连。2.8 软件组态功能：智能传感器由于采用微处理器,所以它不仅由必要的硬件组成,例如检测、放大、A/ D、D/ A、通讯接口等等,而且还有软件资料用于控制和处理数据。在智能传感器中,设置有多种模块化的硬件和软件,用户可以通过微处理器颁布指令,改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态,以达到不同的应用目的,完成不同的功能,增加了传感器的灵活性和可靠性。2.9 接口功能：智能传感器采用标准化接口,统一接口标准,容易通过 RS - 232 ,RS - 485 ,HART 等总线和上位机进行通信。这样,可以由远距离中央控制计算机
10、来控制整个系统工作,对测量系统进行遥控,也可以将测量数据传送到远方用户。2.10 人机对话功能：将微型机、智能传感器、仪表组合在一起,配备各种显示装置和输入键盘,使系统具有灵活的人机对话功能进行人机对话,配合操作人员指导工作,减少操作失误和读数错误,及时进行修改。3. 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：3.1 高稳定性与高可靠性：智能传感器能自动补偿工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移。智能传感器有多项功能保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。3.2 高信噪比与高的分辨力：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、相关分析处理，可以去除
11、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析能力，故智能传感器具有高的信噪比与高的分辨力。3.3 精度高：智能传感器有多项功能来保证它的高精度。如自校正零去除零点；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正。3.4 强的自适应能性：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，是系统工作在最优低功耗状态和优化传送速率。3.5 低的价格性能比：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
12、节进行精心设计与调试、惊醒“手工艺品”式的精雕细琢来获得，而是通过与微处理器/微计算机相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现，所以具有低的价格性价比。4. 智能传感器的应用以下示例可以充分体现出智能传感器具有的上述的功能。4.1 汽车制动性能检测仪汽车制动性能的好坏，是安全行车的最重要因素之一，也是汽车安全检测的重点指标之一。制动性能的检测有路试法和台试法。台试法用得较多，它是通过在制动试验台上对汽车进行制动力的测量，并以车轮制动力的大小和左右车轮制动力的差值来综合评价汽车的制动性能。汽车制动性能检测仪由左轮、右轮制动力传感器及数据采集、处理与输出系统组成，其总体框图如图 1
13、 所示。汽车开上制动检测台后，其左轮、右轮压下到位开关，使两个到位开关闭合接通，单片机检测到信号，判断汽车已经就位，于是发出一个控制信号。该控制信号经耦合驱动电路使检测台上的左轮、右轮滚筒电动机电路接通，滚筒电动机转动带动车轮一起转动。滚筒为粘砂滚筒，摩擦系数近似真实路面，可以模拟车轮在路面上行驶。此时，左轮和右轮制动力传感器开始测取阻滞力，经信号处理后，送单片机存储和显示。5s 后，单片机发出刹车信号，司机踏下制动踏板，车轮制动力作用于滚筒上，传送至动力传感器，信号变换后送单片机存储，由显示器显示。若某一车轮先被抱死，停止转动，则抱死指示灯亮，滚筒电动机电路断电，停止滚筒转动，完成一个检测过
14、程，汽车制动性能检测结果由显示器显示。汽车制动性能检测仪电路中使用的单片机型号为 AT89C52，为 CMOS 型 8 位单片机低功率、高性能，自带 8KBFlash程序存储器 ROM，可擦写 1000 次，引脚与指令与 80C51 单片机兼容。4.2 智能传感器的接口芯片目前的智能传感器,在结构上大多由敏感元件和外接的信号调理电路、微处理器组成,还不能将它们集成在一个芯片上。随着集成电路技术的发展和对于智能传感器研究的不断深入,已经研制出专用集成电路芯片,用来对敏感元件的信号进行放大、滤波、A/ D 转换和数据处理。利用这些接口芯片和敏感元件,可以组成具有一定功能的智能传感器。4.2.1 通
15、用传感器接口芯片 USIC在欧洲尤理卡计划中,JAMIE(Joint Language Mi2crosystems Initiative of Europe - EU574) 工程研制了通用传感器接口芯片 USIC ,目的是为了应用于 JAMIE工程中的各种智能传感器。该芯片具有智能传感器所需要的各种信号处理能力,并具有通用性。该芯片由两个多路开关、两个运算放大器、两路带有 - 调制器和 FIR 数字滤波器的 A/ D 转换器、两个 24 位计数器、RISC 处理器、两个 D/ A 转换器、一个并行接口、一个串新接口组成。USIC 提供了传感器数据处理的多种功能,在 USIC 中每一部分的输入
16、、输出均有管脚引出,用户可以根据需要自由组合。4.2.2 信号调理芯片 SCA2095该电路由 ISS ( Integrated Sensor Solution) 公司开发。主要应用于利用压阻效应,组成全桥电路的压力传感器、应变式传感器、加速度传感器。内存的EEP2ROM 可以储存非线性校正、温度补偿、故障诊断等功能。SCA2095 还能够调节增益和传感器全桥信号的偏移,能够修正灵敏度误差。芯片的外部数字接口有串行时钟 SCL K、数据输出 DO、数据输入 DI. 芯片内部设置有温度寄存器、增益温度补偿寄存器、零点温度补偿寄存器、零点偏移寄存器、输出基准寄存器。通过 CPU 操作,这些寄存器的
17、数值可以设定,并通过 D/ A 转换器变成模拟量叠加在调理电路中,用于改善传感器的特性。4.3MAX14 系列传感器接口芯片Maxim 公司推出的 MAX14 系列传感器接口芯片提供精密的传感器补偿和温度校正。该系列有 MAX1450 、MAX1457 、MAX1458 三个产品。所有这些电路都提供一条信号通道,包括灵活的传感器激励电路,可编程增益放大器( PGA) 及模拟输出。低档器件MAX1450 只提供这些功能;中档器件 MAX1458 增加了 4 个 12 位 DAC ,用来对其增益、失调及参数的温度漂移进行校正:一个 3 位 DAC 用于粗调,一个内部 EEPROM 用来保存 DAC
18、 校正数据; 高档器件 MAX1457 是一个高精度、混合信号、线性化器件,采用两种补偿方式:第一种是模拟方式,采用两个 DAC 补偿一阶温度误差,用一个失调温度补偿 DAC 调节失调,另一个满度输出温度补偿 DAC 调节激励电流来改变激励电压。第二种是数字补偿,由指示温度的桥路激励电压驱动 ADC 产生 EEPROM 地址,EEPROM 输出 120 段逼近的残余高价误差,进行线性化,并将数据保存于 EEPROM ,经过这种线性化处理后输出精度可以达到传感器重复误差的 011 % 以内。新产品 MAX1460 也将近期推出。参考文献1 IEEE Std 1451. 2 - 1997 Smart Transducer for Sensors and Actuators- Transducer to Microprocessor communication protocols and TEDS formats.2 郁有文.传感器原理及工程应用（第四版） ，西安电子科技大学出版社，20143 姜书汉.智能传感器的主要功能与应用发展 ， 物联网 ，2011：34-35。4 徐作华.浅谈智能传感器的典型应用.2012 年. 5 何道清,张禾,堪海云.传感器与传感器技术.北京科学出版社，2008.6 黄庆彩，程勇.传感器技术与应用.长沙国防科技大学出版社，2009.
