1、 1 毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 智能传感器的研究综述 摘要： 随着信息技术的发展，传感器也得到了日益广泛的应用。工业、农业、航空航天、军事国防，从陆地到海洋，从天空到太空，从各种复杂的工程系统到生活的衣食住行，几乎每一个现代化项目都离不开各种类型的传感器。 本文通过了解智能传感器的概述，以及其在不同领域的广泛应用和发挥的重要作用，结合目前应用状况展望未来的发展前景。 关键词： 智能传感器；性能；应用 1 引言 传感器是一种能把特定的信息 (物理、化学、生物 )按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置 1。 它按照用途可分为温度传感器、速度传感器、图形传感器、位置传感器等；按照检
2、测原理可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器等 1。 在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理息息相关。分析当前信息与技术发展状态，先进传感器必须具备 数字化、 智能化、 微型 化、 多功能集成化和 网络化等优良特征 2。 2 智能传感器的概述 关于智能传感器的定义，全球性的电气电子工程师学会（ IEEE）有一个专 门的定义：除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器 3。 智能传感器是具有信息处理功能的传感器
3、。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。智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。 3 智能传感器与常规传感器的比较 在探讨智能传感器之前，我们应当深入研究一下常规传感器，这会给我们理解智能传感器打下坚实的基础。首先，为了确保传感器 能够有效地测量，通常必须对常规传感器进行标定，也就是说，传感器的输出必须符合某个预定的标准，这样它们测得的数值才能真实地反映被测参数的值。其次，传感器的性能会随时间发生变化，这种现象称作漂移。再次，传感器会受工作环境的影响而发生变化。最后
4、，大多数传感器都需要某种特殊的硬件 信号调理电路，这样才能用于监测或者控制的应用中。而且常规传感器通常需要在物理空间上靠近接收检测信号的控制和监控系统 4。 对于智能传感器来说，工程设计师首先将传感器信号进行了数字化，即模 -数转换或者称 A/D 转2 换，这一步极为关键。因为数字 不会随时间而改变，并且也可以准确地和轻松地处理它们。其次，智能传感器运用了微处理器。由于传感器信号数字化，所以微处理器中的运行软件能够灵活、快速的完成信息处理。一旦系统具有了智能，就可以自动完成标定，也可以通过纯数学的处理算法消除器件漂移，甚至还能通过定期监控环境条件并自动进行适当的调整来补偿环境变化 4。不但灵活
5、性提高了，而且节省了成本。 下图 1 和 2 是两者的比较图： 图 1 常规传感器 图 2 智能传感器 4 智能传感器 的应用 4.1 超声智能传感器 超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和红外测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，在比较恶劣的 环境中也具有一定的适应能力，且结构简单、成本低因此在工业控制、建筑测量、汽车倒车系统等方面得到了广泛应用 5。超声智能传感器内3 有以微处理器为中心的数据处理电路，通过测量超声波从传感器到目标再返回所需要的时间，计算传感器到达目标的距离，传感器通过标准串行接口与 PC 机通信，用户可以通过图形化人机接口监视目标距离，
6、还可以根据需要改变传感器的参数，这种传感器体积小，可以在过程监视和机器人中的测距。 6 4.2 智能红外传感器 这种传感器可用于模拟生物的眼睛。初级阶段模拟昆虫的眼睛，更进一步则用来模拟人的眼睛，随着神经网络技术的发展现已可进行“图样”识别和物体辨认。智能红外传感器可用于军事目标搜索，报警，跟踪，空间飞行和航空监视系统，机器人和工业处理系统，环境监测和污染警告系统。它要进行滤波和其他信号处理，进行相关处理，从背景中提取有用和必要的数据。智能红外传感器今后的发展趋势是研制集成化的信号读出和处理电路，以便对信息滤波和提取进行时间和空间相关处理。它可和神经网络相结合，应用前景较为广阔，特别是机器人、
7、运载工具制导和环境监测中已逐渐显示出了它的优越性 7。 下图 3 是只能红外传感器的原理图： 图 3 智能红外传感器原理图 4.3 光电式智能压力传感器 这种新型传感器采用了离子注入硅技术，在压差传感器上集成了静压和温度传感器，随时修正过程温度和静压引起的误差。因此具有高可靠性、高稳定性、高精度、宽量程比、宽测量范围等优点。该类传感器普遍应用于电力、冶炼、石化、建筑、制药造纸、食品及烟草等行业 8。 4.4 人工神经网络智能传感器 人工神经网络是由大量基本元件 神经元相互连接而成的。每个神经元的结构和功能比较简单，但大量神经元组成的神经网络具有复杂功能。人工神经网络是一个非线性的并行处理系统，
8、采用分布式存储结构，信息分布在神经元之间的连接强度（即权重）上，存储区和计算区合在一起。识别4 混合气体中的成分传统上是先将各种气体成分分离出来，然后分别用适合于各种气体的传感器进行测验，现在研究出用人工神经网络和气体微传感器组成的智能传感器，不用分离就可以将混合气体中的各种气体成分检测出来 9。 4.5 三维多功能单片智 能传感器 目前已开发的三维多功能的单片智能传感器，是把传感器、数据传送、存储及运算模块集成为硅片为基础的超大规模集成电路的智能传感器。它已将平面集成发展成三维集成，实现了多层结构。视觉传感器就是在硅片上分层集成了敏感元件、电源、记忆、传输等多个部分，它将光电转换等检测功能和
9、特征抽取等信息处理功能集成在一硅基片上。这种将二维集成发展成三维集成的技术，可实现多层结构，将传感器功能、逻辑功能和记忆功能等集成在一硅片上，这是智能传感器的一个重要发展方向 10。 4.6 汽车传感器 一个最新的汽车传感器审查文件指出 ，传感器被广泛应用于汽车生产中。根据汽车系统应用的动力可分三类：总成，底盘和其主机身。在汽车系统使用中，有六种类型的旋转运动传感器，四种类型的压力传感器，五种类型的位置传感器和三个类型温度传感器。此外，两种类型的空气质量流量传感器，五种类型的废气氧传感器，一种类型的爆震传感器，四种类型的线性加速度传感器，四种类型角速率传感器，四种类型的乘员舒适 /方便传感器，
10、 两种类型的近的距离障碍检测传感器，四种类型的距离障碍物检测传感器和新兴的十种国家的艺术技术鉴定传感器等 11。由于汽车系统的复杂性和性能开发的需求已经 出现了非接触式旋转位置传感器，比传统的电阻轨道旋转设备耐用性显着增强。这种可靠性的改善尤为重要，当传感器是要与安全至关重要的底盘和动力传动管理系统中。非接触式旋转传感器可以使用可变电感设计平面线圈，这些被蚀刻到标准印刷电路板。 这种传感器可以驱动和解码然后使用自定义振荡器和开关电路，方便到一个单一芯片上集成的 ASIC12。总之，传感器在汽车使用中起着重要的作用。 5 结论 智能传感器代表着传感器发展总趋势 , 它已经受到了全世界范围的瞩目和
11、公认 。 因此 ,可以说智能传感器是一种发展前景十分看好的新传感器 。 今后 , 随着硅微细加工技术的发展 ,新一代的智能传感器的功能将会更加增多。它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术等 , 使传感器具有更高级的智能功能 。 同时 , 它还将朝着微传感器、微执行器和微处理器三位一体构成一个微系统的方向发展。 参考文献 1 来清民 .传感器与单片机接口及实例 M.北京：北京航空航天大学出版社， 2008.1. 5 2 贾伯年，俞朴，宋爱国等 .传感器技术 M.南京：东南大学出版社， 2007.8. 3 梁威，路康，李银华等 .智能传感器与信息系统 M.北京：北京航空航天大学出版社， 200
12、4.3. 4 赫德尔斯顿（ Huddleston.C） ,张鼎等 .智能传感器设计 M.北京：人民邮电出版社， 2009.6. 5 王振江，苏新彦，韩跃平 .基于 AT89C51 的高精度超声波测距系统 J.传感器世界 ,2010 年第 16卷第 1 期 .7-9. 6 孙运旺，李林功等 .传感器技术与应用 M.杭州：浙江大学出版社， 2006.9. 7 张洪润，孙悦，张亚凡等 .传感技术与应用教程 M.北京：清华大学出版社， 2008.11. 8 唐文彦 .传感器 M.北京：机械工业出版社， 2006.7. 9 吕泉，张洪润等 .现代传感器原理及应用 M.北京：清华大学出版社， 2006.6. 10郁有文，常健，程继红等 .传感器原理及工程应用 M.西安：西安电子科技大学出版社， 2008.7. 11Fleming, W.J. Overview of automotive sensors.J Sensors Journal.2001.11.10-12. 12Hale, S.A. Noncontact rotary sensors for automotive use.J Automotive Electronics, 1991., Eighth International Conference on.1991.10.18-20.
