text: 智能传感器概述
  所谓智能传感器，是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器[13]。它不仅具有传统传感器的各种功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通信等多种功能，它的产生是微型计算机和传感器相结合的结果。
  智能传感器是一门涉及多种学科的综合技术，是当今世界正在发展中的高新技术。它虽然已被军事、航天航空、科研、工业、农业、医疗、交通等领域和部门广泛地应用，但是至今尚无公认的规范化的定义。早期，很多人认为智能传感器是将“传感器与微型计算机（微处理器）组装在同一块芯片上的装置”；或者认为智能传感器是将“一个或多个敏感元件和信号处理器集成在同一块硅或砷化镓芯片上的装置”。随着以传感器系统发展为特征的传感器技术的出现，人们逐渐发现上述对智能传感器的认识，在实际应用中并非总是必需，而且也不经济；重要的是传感器与微处理器（微型计算机）如何赋以“智能”的结合。若没有赋予足够的“智能”的结合，只能说是“传感器微型化”，或者是智能传感器的低级阶段，还不能说是“智能传感器”。一个真正意义上的智能传感器必须具备如下几个方面的功能[14]：1）具有自校零、自标定、自校正和自动补偿的能力；2）具有自动采集数据和处理数据的能力；3）具有自整定、自适应的能力；4）具有一定程度的存储、识别和信息处理能力；5）具有双向通信、标准化符号输入和输出能力；6）具有特定算法进行判断、决策处理的能力。
  关于智能传感器的称谓，目前尚不统一，美国人有的将所谓的智能传感器写成“SmartSensor”，也有的写成“IntegratedSmartSensor”；英国人则称之为“In⁃telligentSensor”。对此，中国学者有的将“SmartSensor”译为“灵巧传感器”，
  也有的译为“智能传感器”。本书推荐“IntelligentSensor”为我们所陈述的智能传感器英语称谓。
  智能传感器是由传感器和微处理器相结合而构成的，它充分利用微处理器的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对它的内部行为进行调节。图
  2⁃5所示为智能传感器的原理框图，它主要包括传感器、信号调理电路和微处理器[15]。
  微处理器是智能传感器的核心，它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。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而能有效降低制造难度，提高传感器性能，降低成本。智能传感器的信号感知器件往往由主传感器和辅助传感器两种。以智能压力传感器为例，主传感器是压力传感器，测量被测压力参数，辅助传感器是温度传感器和环境压力传感器。温度传感器检测主传感器工作时，由于环境温度变化或被测介质温度变化而使其压力敏感元件温度发生变化，
  以便根据其温度变化修正和补偿由于温度变化对测量带来的误差。环境压力传感器则测量工作环境大气压变化，以修正其影响。微机硬件系统对传感器输出的微弱信号进行放大、处理、存储和与计算机通信。
  智能传感器的实现结构可以分为以下几个方面。
  1.非集成化实现
  非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其框图如图2⁃6所示。
  信号调理电路用来调理传感器的输出信号，即将传感器输出信号进行放大并转换为数字信号后输入微处理器，再由微处理器通过数字总线接口挂接在现场数字总线上，是一种实现智能传感器系统的最快途径与方式。例如美国罗斯蒙特公司、SMART公司生产的电容式智能压力（差）变送器系列产品，就是在原有传统式非集成化电容式变送器基础上附加一块带数字总线接口的微处理器插板后组装而成。同时，开发配备可进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而形成智能传感器。
  2.集成化实现
  这种智能化传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，
  利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成，故又可称为集成智能传感器（IntegratedSmart/Intelli⁃gentSensor），如图2⁃7所示。这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路，
  以及微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上构成的。敏感元件构成阵列后，
  配合相应图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器。这时的智能传感器就达到了它的最高级形式。
  3.混合实现
  根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里。如图2⁃7所示集成化敏感单元包括弹性敏感元件及变换器。信号调理电路包括多路开关、放大器、基准、模-数转换器（ADC）等。
  微处理器单元包括数字存储器（EEPROM、ROM、RAM）、I/O接口、微处理器、数-模转换器（DAC）等。图2⁃7a中，三块集成化芯片封装在一个外壳里；图2⁃7b、c、d中，两块集成化芯片封装在一个外壳里。图2⁃7a、c中的智能信号调理电路，具有部分智能化功能，如自校零、自动进行温度补偿，这是因为这种电路带有零点校正电路和温度补偿电路才获得了这种简单的智能化功能。
  一般而言，智能传感器的功能包括以下几个方面[16]：1）具有自动调零、自校准、自标定功能。智能传感器不仅能够自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自动完成标定工作。2）具有逻辑判断和信息处理能力，能对被测量进行信号调理和信号处理
  （对信号进行预处理、线性化、或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。3）具有自诊断功能。智能传感器通过自检软件，能对传感器和系统的工作状态进行定期或不定期的检测，诊断出故障的原因和位置并做出必要的响应。4）具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。5）具有数据存储和记忆功能，能随时存取检测数据。6）具有双向通信功能，能通过各种标准总线接口、无线协议等直接与微型计算机及其他传感器、执行器通信。
  与传统传感器相比，智能传感器具有以下特点[17]。
  由于智能传感器具有信息处理的功能，因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差，如通过自动校正零点能尽量减小系统零点偏差；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；对整体系统的非线性等系统误差进行自动校正；通过对采集的大量数据的统计处理以消除偶然误差的影响等。这样，保证了智能传感器的高精度。例如，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司PPT系列智能精密压力传感器精度为0.05%，比传统压力传感器提高一个数量级；美国BB公司XTR精密电流变送器精度0.05%，非线性误差仅为0.003%。
  2.测量范围很宽，并具有很强的过载能力
  例如，美国ADI公司ADXRS300角速度集成传感器（陀螺仪）测量范围
  ±300°/s，并联一只电阻扩展到±1200°/s，并可承受1000g加速度。
  3.高信噪比、高分辨力
  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能力。例如，ADXRS300角速度陀螺仪集成传感器能在噪声环境下保证精度不变，其角速度噪声低至0.2°/s/Hz。
  4.高可靠性与高稳定性
  智能传感器的自动补偿能力除了保证该传感器的高精度特点外，能自动补偿因工作条件和环境参数发生变化后而引起的系统特性漂移，例如温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移，保障系统稳定可靠地工作。智能传感器的适时自我检验、分析、诊断和校正能力，能使系统在异常情况下也能可靠稳定工作。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所引起的系统特性的漂移，如温度变化产生的零点和灵敏度漂移；当被测参数变化后能自动改换量程；能实时、自动地对系统进行自我检验，分析、判断所采集的数据的合理性，并给出异常情况的应急处理（报警或故障提示）。
  5.自适应性强智能传感器具有判断、分析与处理功能
  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定各部件的供电情况、与系统中的上位计算机的数据传输速率，使系统以最适当的数据传送速率工作在最优低功率状态。它能根据系统工作情况决策各部分的供电情况和与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传送效率优化的状态。例如，US0012是一种基于数字信号处理器和模糊逻辑技术的智能化超声波干扰探测器集成电路，它对温度环境等自然条件有自适应能力。
  6.高性价比
  智能传感器的高性能是无可质疑的，那么它的价格与传统传感器相比是否高很多呢？可以肯定地讲，智能传感器采用低廉的集成电路工艺并具有强大的软件功能，其性价比远高于传统传感器。
  智能传感器所具有的上述高性能，不是像传统传感器技术用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”式的精雕细琢来获得的，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的，因此，其价格性能比低。
  7.超小型化、微型化
  随着微电子技术的迅速推广，智能传感器正朝着小和轻的方向发展，以满足航空、航天及国防需求，同时也为一般工业和民用设备的小型化、便携发展创造了条件，汽车电子技术的发展便是一例。智能微尘（SmartMicroDust）是一种具有电脑功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有多大区别。但内部却包含了从信息采集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。
  8.低功耗
  降低功耗对智能传感器具有重要的意义。这不仅可简化系统电源及散热电路的设计，延长智能传感器的使用寿命，还为进一步提高智能传感器芯片的集成度创造了有利条件。智能传感器普遍采用大规模或超大规模CMOS电路，使传感器的耗电量大为降低，有的可用叠层电池甚至纽扣电池供电。暂时不进行测量时，还可用待机模式将智能传感器的功耗降至更低。
  由此可见，智能化设计是传感器传统设计中的一次革命，是传感器发展的主要方向。