文档介绍：智能传感技术
胡超
浙江大学宁波理工学院信息分院
摘要本文就智能传感技术的进展作一介绍。包括智能人们常把带有微处理器的传感器称为智能传感器,以
传感技术的特征、通用传感器种类、现代智能传感器区分传统的由电子电路组成的功能比较简单的传感
的发展趋势特点、智能传感器常用算法和处理技术, 器。基于微处理器的传感器已有几十年的历史,现在
以及智能传感技术的典型应用。已从最初的简单数字化与信息处理已发展到了目前具
有网络通信、信号处理(包括程控放大、线性化、信
关键词传感器智能处理与算法典型应用
号滤波、信号补偿等)、自定标自校正、优化和预测
计算、人机界面、等多功能现代智能传感器。这些新
1、引言型传感器的使传感器应用系统的性能得以明显改善。
传感器是将被测量转换为可测量的装置[1、2]。本文以下的内容将对通用传感器、新型传感器、
通常,当操作者(或机器)不能直接准确地获取被测智能传感器的发展趋势、智能传感器的典型算法、智
量信息,通过传感器则将被测信息变成能直接观测和能传感器的应用等方面给予介绍。
准确定量的信息。从这个意义来说,传感器有古老的
历史,如中国古老的杆秤,就是将物体重量转换成位置 2、通用传感器
变化,人们就可观测刻度获得被测物体的重量。传感器的门类及其繁多,其中以工业测量和控制
随着科学技术的发展,传感技术起着越来越重要为主要目的是主体[2]。现在,对电压、电流、电阻、
的作用,任何一个测量仪器或自动化装置,都要配置电容、电感等电量的测量手段成熟、准确、且方便,
传感器以完成对象的检测或控制信息反馈。现在,传所以现代传感器常采用电量信号作为输出。早期(上
感技术已成为工业、农业、交通、社会生活、军事等世纪80年代前)的传感器常用弹性元件和敏感元件组
行业必不可少的支撑技术,同计算机技术与通信技术成。其中弹性元件利用某些合金材料制成膜片、簧片、
一起被称为信息技术的三大支柱。弹性梁、弹性圆筒或圆柱等,把某些被测量,如力、
力矩、压力、加速度、振动等非电量转换成位移或应
对于什么是“智能”传感技术,学术界有一些争
变;敏感元件则将位移或应变转换成电量。常用的传
议。我们认为,传感器的“智能”体现在它具有一些类
感器有[3、4]:
似人和动物感觉的能力和对信息的处理能力。相对于
传统的传感器技术,智能传感技术具有以下特征[1]: 电阻式传感器:
1) 智能传感有环境适应能力,能优化传感器的探测是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,有变
性能、功率消耗、和通信能力。阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、磁阻式等。
2) 智能传感器能记录数据并提取信息,通过传感器电阻应变片是基于金属导体的应变效应。即金属
中的(预编或自学****处理程序使获得数据与信导体在外力作用下发生机械变形产生应变时,其电阻
息类型有很好的吻合。值随着应变(伸长或缩短)的变化而发生变化。即有公
式:
3) 智能传感器有某种程度的自诊断能力,能依靠内
部定标系统、内部过程检查来确定本身运转的正 dR / R = (1 + 2μ)ε(1)
常与否。
式中dR/R是应变片电阻值的相对变化;ε是金属导体
4) 智能传感器能通过通信口进行重新编程,并可与的相对机械变形,即应变;μ是与金属导体材料有关
外部设备交换数据和程序变量。的常数。图1是电阻应变片的结构,图2是应变片种类,
图3是应变片测量电桥电路[4]。电阻应变片常紧贴在
5) 智能传感器具有一定程度预测目标变化的能力。
弹性元件上,当弹性元件受到力(或力矩、压力等)
现代传感器装置常由微处理器或微计算机组成, 作用时,产生相应得应变,测量电桥即输出一个与之
用程序来控制传感器的运行。由于程序的编写是人完相对应的电压信号。
成的,因此或多或少包含了人的智能处理特征。从而,
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电阻应变片有非常悠久的历史。由于其性能稳定、式中, 为真空介电常数(=×10 F/m);ε—
ε 0
测量精度高、实现容易、重量轻、体积小、成本低等 2
相对介电系数;S —极板遮盖面积(m );δ—极板
优点,至今使用广泛。例如对于力的测量,应变片配
间的距离(m)。上式表明,当δ、S 或ε发生变化时,
上合适的弹性元件,可以测量小到生物神经作用力,
会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变,
大到火箭底座的反应力,大小范围达十几个数量级。
而仅改变另一个参数,就可把该参数的变化变换为单
另一个典型电阻式传感器是电位器。如图2,通过
一电容量的变化,可见,电容式传感器可分为极距变
改变电位器的中间触点,即能