传感器技术｜全面解析智能传感器

2017年11月20日，工信部正式印发了《智能传感器产业三年行动指南（2017-2019）》（简称“指南”）。《指南》提出了总体目标，规划到2019年实现传感器产业取得明显突破，智能传感器产业规模达到260亿元，其中主营业务超过10亿元的企业达到5家，超过1亿元的企业实现20家。微机电系统（MEMS）工艺生产线能稳步增长。

《指南》规划利用现有财政资金渠道，发挥国家集成电路产业投资资金及地方性产业基金的撬动作用，鼓励社会资本进入智能传感器产业，加大对智能传感器产业的扶持力度。

什么是智能传感器？

智能传感器是一种能够对被测对象的某一信息具有感受、检出的功能；能学习、推理判断处理信号；并具有通信及管理功能的一类新型传感器，智能传感器有自动校零、标定、补偿、采集数据等能力，其能力决定了智能化传感器还具有较高的精度和分辨率，较高的稳定性及可靠性，较好的适应性，相比于传统传感器还具有非常高的性价比。

智能传感器的结构组成

智能传感器主要由传感器、微处理器及相关电路组成，传感器将被测的物理量、化学亮转换成相应的电信号，送到信号调制电路中，经过滤波、放大、A/D转换后送达微处理器，微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节，以实现对测量过程的调节和控制；另一方面将处理的结果传送到输出接口，经接口电路处理后按输出格式、界面定制输出数字化的测量结果，微处理器是智能传感器的核心，由于微处理器充分发挥各种软件的功能，使传感器智能化，大大提高了传感器的性能。

智能传感器的功能

1. 具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能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标定功能。

2. 具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或多温度、静压力等参数进行自动补偿等）。

3. 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。

4. 具有双向通信功能，能直接与微处理器（up）或单片机（uc）通信。

5. 人机对话功能，智能传感器与仪表等组合在一起，配备各种显示装置和输入键盘，是系统具有灵活的人机对话功能。

智能传感器的实现途径

目前智能传感器的实现是沿着传感器技术发展的三条途径进行：1.利用计算机合成，即智能合成；2.利用特殊功能材料，即智能材料；3.利用功能化几何结构，即智能结构。

智能合成表现为传感器装置与微处理器的结合，是目前主要途径。

按传感器与计算机的合成方式，目前的传感器技术沿用以下三种具体方式实现智能传感器。

1. 非集成化的模块方式

非集成化智能传感器是将传统的基本传感器、信息调理电路、带数字总线接口的微处理器结合为一个整体而构成的智能传感器系统，这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的，自动化仪表生产厂家原有的一套生产工艺设备基本不变，附加一块带数字总线接口的微处理器插板组装而成，并配备能进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件，从而实现智能传感器功能，这是一种最经济、最快速建立智能传感器的途径。

2. 集成化实现

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老制作敏感元件、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，集成化实现是智能传感器达到了微型化、结构一体化，从而提高了精度和稳定性，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。

3. 混合实现

要在一块芯片上实现智能传感器系统存在着许多棘手的难题，根据需要与可能，可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。

智能传感器的发展与局限

智能传感器的发展

1. 超小型化、微功耗

智能传感器朝着短、小、轻、薄的方向发展，以满足航空、航天及国防尖端技术领域的急需，并且为开发便捷式、袖珍式检测系统创造了有利条件。

2. 总线技术

智能传感器的总线技术现正逐步实现标准化、规范化。目前所采用的总线主要有一下六种：

A.1-Wire总线

B. I²C总线

C. SMBus

D. SPI总线

E. Micro Wire总线

F. USB总线

智能传感器的局限

1. 无法在合理的时间内从用户身上赚回产品开发和制造成本

2. 某些终端用户无法或者不愿意提供智能设备运行或与之通信所需的基础条件

3. 受使用环境的约束不允许增加实现智能和互联所需的硬件。

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