智能传感器的发展与应用现状

智能传感器的发展与应用现状

------Development And Application of Smart Senor 摘要：

随着微电子机械系统和集成电路技术的迅速发展带来的电子产品微型化趋势，传感器不在只限于传送与感知，它正向着集成化、网络化、智能化的方向前进。

关键词：

智能传感器集成化网络化智能化

一、引言Foreword

你是否听说或使用过中高档数码相机或摄像机上的光学防抖系统？你是否了解著名ABS（防抱死制动系统）？你是否见识过生产线上工业机器人的高效精准？当你了解他们的时候，你会惊艳于其中的主角---智能传感器。

光学防抖动系统的核心是其中的双轴或三轴向微加速度计或微陀螺仪，通过这种集成于芯片中的微型传感器检测机身抖动并由芯片内部的信号处理、数据分析单元，换算成镜头的各轴向位移量，进而输出控制量，驱动镜头中可变角度透镜的移动，使光学系统的折射光路保持稳定。工业机器人同样应用了三轴向的微加速度传感器，而ABS中应用了大量智能压力传感器芯片。

二、简介Introduction

智能传感器（smart sensor）是美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船的时候产生的。宇宙飞船需要对速度、加速度、位置、姿态等传感器，由此需要大量的各种传感器，而其产生的数据庞大，处理他们要用到大型计算机。为了避免使用大型计算机，在保证数据不丢失的情况下，一种将传感器检测与计算机分析一体化的新型传感器应运而生。

电气电子工程师学会（IEEE）在1998年通过了对智能传感器的定义，即“除了产生一个被测量的正确表示之外，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”。也就是说，智能传感器是一种带有微处理器的，具有信息检测、信息处理、信息分析及逻辑判断功能的传感器。需要注意的是，在概念上要区别于intelligence sensor（知识型传感器），虽然其也具备一定的智能性，但仅停留在一些相应补偿、调整工作状态，特别是没有集成处理器件，其知识等级太低，一般不归入智能器件的范畴。

从当下的发展现状来看，智能传感器正向这集成化、网络化、智能化方向迅速发展，并成为未来物联网的核心技术。

三、发展与应用Development And Application 1.集成化

智能传感器的集成化，体现在其采用微机械加工技术--微电子机械系统（MEMS）和大规模集成电路工艺技术--CMOS，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号处理单元。

典型应用实例：

在今年Microelectronics Journal 第42期的论文中，介绍了来自日本Toyohashi University of Technology的研究人员研制出了一种基于硅片应用微型螺旋天线进行无线传输的智能传感器（Wireless smart sensor with small spiral antenna on Si-substrate），其内含有一个热电温度传感器，初步设想的应用是，希望其如药片一样进入人体，然后测量人体体内温度并将数据发送至体外的接收器。该研究成果的主要特色体现在其芯片内包含了利用微波发电装置以及将微型线圈集成入芯片，极大减少了空间，并实现数据的无线传输。

P1：制成的样品

芯片内部信号处理的基本过程：

在信息处理的调制阶段，其应用锯齿波与传感器测得信号通过比较器，在每一个锯齿波中形成两个脉冲，两个脉冲信号的距离即能表征传感器的数据。其计算式如下：

在形成脉冲之后，再通过振荡器的处理，其中应用了脉冲调制技术（PWM），大大减少信号传输的能耗。最后使用微型电感线圈发送信号。值得一提的是，在如此小的面积内，精准的制造出匹配产生300MHZ（传输距离3米满足人体测温要求）的电感线圈，要考虑到多种参数，如线圈的圈数N，直径大小，线圈间的间距等，这些参数直接决定了线圈电感的大小。

为了检验无线传输的多向有效性，研究人员还检测了各个方位的测量效果，发现XYZ方向都没有发生信号的严重丢失和失真。

2.网络化

智能传感器早在1993年9月由美国国家标准技术研究院和IEEE仪器与测量协会的传感器技术委员会联合制定了智能传感器通用通信接口标准，即IEEE1451系列标准。这使得传感器的大规模连接与应用成为了可能，解决了不同网络之间的兼容性问题。以智能传感器为基础的传感器网络将成为未来物联网的核心技术。

典型应用实例：

基于无线传感器网络的森林火灾监测系统火焰探测模块设计

用于火灾监测的传感器节点上集成有多个传感器模块, 主要有温湿度探测模块、烟雾探测模块、火焰探测模块三部分组成。其中, 温湿度探测模块主要是实时采集土壤及空气的温度、湿度, 以及土壤含水率, 以便建立一个监测系统平台, 为森林火灾的预报提供参考; 烟雾探测模块和火焰探测模块分别是通过对森林火灾发生时产生的烟雾和火焰的 热辐射进行探测, 传回信息平台, 以达到报警的目的。

正是通过对多路信息，多个节点利用网络进行数据整合，然后交由服务器进行分析处理，再通过网络进行执行（报警）。

3.智能化

传感器的智能化体现在其已经不单单是获取单一信息的工具，同时它还具有对测量数据的自动校正补偿，分析处理得到具体执行参数或者状态参数，有些甚至还能够通过软件自动进行逻辑判断，对执行器发出准确的控制信号。例如，专为老年人设计的摔倒判断智能传感器，它不仅仅需要测量老人的体态信息，还要通过这些信息进行判断老人是否已经处于一

种跌倒的状态，同时在此时的传感器还应该执行发送求救信号的命令。

典型应用实例：

在sensor 杂志2010年的一篇论文详细描述了瑞士科学家，研制的一种基于FPGA测量数控机床工具磨损面积的智能传感器。

数控机床上的工具的磨损程度直接关系到了机械加工的精度。另外加工工具的成本在整个产品加工成本约12%,因此通过传感器使工具处于最佳工作状态，可以减少磨损和震动，检测工具状态，防止工具折断事故的发生。

该传感器通过三轴向微加速度传感器测得工具在加工器件时的震动状态，另外通过电机电流得到其运动速度，然后数据通过FPGA算法分析（略），得出磨损面积。

应用智能传感器的测量效果与仅利用震动信号测量的结果比较：

明显得出，利用FPGA方法得到的曲线更接近于准确值。 实物展示：

四、心得体会

我个人非常喜欢这种形式的课外作业，激发了我的求知欲望，我应用了原来在信息检索课（公选课）的知识，到我们学校的图书馆中的中外文数据库，如 web of science 、IEEE explore、万方及维普数据库，查找关于smart senor的相关论文，从一开始的一无所知，到现在的有所见地。如今在我的脑海中，也有我自己对智能传感器的定义和展望，一种集检测信号、处理信号、逻辑分析信号并生成实际应用数据或执行命令的智能微电子系统。由于其小型化、智能化、低成本等特性，阵列式传感器分析模块将大范围应用，智能传感器网络将让人类真正进入数字化世界。

五、参考文献

1、Gu, BJ (Gu, Bon-Ju); Lee, WH (Lee, Wang-Hoon); Sawada, K (Sawada, Kazuaki); Ishida, M (Ishida, Makoto) Wireless smart sensor with small spiral antenna on Si-substrate MICROELECTRONICSJOURNAL：SEP 2011，42:9

2、张新，李文彬，曹志勇基于无线传感器网络的森林火灾监测系火焰探测模块设计[J]森林工程,2011 27(2):53-55

3、Miguel Trejo-Hernandez , Roque Alfredo Osornio-Rios FPGA-Based Fused Smart-Sensor for Tool-Wear AreaQuantitative Estimation in CNC Machine InsertsPublished: 7 April 2010

4、JulienPansiot, DanailStoyanovAmbient and Wearable Sensor Fusion for Activity Recognition in HealthcareMonitoring Systems From a book

5、陈广辉 (呼伦贝尔雀巢有限公司)关于智能传感器与汽车电子的分析实用科技

6、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所丁露梅恪智能传感器在物联网领域中的应用

7、郭晨智能传感器研究的进展与展望中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1673-0992(2010)04-165-02