传感器与智能传感器的发展

传感器的发展

由于物理、化学、生物学等自然科学的发展，计量相关的计量器具在人类活动中一直受到重视，在工业化进程中，检测仪表的生产和应用已形成了一个产业，特别是20世纪后期，传感器已成为各行各业最关注的产品。它的定义不断在延伸，我国在1987年的标准中GB7665-87作了界定：“传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。”在实际的生产活动中，人们对传感器感知和传输信息这两项功能是有共识的，但对于大型检测仪器，分析仪器及其他价值高的器件或装置是否是传感器，就看法不一了，具体在国民经济中统计，行业归类等方面，更是五花八门了。但是小型的能感知物理量、化学量、生物量并能转换成电量等信号的元器件，是传感器的主要特征，用于各种机器设备和系统中，作为配套产品使用，这些共识是无用置疑的。

有鉴于此，传感器的市场量化统计值，只能给出保守的估计，即全球传感器市场2015年约为1千多亿美元，我国约为1千多亿元人民币，相应复合增长率为10%、30%。

传感器技术正在从传统传感器沿着数字化、网络化、集成化、智能化的方向前进，在当今信息化的潮流中，智能传感器更是热门的话题。

谈到传感器的发展，首先是信号和信息的各类再增加，在一般热工量、电工量、机械量、物性与成分量、状态量的基础上，目前离散量传感器及与运动控制有关的传感器、在线分析传感器受到重视，机器视觉的硬件和软件得到发展。信息中由于现场设备的设备管理功能增加，对传感器产品的档案资料存于现场的需要，及传感器安装物理位置，和无线通信中移动传感器的地理位置的GPS信号等的需要，和物流产业中射频识别RFID等信号，使得各种符号、文字信号、语言、图像、音频、视频信号在网络系统的现场层中大量存在。这些都使得传感器有了很大的发展。

检测原理、材料技术、工艺技术的进步，使传感器日新月异。2016年诺贝尔化学奖给了在分子机器（其大小以纳米计算，酶分子等催化剂属于这个范畴内）方面有贡献者。这说明了人们已逐步进入纳米技术实用化阶段了。我们要迎头赶上，首先要在纳电子器件等方面作为一个结点，攻克这个高地（参数表1997~2012年美国硅芯片技术发展预测）。回忆诺贝尔奖的历史，有近十们科学家因在检测技术上的突破而得奖，所以我们这些从事传感器技术的工作者应该关心这些大事。实际上目前的传感器技术，还处于超大规模集成电路应用的行为，我们是处在ASIC专用集成电路、微处理器、微电子机械（MEMS）技术等一体化过程中，嵌入式微计算机技术、SOC位上系统、MCM（mu ltc-ch ip-moduls）技术使传感器中包括了传感器技术和计算机技术融合后的精华，更进一步是传感器和机器的融合，满足人工智能的需求，使自动化系统出现新的自治式的革命。我们要与芯片制造业合作，他们处在工艺革新的一端，我们处在应用创造的一端，我们是他们的“Fabless”、“Foundry”，他们工艺上的短板解决了，我们就可以得心应手地为日后的新一代CPS系统提供新一代的传感器了。

我国正处于产业结构调整、大众创业、万众创新的时代，物联网、互联网+、云计算、大数据、智能制造、人工智能、机器人等相关政策和发展规划相继出台，这就给传感器产业提出了更高的要求，这是我们的机遇，也是我们的责任。一面将介绍我国“互联网+”人工智能三年行动实施方案的各方面和九大重点工程，作为本文智能传感器部分的开篇，请读者笑纳。

三个方面：1、在培育发展人工智能新兴产业方面，加快建设文献、语言、图像、视频、地图等多种类数据的海量训练资源和基础资源服务公共平台，建设支撑超大规模深度学习的新型计算集群，建立完善产业公共服务平台。研究网络要求全周期服务，提供去网端一体化， 综合性安全服务。进一步推进计算机视觉、智能语言处理、生物特征识别、自然语言理解、智能决策控制以及新型人机交互等关键技术的研发和产业化，为产业智能化升级夯实基础。

2 、在推进重点领域智能产品创新方面，推动互联网与传统行业融合创新，加快人工智能技术在家居、汽车、无人系统、安防等领域的推广应用， 提升重点领域网络安全保障能力， 提高生产生活的智能化服务水平。支持在制造、教育、环境、交通、商业、健康医疗、网络安全、社会治理等重要领域展开人工智能应用试点示范，推动人工智能的规模化应用，全面提升我国人工智能的集群式创新创业能力。

“提升终端产品智能化水平”的主要任务是，加快智能终端核心技术研发及产业化，丰富移动智能终端、可穿戴设备、虚拟现实等产品的服务及形态， 提升高端产品供给水平。制造智能硬件产业创新发展专项行动方案，引导智能硬件产业健康有序发展。推动人工智能与机器人技术的尝试融合，提升工业机器人、特种机器人、服务机器人等智能机器人的技术与应用水平。

九大重点工程为： 1、核心技术研发与产业化工程；2、基础资源公共服务平台工程；3、智能家居示范工程；4、智能汽车研发一产业化工程；5、智能无人系统应用工程；6、智能安防推广工程；7、智能终端应用能力提升工程；8、智能穿戴设备发展工程；9、智能机器人研发与应用工程。

智能传感器（intelligent sensors或smart sensors）

在传感器数字化的基础上，传感器智能化程度在发展中，提出了智能传感器这一类产品，最早于上世纪80年代由美国宇航局（NASA）提出，我国在90年代发展现场总线同时，也提出了现场总线智能变送器的研制任务，目前除IEC60770-3中智能变送器定义（具有与外部系统和操作人员双向通信手段，用于发送测量和状态信息，接收和处理外部命令的变送器）外，智能传感器的定义有IEEE1451委员会的IEEE1451.2-1997标准，其中从最小化传感器结构的角度，将能提供受控量或待感知量大小且能典型简化其应用于网络环境的集成的传感器，称为智能传感器。

它不仅能提供表征待测物理量大小的模拟电压信号的传统传感器区分开来，它的本质特征在于：1、集感知、信息处理与通信于一体；2、能提供以数字量方式传播具有一定知识级别的信息；3、具有自诊断、自校正、自补偿等功能。

智能传感器的分类，按实现方式分有1、非集成化实现方式，即在传统传感器后经信号处理电路及有数据总线接口的微处理器而构成；2、集成化实现方式，即将传感器或敏感材料元件等部分与信号放大调整电路、接口电路和微处理器制作在一块芯片上；3、混合实现方式。

下面通过一些实例展开对智能传感器的深入了解。

1、美国Honeyweel的DSJ-3000智能压差压力传感器（或称变送器）是在3mm×3mm的硅片上用离子注入法配置了压差、静压和温度三个敏感元件，整个传感器还包括了变换器、多路转换器、脉冲调制、微处理器和数字量输出接口等，并在OPROM中装有该传感器的特性数据，实现非线性补偿。这是一种多变量传感器。

2、陈列式智能气体传感器

它克服了色谱等分析仪器仪表，一般气敏元件等的缺点，它将具有不同选择性的气敏元件组成阵列，通过模式识别技术进行气体识别与组份分析。如基于多变量分析模式识别原理的综合法，能以大于68%的精度，检测出含0%~5%乙醇的气体中混入的（10~80）×10-6的氢气；将一氧化碳对氧化锡甲烷敏感元件、甲烷对气化锡一氧化碳敏感元件的交叉敏感度，分别降至5%，2%；以高于93.5%，89%的准确率， 分别测试出C H4，C4H10，CO三种单一气体以及CH4与C4H10，CH4与CO二种混合气体的浓度； 利用一种12单元氧化锡气敏阵列，能100%识别出甲醇、乙醇、丙醇、丁醇；能以73%的精度，对二种啤酒与淡啤酒、威士忌、白兰地共六种饮料进行识别。

还可以采用神经网络模式识别结构建8单元阵列人工嗅觉模块，准确识别出五种牌号的香水与五种风味气味（橘子、草莓、葡萄、桃子等）。

日本电气公司已研制成检测葡萄糖、尿素、维生素K和白朊四种成分的集成FET传感器。还有一种传感器组合了多个具有不同特性的气体敏感元件，用图像识别技术处理所得到的不同的灵敏度模式， 就多数气体而言，事先将6个特性不同的厚膜气体传感器的输出信号模式储存起来，微处理器根据检测对象气体的模式计算等类似程度，以此辨别气体种类，同时计算气体的体积分数。

3、关于老年人摔倒的自动、可靠侦测传感器

新的红外集成热图像传感器，克服了以前被动式红外传感器或腕式穿戴设备等的缺点，它综合应用运动识别、运动估计、运动跟踪、基于目标的推理，分类等技术，较好地实现了对老年人摔倒的自动、可靠侦测。

4、新型功能材料如功能陶瓷、功能有机薄膜、生物功能薄膜、复合敏感材料，也是智能传感器技术的一个热点。如用各向导性电橡胶研制功能觉传感器，它用网状绝缘板，将厚250mm的导电硅酮橡胶膜和绝缘膜层叠而成的薄板，置于格子状电极之上而制成，一经给板的上部加压，则在板的下面导电部分的接触面通过网络的两者接触面积就会发生变化，由此构成力敏电阻器，采用矩阵电路检测，就能得到压力分布信息。

又如，利用酶和微生物材料，不但可以提高成分分析的选择性，还可利用其生物放大作用，大幅度地提高灵敏度，以至达到分子识别的程度。

智能传感器的信号与调理部分主要完成感知、识知两方面功能，再加上通信功能，共称为三大功能，下面分述之。

感知功能

感知就是通过调理电路的信号分析，获得待测量或待测参数、性能的大小。有些待测量利用单个调理信号直接获得，如温度、位移、交流电流有效值； 有些待测量则需要多种调理信号才能获得，如交流电的视在功率、有功功率等，这称为定义法；还有些则需要综合分析才能便捷、可靠的测出，如混合气体的成分分析和各种成分浓度、人体摔倒侦测等，这称为综合法。后两者体现了智能传感器的智能性。定义法在减少干扰方面提供了现实途径，可以用硬件（滤波）或软件方法， 如交流电力智能传感器，采用了误差最小二乘（LMS）理论、相关性原理、研究出了电力有效值和初相位的工种分析算法，以及电力功率性能指标的2种分析算法。

认知功能

认知在这里是指通过智能传感器信号处理，获得关于自身状态、测试状态等方面的知识。或者说是感知功能的精度与稳定性受到偏移误差、增益误差、非线性误差以及环境方面等影响，通过认知功能，认识其健康状态、弥补其分析偏差，确保其测试的可靠性和精确性。具体是指自诊断、自较正、自补偿等。

自诊断通常利用人工智能等理论方法，例如一种基于知识库或专家系统的智能传感器的自诊断方法；自校正用于智能传感器各组成部分状态、特征参数及系统参数的校正；自补偿用于补偿待测量的非线性或因温度、环境变化等造成的测量误差。

人工神经网络理论的应用已经取得不少成果。如翁桂荣介绍一种神经网络及其收敛快、精度高的训练方法；庄哲民介绍一种构建能自校正与补偿、有较好适应性与灵活性的传感器非线性融合逆模型的方法，利用该方法设计出气体敏感器件TG823的逆模型，在不同环境中能以99.2%的准确率分析出气体浓度；杨新勇、黄圣国介绍智能磁、航向传感器，采用最传椭圆拟合、最小二乘拟合及BP神经元网络，探索出了三种磁航向误差补偿算法。

实际上从仿生学的角度看，人们的五官（耳、眼、鼻、舌、身）和大脑等完成检测和判断、鉴别两方面的功能，就如目前智能传感器应完成的功能，即完成感知和识知两功能，所以识知这个范畴，传感器还有很多的路要走，才能胜过人。

通信功能及系统连接

智能传感器在数字化的基础上，为了与上们系统相连和同在现场的其它智能传感器、执行器相连，必须实现网络化，即实现互连、互通、互操作， 构成一个系统。流程工业走在前面， 在本文第二章中一开始提到IEC60770-3标准就谈到现场总线，流程工业中早有FF、HART、Profibus-PA等通信，这在智能传感器系列产品中， 占有主要位置， 后来发展成FF、Profibus、HART、CAN、工业EtherNe t等十多种现场总线和用于离散工业的EtherCAT等总线，及相关的OPC、FDI等行业用软件，已与DCS等系统和其它行业的系统形成了多种工业及其它行业的一种实际标准。这些年智能传感器无线通信技术已发展成熟，本文从略。

这些看来物流行业、公用工程、环境保护、安防、各种便携式设备等更多行业也对传感器有了联网的要求，为了满足这些需要，1993年9月美国国家标准技术研究院和IEEE仪器与测量协会的传感技术委员会联合制定了好插即用智能传感器通用接口标准，即IEEE1451标准，为提高全球范围内智能传感器技术水平提供了坚实的基础，为测试系统的智能化提供了基本前提。在设计中，基于IEEE1451标准提出了一种新型接口，使传感器即可以输出模拟信号也可以输出数字信号，使得普通的传感器可以实现智能化。

2010年发布了最新的IEEE1451第7部分， 即“ 变送器与射频标识（RFID）系统通信协议和变送器电子数据表格式”。

传感器制造商只需要开发一个软硬接口，通过选用不同类型的NCAP就可以使其产品用于不同的网络或现场总线。IEEE1451通用命令集和通用IP访向的能力允许开产商用相同的接口代码应用于不同卖家不同类型的传感器。IEEE1451还包括网络时间同步， 支持多种语言。终端用户也会受益于高兼容性的传感器， 包括自定义文档、即插即用、传感器属性（ 如物理单位、推荐运行环境、校正数据、位置和其它自定义信息。）

智能传感器要按在相关的系统中，目前正热的工业4.0推荐的CPS（信息物理系统）它是正在形成中的系统，从罗辑角度看，它应是传感器网络、执行器网络、计算机网络构成的组合通信网络， 最终实现全面感知、可靠传输、实时处理、智能控制。这为果实用于众多行业，还是有一个过程的。

而物联网， 则在我国已起步十多年了， 目前其层次架构图如图1所示。

其中传感层网络实现“物”的识别，当然以智能传感器为主，人们把信息苦命时期使用具有智能的工具，比作农业苦命中使用一般工具（铁制工具）、工业苦命中使用动力工具同样重要，所以物联网的兴起就指望着传感器必须有智能了。