本文是来自清华大学精密仪器系的一篇关于智能传感器技术研究和发展探索的论文。

 

随着智能时代的到来，各种智能传感器的研究和应用越来越受到人们的重视。智能传感器在传统传感器的基础上还具有丰富的信息处理能力，能够提供更综合的功能。本文介绍了常用的温度、压力、惯性、生化和RFID传感器的研究现状及其在物联网、虚拟现实（VR）、机器人、医疗健康等产业升级和创新应用中的关键作用，并对智能传感器今后的发展趋势进行了展望。

 

智能传感器（smart sensor）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。

 

相对于仅提供表征待测物理量的模拟电压信号的传统传感器，智能传感器充分利用集成技术和微处理器技术，集感知、信息处理、通信于一体，能提供以数字量方式传播的具有一定知识级别的信息。

 

自美国宇航局（NASA）在 20 世纪80年代提出智能传感器的概念以来，经过几十年的发展，智能传感器已成为传感器技术的一个主要发展方向，代表着一个***的工业及技术科研能力。

 

在当前智能时代的推动下，传感器的重要性更加凸显，不仅在《中国制造2025》、《德国 2020 高技术战略》及欧盟、美国、韩国、新加坡等推进的智慧城市等战略方面发挥着重要的支撑作用，而且也在物联网、虚拟现实（VR）、机器人、智能家居、自动驾驶汽车等产业发展中发挥着关键作用。

高性能、高可靠性的多功能复杂自动、测控系统以及基于射频识别技术的物联网的兴起与发展，愈发凸显了具有感知、认知能力的智能传感器的重要性及其大力、快速发展的迫切性。

 

随着与 CMOS 兼容的MEMS技术的发展，微型智能传感器的发展得到了有力的技术支撑，智能传感器产业面临着一个非常重要的历史发展契机。

 

本文综述不同种类智能传感器技术及应用的发展现状，并对今后的发展趋势做出展望。

 

1 丰富多样的智能传感器

 

为满足各种智能化的应用需求，传感器类别非常多样化，例如：环境传感器、惯性传感器、模拟类传感器、磁性传感器、生物传感器、红外传感器、振动传感器、压力传感器、超声波传感器等。

 

其中，以下传感器比较常用。

 

环境传感器，主要有气体传感器、气压传感器、温度传感器、湿度传感器等。气体传感器可以应用于空气净化器、酒驾监测器、家装中甲醛等有毒气体的检测器以及工业废气的检测装置等。随着人们对环境问题的重视，环境传感器的重要性越来越凸显，未来有很大的发展空间。

 

惯性传感器，主要应用在可穿戴产品上，比如智能手环、智能手表、VR头盔等。通过惯性传感器来检测运动的跟踪、识别，告知佩戴者当天的运动量、消耗的卡路里及运动的效果。

 

磁性传感器，主要用在家用电器上，比如咖啡机、热水器、空调等，用来检测角度转了多少或者行程多少，通常显示在仪表盘上。此外，门磁和窗磁等方面采用的也是磁性传感器，机器人的智能化和精准度也需要磁性传感器做支撑。

 

模拟类传感器，主要应用在智慧医疗设备上，可以作为心跳、心电图等信号的输入，并将健康数据进行可视化的输出，让用户了解自身***手健康、运动数据。

 

红外传感器常应用于红外摄像头、扫地机器人等智能家居方面。

2 智能传感器的技术研究进展

 

一个真正意义的智能传感器应具有如下功能：

 

1）自校准、自标定和自动补偿功能；

2）自动采集数据、逻辑判断和数据处理功能；

3）自调整、自适应功能；

4）一定程度的存储、识别和信息处理功能；

5）双向通信、标准数字化输出或者符号输出功能；

6）算法判断、决策处理的功能。

 

下面以常用的温度、压力、惯性、生化和RFID传感器为例，介绍智能传感技术的研究进展。

 

2.1 智能温度传感器

 

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：传统分立式温度传感器、模拟集成温度传感器和智能温度传感器。

 

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等方向迅速发展。

 

目前的智能温度传感器包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器和接口电路，有的产品还带有多路选择器、中央控制器、随机存取储存器和只读存储器。

 

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器，并且是在硬件的基础上通过软件实现测试功能，其智能化程度取决于软件开发水平。

1）提高测量精度和分辨率

 

***早的智能温度传感器始于20世纪90年代中期，采用8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨率只能达到1℃。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，使用9~12位A/D 转换器，分辨率可以达到0.5~0.625℃。由美国 Dallas 半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，分辨率高达 0.03℃，测温精度为±0.2℃。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27 ms、9 ms。

 

本文摘自：网络  日期；2022-01-17
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