智能传感器技术.
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5.1智能传感器的发展
1）超小型化、微功耗 智能传感器正朝着短、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 为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。
32
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以下六种：
★１－Wire 总线
4）信号调理电路
这部分硬件的作用在于将所监控的物理量转化 为其他系统可用的量。该电路往往是专用的或 者是唯一的，这意味着通用性差。
5）物理空间的限制
一般来说，传感器距离监控系统越远，检查信 号的质量越差。常规传感器通常需要在物理空 间上靠近接收检测信号的监控系统，长长的信 号传输线是让人讨厌的。
7
括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静
压力等参数进行自动补偿等）。
13
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。
14
4）具有双向通信功能，能直接与微处理器 （μP）或单片机（ μC ）通信。
图4 计算机的散热控制电路
22
微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算 机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃ 。
图5 检测CPU的温度
23
配套软件日臻完善 温度传感器＋专用计算机测试软件。Fra Baidu bibliotek
24
25
4.2 智能微尘传感器 智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑功 能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有
29
生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规 模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革 命。 生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、 视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能 实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航 测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉， 信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。 生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上 千倍。
世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔 （Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系
列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差
压、静压和温度)与智能化的信号调理功能 。 最近，该公司还相继开发出ST3000－ 900/2000等系列的新产品，使之功能进一步 完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在
全世界的销量已突破50万只，深受广大用户
的青睐。
11
2.2 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。
12
2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功
能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包
27
智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微
型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。 最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的 新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传 感器网络的工作。
28
4.3 生物芯片 西门子公司最近研制出一种能辨别气体及 其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭 氧含量，监测火灾以及气体泄漏。
35
6
结语
智能传感器是一种新型的、正在蓬勃发
展的电子设备。传感器的智能化发展是大势
所趋。智能传感器将是推动信息产业发展的
强大动力，是迈入人工智能世界的第一步。
36
主要参考文献
1. 2. 3.
37
38
况：
34
• 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 •某些中断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 •某些用用环境的约束不允许增加实现智能和互联所需的硬 件 以上都是非常现实的问题，前两条完全和技术无关，但是只 要不是土豪都是需要考虑的。前两条或许只是推迟智能化的 进展速度，而第三种情况虽然少，却可能限制我们给传感器 加一点智能。具体一点，环境可能是设备尺寸、温度、环境 腐蚀性，因此尽管尽早将所测信号数字化可以显著提高系统 性能，但往往采用加固的常规传感器。
6）其他限制 结构尺寸大，故时间（频率）响应特性差 输入输出特性存在非线性 信噪比低，容易受干扰 存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高
7）性价比
业界人员：我也早觉得有研发新型传感器的必要了←_←
8
2 智能传感器的定义及功能
2.1 智能传感器的定义 目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完 全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作 “Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传 感器”。 所谓智能传感器，就是带微处理器的，兼有信 息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断功能的传 感器。
图 Pentium 4处理器芯片
20
随着Pentium 4处理器运行速度的大幅度提高，其功
耗也显著增加，必须采取更完善的散热保护措施。
2002年，美国ADI公司专门开发出适配Pentium 4处 理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电 路，并已用于奔腾4计算机产品中。
21
奔腾4计算机的散热控制电路如图4所示。该计算机中 共使用了3台散热风扇。其中，风扇1专门给CPU散热，风 扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。
30
德国英飞凌（Infineon）公司最近开发出具有活神经细胞、 能读取细胞所发出电子信息的“神经元芯片”，芯片上有 16384个传感器，每个传感器之间的距离仅为8μ m。 当人体受到电击时，利用它可获取神经组织的活动数据， 再将这些数据转换成彩色图片，见图26（b）。
图26
31
5 智能传感器的发展与局限
多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到
信息发送所必需的全部部件。
26
目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微 尘的外形及内部结构如图24所示。未来的智能微尘甚 至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射 信息。
a）肉眼所看到的智能微尘 b）智能微尘的内部结构
图24 智能微尘的外形及内部结构
3. 计算机技术（信息处理）——“大脑”
3
《我国将制定24项传感器国家新标准》 中国信息产业网 2015.05.20
随着新一轮工业革命的兴起，传感器产业市场前景不 可估量。工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭 源生指出，未来5年内，全球传感器年复合增长率预计将超 过10%。2015年全球市场规模将达到1770亿美元，受可穿戴、 智能制造技术发展加快和全球经济复苏等因素影响，市场 需求可能出现更大幅度增长。 与巨大的市场需求相比，现阶段我国市场主要应用的 传感器绝大部分仍然依赖进口，主流市场产品依赖国外配 套的情况尤为突出。与国外相比，我国企业在产品品质、 工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争 能力等方面仍不能与国外同类企业抗衡。同国际先进水平 相比，新品研制仍落后5~10年，而产业化规模生产技术工 艺则落后10~15年。 4
智能传感器
——原理、发展及其应用
1
目录
• • • • • • • 0 1 2 3 4 5 6 引言 常规传感器并非完美 智能传感器的定义与功能 智能传感器的特点 智能传感器的应用 智能传感器的发展与局限 结语
2
0 引言
传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。 现代信息技术的三大支柱： 1. 传感器技术（信息采集）——“感官” 2. 通信技术（信息传输） ——“神经”
1 常规传感器并非完美
1）能够被准确标定是所有传感器必备的优良特性。
然而，传感器一旦被实际使用，往往就很难甚至不 能再对其进行手工标定。 5
2）没有性能始终不变的传感器！ 传感器性能会随时间发生变化，这种现象被称为漂移。 和标定一样，有些情况比其他情况对漂移的容限要求 更严格，除非我们通过某种方式来补偿漂移，否则传 感器的性能就会随时间而发生变化，这些都是我们不 希望发生的。 3）工作环境的影响 实际上，没有脱离环境因素的设备。当环境因素造成 的影响比较小的时候，我们更倾向于简化系统从而不 考虑这些，但传统的传感器似乎更乐于给使用者增加 工作量。 6
★ I2C总线 ★ SMBus ★ SPI总线 ★ Micro Wire总线
★ USB总线
33
5.2 智能传感器的局限
现在，我们不难得出智能传感器优于常规传感器
的结论。但是，在可预见的未来，认为智能传感器会
全面取代常规传感器的想法只是一种空想。原因在于
部分情况下并不适合使用智能式的传感器，如以下情
15
3
智能传感器与传感系统的特点
1） 高精度 智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项 新技术，能达到高精度指标。
16
2） 宽量程 智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载 能力。 例如，美国 ADI 公司： ADXRS300 型单片偏航角 速度陀螺仪集成电路 测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。 只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到 1200 ° /s。
17
3） 多参数、多功能
4） 自校准与自标定
18
4
智能传感器的应用
多路智能温度控制器 智能微尘传感器 生物芯片
19
4.1 多路智能温度控制器
Pentium 4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器 。最高主频目前已达3.6GHz，它采用了0.13μm制程， 集成度高达5500万～7700万只晶体管，在芯片中还有 内置数字温度传感器。
9
智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的 功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。 从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。 需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种 情况： 1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所 谓的“集成智能传感器”或者“单片智能传感器” 2）传感器能够协同微处理器进行工作，即“传感 器的智能化”。 二者均属于智能传感器，虽然技术实现上有不同 ，但是对基本原理进行理解时不用区别。 10
1）超小型化、微功耗 智能传感器正朝着短、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 为开发便携式、袖珍式检测系统创造了有利条件。
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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以下六种：
★１－Wire 总线
4）信号调理电路
这部分硬件的作用在于将所监控的物理量转化 为其他系统可用的量。该电路往往是专用的或 者是唯一的，这意味着通用性差。
5）物理空间的限制
一般来说，传感器距离监控系统越远，检查信 号的质量越差。常规传感器通常需要在物理空 间上靠近接收检测信号的监控系统，长长的信 号传输线是让人讨厌的。
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括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静
压力等参数进行自动补偿等）。
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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。
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4）具有双向通信功能，能直接与微处理器 （μP）或单片机（ μC ）通信。
图4 计算机的散热控制电路
22
微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算 机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃ 。
图5 检测CPU的温度
23
配套软件日臻完善 温度传感器＋专用计算机测试软件。Fra Baidu bibliotek
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25
4.2 智能微尘传感器 智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑功 能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没有
29
生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规 模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革 命。 生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、 视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能 实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航 测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉， 信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。 生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上 千倍。
世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔 （Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系
列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差
压、静压和温度)与智能化的信号调理功能 。 最近，该公司还相继开发出ST3000－ 900/2000等系列的新产品，使之功能进一步 完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在
全世界的销量已突破50万只，深受广大用户
的青睐。
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2.2 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。
12
2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功
能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包
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智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微
型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。 最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的 新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传 感器网络的工作。
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4.3 生物芯片 西门子公司最近研制出一种能辨别气体及 其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭 氧含量，监测火灾以及气体泄漏。
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结语
智能传感器是一种新型的、正在蓬勃发
展的电子设备。传感器的智能化发展是大势
所趋。智能传感器将是推动信息产业发展的
强大动力，是迈入人工智能世界的第一步。
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主要参考文献
1. 2. 3.
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况：
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• 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 •某些中断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 •某些用用环境的约束不允许增加实现智能和互联所需的硬 件 以上都是非常现实的问题，前两条完全和技术无关，但是只 要不是土豪都是需要考虑的。前两条或许只是推迟智能化的 进展速度，而第三种情况虽然少，却可能限制我们给传感器 加一点智能。具体一点，环境可能是设备尺寸、温度、环境 腐蚀性，因此尽管尽早将所测信号数字化可以显著提高系统 性能，但往往采用加固的常规传感器。
6）其他限制 结构尺寸大，故时间（频率）响应特性差 输入输出特性存在非线性 信噪比低，容易受干扰 存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高
7）性价比
业界人员：我也早觉得有研发新型传感器的必要了←_←
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2 智能传感器的定义及功能
2.1 智能传感器的定义 目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完 全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作 “Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传 感器”。 所谓智能传感器，就是带微处理器的，兼有信 息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断功能的传 感器。
图 Pentium 4处理器芯片
20
随着Pentium 4处理器运行速度的大幅度提高，其功
耗也显著增加，必须采取更完善的散热保护措施。
2002年，美国ADI公司专门开发出适配Pentium 4处 理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电 路，并已用于奔腾4计算机产品中。
21
奔腾4计算机的散热控制电路如图4所示。该计算机中 共使用了3台散热风扇。其中，风扇1专门给CPU散热，风 扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。
30
德国英飞凌（Infineon）公司最近开发出具有活神经细胞、 能读取细胞所发出电子信息的“神经元芯片”，芯片上有 16384个传感器，每个传感器之间的距离仅为8μ m。 当人体受到电击时，利用它可获取神经组织的活动数据， 再将这些数据转换成彩色图片，见图26（b）。
图26
31
5 智能传感器的发展与局限
多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理到
信息发送所必需的全部部件。
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目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微 尘的外形及内部结构如图24所示。未来的智能微尘甚 至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射 信息。
a）肉眼所看到的智能微尘 b）智能微尘的内部结构
图24 智能微尘的外形及内部结构
3. 计算机技术（信息处理）——“大脑”
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《我国将制定24项传感器国家新标准》 中国信息产业网 2015.05.20
随着新一轮工业革命的兴起，传感器产业市场前景不 可估量。工信部电子元器件行业发展研究中心总工程师郭 源生指出，未来5年内，全球传感器年复合增长率预计将超 过10%。2015年全球市场规模将达到1770亿美元，受可穿戴、 智能制造技术发展加快和全球经济复苏等因素影响，市场 需求可能出现更大幅度增长。 与巨大的市场需求相比，现阶段我国市场主要应用的 传感器绝大部分仍然依赖进口，主流市场产品依赖国外配 套的情况尤为突出。与国外相比，我国企业在产品品质、 工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争 能力等方面仍不能与国外同类企业抗衡。同国际先进水平 相比，新品研制仍落后5~10年，而产业化规模生产技术工 艺则落后10~15年。 4
智能传感器
——原理、发展及其应用
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传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。 现代信息技术的三大支柱： 1. 传感器技术（信息采集）——“感官” 2. 通信技术（信息传输） ——“神经”
1 常规传感器并非完美
1）能够被准确标定是所有传感器必备的优良特性。
然而，传感器一旦被实际使用，往往就很难甚至不 能再对其进行手工标定。 5
2）没有性能始终不变的传感器！ 传感器性能会随时间发生变化，这种现象被称为漂移。 和标定一样，有些情况比其他情况对漂移的容限要求 更严格，除非我们通过某种方式来补偿漂移，否则传 感器的性能就会随时间而发生变化，这些都是我们不 希望发生的。 3）工作环境的影响 实际上，没有脱离环境因素的设备。当环境因素造成 的影响比较小的时候，我们更倾向于简化系统从而不 考虑这些，但传统的传感器似乎更乐于给使用者增加 工作量。 6
★ I2C总线 ★ SMBus ★ SPI总线 ★ Micro Wire总线
★ USB总线
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5.2 智能传感器的局限
现在，我们不难得出智能传感器优于常规传感器
的结论。但是，在可预见的未来，认为智能传感器会
全面取代常规传感器的想法只是一种空想。原因在于
部分情况下并不适合使用智能式的传感器，如以下情
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智能传感器与传感系统的特点
1） 高精度 智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项 新技术，能达到高精度指标。
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2） 宽量程 智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载 能力。 例如，美国 ADI 公司： ADXRS300 型单片偏航角 速度陀螺仪集成电路 测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。 只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到 1200 ° /s。
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3） 多参数、多功能
4） 自校准与自标定
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智能传感器的应用
多路智能温度控制器 智能微尘传感器 生物芯片
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4.1 多路智能温度控制器
Pentium 4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器 。最高主频目前已达3.6GHz，它采用了0.13μm制程， 集成度高达5500万～7700万只晶体管，在芯片中还有 内置数字温度传感器。
9
智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的 功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。 从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。 需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种 情况： 1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所 谓的“集成智能传感器”或者“单片智能传感器” 2）传感器能够协同微处理器进行工作，即“传感 器的智能化”。 二者均属于智能传感器，虽然技术实现上有不同 ，但是对基本原理进行理解时不用区别。 10