傳感器與智能傳感器的發展

傳感器的發展

由于物理、化學、生物學等自然科學的發展，計量相關的計量器具在人類活動中一直受到重視，在工業化進程中，檢測儀表的生產和應用已形成了一個產業，特別是20世紀后期，傳感器已成為各行各業最關注的產品。它的定義不斷在延伸，我國在1987年的標準中GB7665-87作了界定：“傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成?！痹趯嶋H的生產活動中，人們對傳感器感知和傳輸信息這兩項功能是有共識的，但對于大型檢測儀器，分析儀器及其他價值高的器件或裝置是否是傳感器，就看法不一了，具體在國民經濟中統計，行業歸類等方面，更是五花八門了。但是小型的能感知物理量、化學量、生物量并能轉換成電量等信號的元器件，是傳感器的主要特征，用于各種機器設備和系統中，作為配套產品使用，這些共識是無用置疑的。

有鑒于此，傳感器的市場量化統計值，只能給出保守的估計，即全球傳感器市場2015年約為1千多億美元，我國約為1千多億元人民幣，相應復合增長率為10%、30%。

傳感器技術正在從傳統傳感器沿著數字化、網絡化、集成化、智能化的方向前進，在當今信息化的潮流中，智能傳感器更是熱門的話題。

談到傳感器的發展，首先是信號和信息的各類再增加，在一般熱工量、電工量、機械量、物性與成分量、狀態量的基礎上，目前離散量傳感器及與運動控制有關的傳感器、在線分析傳感器受到重視，機器視覺的硬件和軟件得到發展。信息中由于現場設備的設備管理功能增加，對傳感器產品的檔案資料存于現場的需要，及傳感器安裝物理位置，和無線通信中移動傳感器的地理位置的GPS信號等的需要，和物流產業中射頻識別RFID等信號，使得各種符號、文字信號、語言、圖像、音頻、視頻信號在網絡系統的現場層中大量存在。這些都使得傳感器有了很大的發展。

檢測原理、材料技術、工藝技術的進步，使傳感器日新月異。2016年諾貝爾化學獎給了在分子機器（其大小以納米計算，酶分子等催化劑屬于這個范疇內）方面有貢獻者。這說明了人們已逐步進入納米技術實用化階段了。我們要迎頭趕上，首先要在納電子器件等方面作為一個結點，攻克這個高地（參數表1997~2012年美國硅芯片技術發展預測）。回憶諾貝爾獎的歷史，有近十們科學家因在檢測技術上的突破而得獎，所以我們這些從事傳感器技術的工作者應該關心這些大事。實際上目前的傳感器技術，還處于超大規模集成電路應用的行為，我們是處在ASIC專用集成電路、微處理器、微電子機械（MEMS）技術等一體化過程中，嵌入式微計算機技術、SOC位上系統、MCM（mu ltc-ch ip-moduls）技術使傳感器中包括了傳感器技術和計算機技術融合后的精華，更進一步是傳感器和機器的融合，滿足人工智能的需求，使自動化系統出現新的自治式的革命。我們要與芯片制造業合作，他們處在工藝革新的一端，我們處在應用創造的一端，我們是他們的“Fabless”、“Foundry”，他們工藝上的短板解決了，我們就可以得心應手地為日后的新一代CPS系統提供新一代的傳感器了。

我國正處于產業結構調整、大眾創業、萬眾創新的時代，物聯網、互聯網+、云計算、大數據、智能制造、人工智能、機器人等相關政策和發展規劃相繼出臺，這就給傳感器產業提出了更高的要求，這是我們的機遇，也是我們的責任。一面將介紹我國“互聯網+”人工智能三年行動實施方案的各方面和九大重點工程，作為本文智能傳感器部分的開篇，請讀者笑納。

三個方面：1、在培育發展人工智能新興產業方面，加快建設文獻、語言、圖像、視頻、地圖等多種類數據的海量訓練資源和基礎資源服務公共平臺，建設支撐超大規模深度學習的新型計算集群，建立完善產業公共服務平臺。研究網絡要求全周期服務，提供去網端一體化， 綜合性安全服務。進一步推進計算機視覺、智能語言處理、生物特征識別、自然語言理解、智能決策控制以及新型人機交互等關鍵技術的研發和產業化，為產業智能化升級夯實基礎。

2 、在推進重點領域智能產品創新方面，推動互聯網與傳統行業融合創新，加快人工智能技術在家居、汽車、無人系統、安防等領域的推廣應用， 提升重點領域網絡安全保障能力， 提高生產生活的智能化服務水平。支持在制造、教育、環境、交通、商業、健康醫療、網絡安全、社會治理等重要領域展開人工智能應用試點示范，推動人工智能的規?；瘧?，全面提升我國人工智能的集群式創新創業能力。

“提升終端產品智能化水平”的主要任務是，加快智能終端核心技術研發及產業化，豐富移動智能終端、可穿戴設備、虛擬現實等產品的服務及形態， 提升高端產品供給水平。制造智能硬件產業創新發展專項行動方案，引導智能硬件產業健康有序發展。推動人工智能與機器人技術的嘗試融合，提升工業機器人、特種機器人、服務機器人等智能機器人的技術與應用水平。

九大重點工程為： 1、核心技術研發與產業化工程；2、基礎資源公共服務平臺工程；3、智能家居示范工程；4、智能汽車研發一產業化工程；5、智能無人系統應用工程；6、智能安防推廣工程；7、智能終端應用能力提升工程；8、智能穿戴設備發展工程；9、智能機器人研發與應用工程。

智能傳感器（intelligent sensors或smart sensors）

在傳感器數字化的基礎上，傳感器智能化程度在發展中，提出了智能傳感器這一類產品，最早于上世紀80年代由美國宇航局（NASA）提出，我國在90年代發展現場總線同時，也提出了現場總線智能變送器的研制任務，目前除IEC60770-3中智能變送器定義（具有與外部系統和操作人員雙向通信手段，用于發送測量和狀態信息，接收和處理外部命令的變送器）外，智能傳感器的定義有IEEE1451委員會的IEEE1451.2-1997標準，其中從最小化傳感器結構的角度，將能提供受控量或待感知量大小且能典型簡化其應用于網絡環境的集成的傳感器，稱為智能傳感器。

它不僅能提供表征待測物理量大小的模擬電壓信號的傳統傳感器區分開來，它的本質特征在于：1、集感知、信息處理與通信于一體；2、能提供以數字量方式傳播具有一定知識級別的信息；3、具有自診斷、自校正、自補償等功能。

智能傳感器的分類，按實現方式分有1、非集成化實現方式，即在傳統傳感器后經信號處理電路及有數據總線接口的微處理器而構成；2、集成化實現方式，即將傳感器或敏感材料元件等部分與信號放大調整電路、接口電路和微處理器制作在一塊芯片上；3、混合實現方式。

下面通過一些實例展開對智能傳感器的深入了解。

1、美國Honeyweel的DSJ-3000智能壓差壓力傳感器（或稱變送器）是在3mm×3mm的硅片上用離子注入法配置了壓差、靜壓和溫度三個敏感元件，整個傳感器還包括了變換器、多路轉換器、脈沖調制、微處理器和數字量輸出接口等，并在OPROM中裝有該傳感器的特性數據，實現非線性補償。這是一種多變量傳感器。

2、陳列式智能氣體傳感器

它克服了色譜等分析儀器儀表，一般氣敏元件等的缺點，它將具有不同選擇性的氣敏元件組成陣列，通過模式識別技術進行氣體識別與組份分析。如基于多變量分析模式識別原理的綜合法，能以大于68%的精度，檢測出含0%~5%乙醇的氣體中混入的（10~80）×10-6的氫氣；將一氧化碳對氧化錫甲烷敏感元件、甲烷對氣化錫一氧化碳敏感元件的交叉敏感度，分別降至5%，2%；以高于93.5%，89%的準確率， 分別測試出C H4，C4H10，CO三種單一氣體以及CH4與C4H10，CH4與CO二種混合氣體的濃度； 利用一種12單元氧化錫氣敏陣列，能100%識別出甲醇、乙醇、丙醇、丁醇；能以73%的精度，對二種啤酒與淡啤酒、威士忌、白蘭地共六種飲料進行識別。

還可以采用神經網絡模式識別結構建8單元陣列人工嗅覺模塊，準確識別出五種牌號的香水與五種風味氣味（橘子、草莓、葡萄、桃子等）。

日本電氣公司已研制成檢測葡萄糖、尿素、維生素K和白朊四種成分的集成FET傳感器。還有一種傳感器組合了多個具有不同特性的氣體敏感元件，用圖像識別技術處理所得到的不同的靈敏度模式， 就多數氣體而言，事先將6個特性不同的厚膜氣體傳感器的輸出信號模式儲存起來，微處理器根據檢測對象氣體的模式計算等類似程度，以此辨別氣體種類，同時計算氣體的體積分數。

3、關于老年人摔倒的自動、可靠偵測傳感器

新的紅外集成熱圖像傳感器，克服了以前被動式紅外傳感器或腕式穿戴設備等的缺點，它綜合應用運動識別、運動估計、運動跟蹤、基于目標的推理，分類等技術，較好地實現了對老年人摔倒的自動、可靠偵測。

4、新型功能材料如功能陶瓷、功能有機薄膜、生物功能薄膜、復合敏感材料，也是智能傳感器技術的一個熱點。如用各向導性電橡膠研制功能覺傳感器，它用網狀絕緣板，將厚250mm的導電硅酮橡膠膜和絕緣膜層疊而成的薄板，置于格子狀電極之上而制成，一經給板的上部加壓，則在板的下面導電部分的接觸面通過網絡的兩者接觸面積就會發生變化，由此構成力敏電阻器，采用矩陣電路檢測，就能得到壓力分布信息。

又如，利用酶和微生物材料，不但可以提高成分分析的選擇性，還可利用其生物放大作用，大幅度地提高靈敏度，以至達到分子識別的程度。

智能傳感器的信號與調理部分主要完成感知、識知兩方面功能，再加上通信功能，共稱為三大功能，下面分述之。

感知功能

感知就是通過調理電路的信號分析，獲得待測量或待測參數、性能的大小。有些待測量利用單個調理信號直接獲得，如溫度、位移、交流電流有效值； 有些待測量則需要多種調理信號才能獲得，如交流電的視在功率、有功功率等，這稱為定義法；還有些則需要綜合分析才能便捷、可靠的測出，如混合氣體的成分分析和各種成分濃度、人體摔倒偵測等，這稱為綜合法。后兩者體現了智能傳感器的智能性。定義法在減少干擾方面提供了現實途徑，可以用硬件（濾波）或軟件方法， 如交流電力智能傳感器，采用了誤差最小二乘（LMS）理論、相關性原理、研究出了電力有效值和初相位的工種分析算法，以及電力功率性能指標的2種分析算法。

認知功能

認知在這里是指通過智能傳感器信號處理，獲得關于自身狀態、測試狀態等方面的知識?；蛘哒f是感知功能的精度與穩定性受到偏移誤差、增益誤差、非線性誤差以及環境方面等影響，通過認知功能，認識其健康狀態、彌補其分析偏差，確保其測試的可靠性和精確性。具體是指自診斷、自較正、自補償等。

自診斷通常利用人工智能等理論方法，例如一種基于知識庫或專家系統的智能傳感器的自診斷方法；自校正用于智能傳感器各組成部分狀態、特征參數及系統參數的校正；自補償用于補償待測量的非線性或因溫度、環境變化等造成的測量誤差。

人工神經網絡理論的應用已經取得不少成果。如翁桂榮介紹一種神經網絡及其收斂快、精度高的訓練方法；莊哲民介紹一種構建能自校正與補償、有較好適應性與靈活性的傳感器非線性融合逆模型的方法，利用該方法設計出氣體敏感器件TG823的逆模型，在不同環境中能以99.2%的準確率分析出氣體濃度；楊新勇、黃圣國介紹智能磁、航向傳感器，采用最傳橢圓擬合、最小二乘擬合及BP神經元網絡，探索出了三種磁航向誤差補償算法。

實際上從仿生學的角度看，人們的五官（耳、眼、鼻、舌、身）和大腦等完成檢測和判斷、鑒別兩方面的功能，就如目前智能傳感器應完成的功能，即完成感知和識知兩功能，所以識知這個范疇，傳感器還有很多的路要走，才能勝過人。

通信功能及系統連接

智能傳感器在數字化的基礎上，為了與上們系統相連和同在現場的其它智能傳感器、執行器相連，必須實現網絡化，即實現互連、互通、互操作， 構成一個系統。流程工業走在前面， 在本文第二章中一開始提到IEC60770-3標準就談到現場總線，流程工業中早有FF、HART、Profibus-PA等通信，這在智能傳感器系列產品中， 占有主要位置， 后來發展成FF、Profibus、HART、CAN、工業EtherNe t等十多種現場總線和用于離散工業的EtherCAT等總線，及相關的OPC、FDI等行業用軟件，已與DCS等系統和其它行業的系統形成了多種工業及其它行業的一種實際標準。這些年智能傳感器無線通信技術已發展成熟，本文從略。

這些看來物流行業、公用工程、環境保護、安防、各種便攜式設備等更多行業也對傳感器有了聯網的要求，為了滿足這些需要，1993年9月美國國家標準技術研究院和IEEE儀器與測量協會的傳感技術委員會聯合制定了好插即用智能傳感器通用接口標準，即IEEE1451標準，為提高全球范圍內智能傳感器技術水平提供了堅實的基礎，為測試系統的智能化提供了基本前提。在設計中，基于IEEE1451標準提出了一種新型接口，使傳感器即可以輸出模擬信號也可以輸出數字信號，使得普通的傳感器可以實現智能化。

2010年發布了最新的IEEE1451第7部分， 即“ 變送器與射頻標識（RFID）系統通信協議和變送器電子數據表格式”。

傳感器制造商只需要開發一個軟硬接口，通過選用不同類型的NCAP就可以使其產品用于不同的網絡或現場總線。IEEE1451通用命令集和通用IP訪向的能力允許開產商用相同的接口代碼應用于不同賣家不同類型的傳感器。IEEE1451還包括網絡時間同步， 支持多種語言。終端用戶也會受益于高兼容性的傳感器， 包括自定義文檔、即插即用、傳感器屬性（ 如物理單位、推薦運行環境、校正數據、位置和其它自定義信息。）

智能傳感器要按在相關的系統中，目前正熱的工業4.0推薦的CPS（信息物理系統）它是正在形成中的系統，從羅輯角度看，它應是傳感器網絡、執行器網絡、計算機網絡構成的組合通信網絡， 最終實現全面感知、可靠傳輸、實時處理、智能控制。這為果實用于眾多行業，還是有一個過程的。

而物聯網， 則在我國已起步十多年了， 目前其層次架構圖如圖1所示。

其中傳感層網絡實現“物”的識別，當然以智能傳感器為主，人們把信息苦命時期使用具有智能的工具，比作農業苦命中使用一般工具（鐵制工具）、工業苦命中使用動力工具同樣重要，所以物聯網的興起就指望著傳感器必須有智能了。