智能傳感器原理：智能傳感器原理、設計與應用
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智能傳感器原理、設計與應用
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《智能傳感器原理、設計與應用》是2012年電子工業出版社出版的圖書，作者是何金田，劉曉旻。
書 名
智能傳感器原理、設計與應用
作 者
何金田，劉曉旻 編
出版社
電子工業出版社
出版時間
2012年1月1日
頁 數
352 頁
開 本
16 開
裝 幀
平裝
ISBN
[1]
目錄
1
內容簡介
2
圖書目錄
智能傳感器原理、設計與應用內容簡介
編輯
語音
《智能傳感器原理、設計與應用》比較系統地介紹了智能傳感器的工作原理、設計和應用。全書共分11章。第1章概述，介紹智能傳感器和傳統傳感器的區別,智能傳感器的概念、功能、特點、結構組成；第2章介紹實現智能化功能的常用方法；第3章介紹智能傳感器中典型的智能算法；第4章介紹智能傳感器的設計；第5～10章介紹目前研究比較多的幾種智能傳感器： 模糊傳感器、微傳感器、網絡傳感器、軟傳感器、虛擬傳感器、仿生傳感器；第11章對近來智能傳感器的研究熱點嵌入式、陣列式、分布式智能傳感器作了簡單介紹。
[1]
智能傳感器原理、設計與應用圖書目錄
編輯
語音
第1章 緒論1.1 傳統傳感器與智能傳感器1.1.1 傳感器的定義1.1.2 傳感器的結構1.1.3 傳統傳感器的發展趨勢1.2 智能傳感器的概念1.2.1 智能傳感器的基本功能1.2.2 智能傳感器的特點與分類1.3 智能傳感器系統的基本組成形式1.4 智能傳感器實例——智能式應力傳感器1.5 智能傳感器的發展趨勢1.5.1 采用新機理、新材料、新技術、新工藝1.5.2 傳感器微型化技術和低功耗技術1.5.3 智能信息處理技術1.5.4 網絡化智能傳感器技術思考題與習題第2章 典型智能算法及其應用2.1 智能算法概述2.2 智能算法的特點及發展2.3 回歸分析2.3.1 回歸分析概述2.3.2 一元線性回歸2.3.3 多元線性回歸2.3.4 算法實例2.3.5 回歸分析法在智能傳感器中的應用2.4 人工神經網絡2.4.1 人工神經網絡概述2.4.2 人工神經網絡的基本組成2.4.3 BP神經網絡2.4.4 算法實例2.4.5 人工神經網絡在智能傳感器中的應用2.5 遺傳算法2.5.1 遺傳算法概述2.5.2 遺傳算法的原理2.5.3 遺傳算法特點2.5.4 算法實例2.5.5 遺傳算法在智能傳感器中的應用2.6 模擬退火算法2.6.1 模擬退火算法概述2.6.2 物理學固體退火過程2.6.3 模擬退火算法2.6.4 模擬退火算法的操作過程2.6.5 模擬退火算法的參數控制2.6.6 算法舉例2.6.7 模擬退火算法在智能傳感器中的應用思考題與習題第3章 智能化的實現方法3.1 非線性自校正3.1.1 查表法3.1.2 曲線擬合法3.1.3 函數鏈神經網絡法3.2 實時自校準3.2.1 實現自校準功能的方法一3.2.2 實現自校準功能的方法二3.2.3 實現自校準功能的方法三3.3 自補償3.3.1 溫度補償3.3.2 頻率補償3.4 增益的自適應控制與量程自動調整3.5 自診斷3.5.1 硬件冗余方法3.5.2 解析冗余方法3.6 噪聲抑制與弱信號檢測3.6.1 噪聲抑制技術3.6.2 弱信號檢測技術3.7 多傳感器信息融合3.7.1 多傳感器數據融合概述3.7.2 多傳感器數據融合結構3.7.3 多傳感器數據融合算法3.7.4 多傳感器數據融合實例思考題與習題第4章 智能傳感器設計4.1 智能傳感器設計4.1.1 智能傳感器系統分析4.1.2 硬件結構設計4.1.3 軟件設計4.2 智能傳感器設計實例4.2.1 網絡化智能溫度傳感器的設計4.2.2 智能壓力傳感器思考題與習題第5章 模糊傳感器及其應用5.1 模糊數學基礎5.1.1 模糊現象和模糊概念5.1.2 模糊集合及表示方法5.1.3 確定隸屬函數的基本方法5.1.4 模糊語言描述的基本方法5.1.5 模糊推理系統5.2 模糊傳感器5.2.1 模糊傳感器的概念與特點5.2.2 模糊傳感器的基本結構與工作原理5.3 模糊傳感器應用實例5.3.1 汽車車內溫度調節系統5.3.2 模糊水分傳感器思考與練習題第6章 網絡傳感器及其應用6.1 網絡傳感器6.1.1 網絡傳感器概述6.1.2 網絡傳感器的結構6.1.3 網絡傳感器的類別6.1.4 基于PROFIBUS現場總線的網絡位移傳感器6.2 IEEE 標準6.2.1 IEEE 標準產生的背景6.2.2 IEEE1451內容6.2.3 IEEE1451標準在網絡傳感器中的應用6.3 無線網絡傳感器6.3.1 無線傳感器網絡簡介6.3.2 無線傳感器網絡的特點6.3.3 無線傳感器網絡的關鍵技術6.3.4 基于藍牙技術的無線傳感器網絡6.3.5 基于以太網的網絡傳感器中網絡接口設計6.3.6 無線傳感器網絡舉例6.3.7 基于無線傳感器網絡的物聯網定位機制思考與練習題第7章 微傳感器與MEMS技術7.1 微機電系統7.1.1 微機電系統概述7.1.2 微機電系統的應用與發展7.2 微傳感器7.2.1 微傳感器概述7.2.2 微傳感器的制造技術7.2.3 典型的微傳感器7.2.4 微傳感器與物聯網思考與練習題第8章 虛擬傳感器8.1 虛擬傳感器概述8.1.1 虛擬傳感器的概念8.1.2 虛擬傳感器的應用8.1.3 虛擬傳感器建模與實現8.1.4 虛擬傳感器的國內外研究及發展狀況8.2 虛擬傳感器應用實例8.2.1 基于虛擬傳感器的氣體傳感器故障診斷與恢復8.2.2 基于模糊邏輯的航空發動機虛擬傳感器8.2.3 虛擬多結構光視覺傳感器8.2.4 結構型小管徑小流量虛擬傳感器8.2.5 無線電子鼻中的虛擬傳感器陣列思考與習題第9章 軟測量與軟傳感器9.1 軟測量概述9.2 軟測量技術原理9.2.1 軟測量技術的數學描述和結構9.2.2 影響軟測量技術的因素9.2.3 軟測量技術的實現9.3 軟測量傳感器9.3.1 軟測量傳感器的基本概念9.3.2 軟測量傳感器的結構9.3.3 軟傳感器的設計9.4 軟測量傳感器的應用9.4.1 測量木糖醇濃度和底物濃度的軟測量傳感器9.4.2 測量鋁酸鈉溶液成分濃度的軟傳感器9.4.3 檢測電飯鍋飯量的軟傳感器思考與練習題第10章 仿生傳感器10.1 仿生學概述10.2 仿生傳感器10.2.1 仿生傳感器的定義10.2.2 仿生傳感器的工作原理10.2.3 仿生傳感器的分類10.3 電子鼻10.3.1 電子鼻簡介10.3.2 電子鼻工作原理與類型10.3.3 電子鼻的應用思考題與習題第11章 嵌入式傳感器、分布式傳感器、陣列式傳感器11.1 嵌入式智能傳感器11.1.1 嵌入式智能傳感器的定義11.1.2 嵌入式智能傳感器的性能特點11.1.3 嵌入式智能傳感器的一般結構11.1.4 嵌入式智能傳感器應用舉例——模糊推理型嵌入式智能甲烷傳感器11.2 陣列式智能傳感器11.2.1 陣列式智能傳感器的概念11.2.2 陣列式智能傳感器的結構11.2.3 陣列式傳感器應用舉例11.3 分布式傳感器系統11.3.1 分布式傳感器的基本概念11.3.2 分布式傳感器的工作原理11.3.3 用于構成分布式光纖傳感器的主要技術11.3.4 分布式光纖傳感器舉例思考題和習題
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參考資料
1.
智能傳感器原理、設計與應用
．當當[引用日期2019-05-13]
智能傳感器原理：智能傳感器原理與應用
專門為考試復習準備的傳感器原理與應用概念題，有一些章節沒有電子版
第一章 概述
1、現代信息技術的三大支柱是傳感器技術（信息采集），通信技術（信息傳輸），計算機技術（信息處理）
2、傳感器：是一種能把特定的信息轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置
國標：能夠感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置
3、傳感器的組成：敏感元件、轉換元件、信號調理和轉換電路（輔助電源）
4、傳感器分類：①按工作原理分類：物理量傳感器、化學量傳感器、生物量傳感器
②按被測量分類：力熱流體聲光電磁
5、傳感器的發展趨勢：新原理、新材料、新工藝、微型化、多功能、集成化、智能化、多源融合、網絡化
6、物聯網：物聯網就是物物相連的互聯網，將各設備按照協議與互聯網結合，形成網絡交換信息通訊；
7、傳感器是物聯網的感官，可感知探測采集獲取對象信息，是物聯網全面感知的主要部件
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第二章 傳感器的基本特性
1、傳感器的靜態特性：指當輸入量為常數或變化極慢時，傳感器的輸入輸出特性，包括線性度、遲滯、最大重復偏差、靈敏度。由漂移和穩定性，分辨率和閾值、精確度等性能指標描述
2、確定傳感器線性度擬合直線的方法：理論擬合、過零旋轉擬合、端點連線擬合、端點平移擬合
3、傳感器的線性度表示由于實際傳感器有非線性存在，近似后的擬合直線與實際曲線存在偏差，所以稱為線性度，傳感器的非線性誤差是以一條理想直線作為基準，故即使是同一傳感器，基準不同時得出的線性度也不同
4、傳感器動態特性：當輸入量隨時間變化時討論傳感器的動態特性，是指傳感器輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性（時間常數t，固有頻率W，阻尼系數ξ）
5、傳感器動態特性主要指標：①階躍響應特性（最大偏移量、遲滯時間、上升時間、巔峰時間、響應時間）
②頻率響應特性（幅頻特性、相頻特性、通頻帶、工作頻率、 固有頻率、相位誤差、跟隨角）
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第三章 電阻式傳感器
1、電阻應變效應：金屬導體的電阻值隨它受力所產生隨機械形變的大小而發生變化的現象稱為電阻應變效應
2、電阻的靈敏系數：金屬應變絲的電阻相對變化與它所受的應變之間的線性關系（Ks）
應變片靈敏系數小于電阻絲靈敏系數，實際中應變片靈敏系數誤差較大，金屬絲做成應變片后電阻應變特性會改變
3、直線電阻絲繞成敏感柵后，圓弧部分使Ks靈敏系數下蔣，此為橫向效應，橫截面積越大，圓弧部分越小，橫向效應越小，所以通過增加應變片兩端電阻條的橫截面積減小橫向效應
4、應變片測量采取溫度補償措施：溫度變化會引起應變片阻值的變化，被測材料與應變片的線膨脹系數不同，使得粘在材料上的應變片與材料的應變不一致而引起測量誤差；
補償方法：橋路補償
5、金屬應變片是通過改變絲柵的幾何尺寸，電阻率可忽略不計，半導體應變片是基于壓阻效應工作的，沿半導體晶軸的應變，使電阻率有很大變化
金屬電阻絲：靈敏系數1.5~2
半導體：靈敏系數50~100
半導體應變片電阻率變化不可忽略，但是可以忽略集合變化，金屬絲反之
6、半導體應變片優缺點：工作頻率高、體積小、耗電少、靈敏度高、測力范圍廣、但是溫度特性差、工藝復雜
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第四章 電容式傳感器
1、電容傳感器類型：①、變面積型：測量范圍大，用于測線位移、角位移
? ②、變極距型：靈敏度高，用于小位移測量
? ③、變介質型：用于液面高度、介質厚度測量
2、 改善單極式變極距型電容傳感器非線性方法：差動結構
3、高頻激勵時，要考慮電容和引線電感L，會使傳感器有效電容變化，引起靈敏度下降
4、電容式傳感器測量電路：
①、交流電橋：電橋兩臂為電容，另外兩臂是變壓器次級繞阻，被測量變化使電容變化，電橋失衡，Uo下降
②、二極管雙T型：負載電阻上輸出電壓與電容差為正比，與電源電壓幅值和頻率有關
③、差動脈沖調寬電路：電容充放電使電路輸出脈沖寬度隨電容容量變化，低通后能得到對應直流信號
④、運放式：傳感器電容接入運放，作為反饋，在輸入恒定交流信號，輸出信號電壓收反饋電容所控制
5、差動脈沖調寬電路用于電容式傳感器測量電路的特點：適用于任意差動電容傳感器，不用解調，檢波，對矩形波純度要求不高
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第五章 電感式傳感器
1、電感式傳感器：利用線圈自感互感變化實現非電量電測的一種裝置
2、電感式傳感器分類：自感式、互感式
按照結構分類：變磁阻式、變壓器式、渦流式
特點：結構簡單可靠、分辨率高、能測0.1um或更小的機械位移，零漂少、線性度好、輸出功率大
3、
4、差動變壓器式傳感器結構和工作原理：主要是由一個線框和一個鐵芯組成,在線框上繞有一組初級線圈作為輸入線圈(或稱一次線圈),在同一線框上另繞兩組次級線圈作為輸出線圈(或稱二次線圈),并在線框中央圓柱孔中放入鐵芯,當初級線圈加以適當頻率的電壓激勵時,根據變壓器作用原理,在兩個次級線圈 中就會產生感應電勢,當鐵芯向右或向左移動時,在兩個次級線圈內所感應的電勢一個增加一個減少。如果輸出接成反向串聯，則傳感器的輸出電壓u等于兩個次級線圈的電勢差，因為兩個次級線圈做得一樣，因此，當鐵芯在中央位置時，傳感器的電壓u為0，當鐵芯移動時，傳感器的輸出電壓u就隨鐵芯位移x成線性的增加。如果以適當的方法測量u，就可以得到與x成比例的線性讀數。這就是差動變壓器式傳感器的工作原理。
特點：靈敏度高、測量范圍小、用于測量小型機械位移
5、差動變壓器式傳感器零點殘余電壓的原因以及解決方案：
①、兩電感線圈的等效參數不對稱
②、電源電壓中含有高次諧波，傳感器工作在磁化曲線N4L線性段
解決方案：減小電源中的諧波成分，減小高次諧波；減小激勵電流；設計均勻，幾何對稱，去除機械應力；采用合適的測量電路，采用補償電路進行補償（采用串聯電阻減小零他輸出的基波分量，并聯電阻電容減小零位輸出的諧波分量，加上反饋支路減小基波和諧波分量）
6、電渦流效應：一個塊狀金屬導體在變化的磁場中或者在磁場中切割磁力線運動時，導體內部會產生閉合的電流，稱為電渦流。
7、電渦流效應產生條件：存在交變磁場；導體處于交變磁場中
8、電渦流效應特性：只存在于金屬導體表面的薄層內，渦流分布不均勻，電渦流傳感器測量范圍和傳感器尺寸（線圈直徑）有關
9、電渦流傳感器可以測量的物理量：電阻率、磁導率、厚度、線圈與被測物體之間的距離、激勵線圈角頻率、振動、轉速、測溫、電渦流探傷（不能測非金屬，因為中有金屬才能產生電渦流）
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第六章 磁電、磁敏式傳感器、
1、磁電感應式傳感器工作原理：磁電感應式傳感器利用導體和磁場發生相對運動時會在導體兩端輸出感應電動勢。導體在磁場中運動切割磁力線，或者通過閉合線圈的磁通量發生變化時，在導體兩端或線圈內將產生感應電動勢，大小與磁通變化率有關
2、磁電感應式傳感器分類：恒磁通式；變磁通式
3、說明磁電感應式傳感器產生誤差的原因及補償方法：磁電感應式傳感器兩個基本元件，即永久磁鐵和線圈，永久磁鐵在使用前需要有穩定性處理，主要是線圈中電流產生的磁場對恒定磁場的作用（稱為線圈磁場效應）是不能忽略的，需要采用補償線圈與工作線圈相串聯加以補償。當環境溫度變化較大時傳感器溫度誤差較大，必須加以補償。
4、霍爾效應：通電導體（半導體）放在磁場中，電流方向和磁場方向垂直，在導體另外兩側會產生感應電動勢。
5、霍爾元件常用的材料：半導體材料（N型半導體）
不用金屬材料的原因：金屬材料電阻小，導致感應電動勢（霍爾電動勢）較小
6、霍爾元件不等位電勢產生的原因：
①、霍爾電極安裝位置不正確，不對稱或不在同一等電位量上
②、半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或使幾何尺寸不均勻
③、控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布
7、比較霍爾元件、磁敏電阻、磁敏二極管相同與不同以及各自特點：霍爾元件體積小，外圍電路簡單，動態特性好，靈敏度高、頻帶寬；磁敏電阻與霍爾元件同類，磁電轉換，而電阻沒有判斷極性的能力；磁敏二極管用于檢測交直流磁場，特別是強弱場
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第七章 壓電元件與超聲波傳感器
1、壓電效應：某些電介質（晶體），當沿著一定方向施加力形變時，內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面會產生符號相反的電荷，當外力去掉，又重新恢復為不帶電狀態。
2、正壓電效應：受到外力，內部極化，相對表面出現異號電荷，外力去掉即恢復不帶電。
3、逆壓電效應：當在介質極化的方向施加電場，電介質會產生形變，電場去掉，形變消失
4、石英晶體和壓電陶瓷的壓電效應的區別：石英晶體按照特定方向切片后，沿電軸方向的力作用產生的壓電效應為“縱向壓電效應”，沿機械軸的稱為“橫向壓電效應”，沿光軸不產生；
壓電陶瓷在未處理時不具有壓電效應，是非壓電體，極化后壓電效應明顯，具有很高的壓電系數
5、P2T壓電陶瓷：具有極高的介電常數
6、幾種壓電材料的優缺點：石英晶體和壓電陶瓷密度大，質地硬，易碎，不耐沖擊，難以加工；壓電陶瓷用于高溫環境，石英晶體用于有長度和厚度形變的場合；新型高分子壓電材料制成的壓電薄膜用于沖擊較多，小型壓電元件
7、壓電傳感器不能用于靜態測量，只有在測量電路有一定電流，在其上加交變力，電荷得到補充，需要工作頻率較高，傳感器電荷才能得以補充保存
8、壓電元件在使用時常采用多片串聯或并聯的結構形式。試述在不同接法下輸出電壓、電荷、電容的關系，它們分別適用于何種應用場合？
如果按相同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）串聯。輸出總電容為單片電容的一半，輸出電荷與單片電荷相等，輸出電壓是單片的兩倍；若按不同極性粘貼，相當兩個壓電片（電容）并聯，輸出電容為單電容的兩倍，極板上電荷量是單片的兩倍，但輸出電壓與單片相等。
9、電壓放大器和電荷放大器本質上有什么不同，特點，適用情況：
電壓放大器本質上是一個阻抗變換電路；
特點：當輸入信號為0，電壓放大器輸入信號為0，不能測靜態物理量；高頻響應好，動態特性好，需要高輸入阻抗，測量系統對電纜長度變化敏感
電荷放大器：具有深度負反饋的高增益運放
特點：輸出電壓與傳感器電荷量成正比，與電容成反比，電纜電容變化不會影響傳感器靈敏度，電路復雜，造價高
10、壓電器件高阻抗輸出原因：壓電式傳感器內阻很高,且信號微弱,一般不能直接顯示和記錄.需進行阻抗變換和信號放大.由于壓電傳感器產生的電荷量很少,除自身要有極高的絕緣電阻外,同時要求測量電路前極輸入也要有足夠高的阻抗.要高阻抗輸出
11、超聲波：頻率高于20KHz的波稱為超聲波，幾千赫茲到幾十兆赫茲
12、超聲波在通過兩種介質時會發生反射，折射和波形轉換
13、壓電式超聲波傳感器：發射：逆壓電效應；接收：壓電效應
常用的超聲波傳感器探頭形式：兼用型傳感器：發射和接收元件放在一起
專用型傳感器：發射和接收器件各自獨立
原理：通過定時控制電路，觸發邏輯電路放大檢波電路數據處理電路，將檢測超聲波信號變換為有關距離的信號，利用時鐘脈沖對發送和接收之間的延遲時間計數，計數值與每個計數脈沖周期時間乘積為超聲波傳播時間
14、超聲波測厚原理：當探頭發射的超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度。
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第八章 光電效應及光電元件
1、內光電效應：當光線照射到物體上，使物體的電導率發生變化或產生光生電動勢的現象
2、外光電效應：物質吸收光子并激發出自由電子的現象
3、光在半導體中傳播時具有衰減現象，即產生光吸收。理想半導體在絕對溫度時，價帶完全被電子占滿，電子不能激發到更高能級，當一定波長的光照到半導體時，電子吸收足夠的能量的光子，躍遷產生空穴對
光電器件：光電管、光電倍增管、光敏電阻
4、普通光電器件：①、基于外光電效應：光電管、光電倍增管‘
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用光伏特效應制成的光電器件：光敏二極管、光敏三極管
5、光敏器件的主要特性和參數：光照特性、光譜特性、溫度、伏安、頻率特性
6、亮電阻：受光照時的電阻（0.5~20KΩ）
暗電阻：無光照時的電阻（0.5~200MΩ）
7、光敏電阻：受光照時光電導效應使得導電性能增加，電阻下降
光敏二極管：在電路中處于反向偏置狀態，無光時反向電阻大，電流小
8、反射式光電傳感器類型：紅外光型、紅光型、窄光束型
特點：安裝簡便、便于光路對齊，不受被檢測物的外觀材料等影響
注意：被檢測工件表面要有用于吸收和反射紅外光的部位；使用中前端面與被檢測物表面要平行；前端面和反光板距離保持在規定范圍；電流在2~1-mA
9、光柵傳感器基本原理：根據莫爾條紋原理制成的計量光柵
10、莫爾條紋：兩光柵疊合形成，透光部分疊加，光通過后形成亮帶；不透光部分疊加，光線無法透過，形成暗帶
特點：莫爾條紋間距對光柵柵距有放大作用；對光柵柵距局部誤差有誤差平均效應，能提高測量精度
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第九章 新型光敏傳感器
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第十章 半導體式化學傳感器
1、半導體氣敏傳感器：把氣體中的特定成分檢測出來，并將成分參量變換為電信號的器件和裝置
2、半導體氣敏傳感器基本類型：電阻型、非電阻型
3、工作原理：利用半導體表面因為吸附氣體引起半導體元件電阻變換
4、電阻型半導體氣敏傳感器在高溫狀態工作的原因：加速氣體吸附和氧化還原反應，提高靈敏度和響應速度，燒掉附著在傳感器原件表面上的油霧、塵埃
5、非電阻型半導體氣敏傳感器類型：MOS二極管氣敏元件；MOSFET氣敏元件；肖特基二極管氣敏元件
6、絕對濕度：單位體積空氣含有的水汽的質量
7、相對濕度：被測氣體中，實際所含水汽蒸汽壓和該氣體在同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比
8、露點：空氣中的水氣分壓與同溫度下水的飽和氣壓相等時的溫度，此時可能形成露珠
9、濕敏傳感器種類：氧化全部都是濕敏電阻，半導體陶瓷濕敏電阻
參數：濕度量程；感溫特性曲線；靈敏度
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第十二章 熱點式傳感器
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第十三章 生物傳感器
1、生物傳感器：是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器
組成：分子識別部分；轉換部分
特點：專一性強；分析速度快；準確度高；操作簡單；成本低
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第十四章 集成智能傳感器
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智能傳感器原理：檢測原理：
1.智能傳感器簡介
1.1智能傳感器的概念
智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發宇宙飛船過程中提出來,并于1979年形成產品。IEEE協會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?！冬F代新型傳感器原理與應用》一書中認為智能傳感器是帶微處理機的,兼有信息檢測、信息記憶以及邏輯思維與判斷功能的傳感器。
智能傳感器是正在高速發展的高新技術,至今還未形成統一的規范化的定義,人們普遍認為智能傳感器是具有對外界環境等信息進行自動收集、數據處理以及自診斷與自適應能力的傳感器。
1.2智能傳感器的功能
(1)自補償與自診斷功能:通過微處理器中的診斷算法能夠檢驗傳感器的輸出,并能夠直接呈現診斷信息,使傳感器具有自診斷的功能。
(2)信息存儲與記憶功能:利用自帶空間對歷史數據和各種必需的參數等的數據存儲,極大地提升了控制器的性能。
(3)自學習與自適應功能:通過內嵌的具有高級編程功能的微處理器可以實現自學習功能,同時在工作過程中,智能傳感器還能根據一定的行為準則重構結構和參數,具有自適應的功能。
(4)數字輸出功能:智能傳感器內部集成了模數轉換電路,能夠直接輸出數字信號,緩解了控制器的信號處理壓力。
2.智能傳感器應用領域及其發展現狀
2.1土木工程
我國作為重大的土木工程和基礎設施大國,橋梁、水壩、核電站、供水供電系統工程等使用年限長達幾十年,由于腐蝕作用、材料老化等環境和自身因素,不可避免的造成工程損傷和災害抵抗力下降等問題,因此智能傳感器在土木工程領域的作用就顯得尤為重要。
哈爾濱工業大學的周智、歐進萍等人分析了光纖光柵溫度傳感特性及其應變傳感的溫度補償原理和方法,開發了一種滿足工程應用的光纖光柵封裝傳感器,建立了包括傳感器、光開關、數據采集和控制軟件在內的大規模、分布式的光纖光柵智能監測系統,并將其成功的運用到橋梁的實際施工中,將溫度傳感器與建筑材料復合,用于橋梁的局部健康監測總并取得了良好的效果。
2.2醫學
在生物醫學領域中,傳感器作為核心部件被應用到了眾多的檢測儀器中,關乎到人體健康往往對醫用傳感器有更高要求,不僅對其精確度、可靠性、抗干擾性,同時在傳感器的體積、重量等外部特性上也有其特殊的要求,因此傳感器在醫學中的應用在一定程度上反映了傳感器的發展水平。
隨著可穿戴式、可植入式微型智能傳感器逐漸面世,醫學檢測儀器的發展有了里程碑式的飛躍。中山大學馮巍、陳仲本等人研究了一種人體實時監控系統,該系統利用多個微型智能傳感器通過基于藍牙技術的無線網絡實現人體健康數據獲取、處理及通信等任務,主服務器對數據進行分析計算后反饋給各個節點,實時監控被監測對象以避免突發性疾病,這種可穿戴式的智能傳感器也可以在運用于類似于足球比賽等高強度的體育比賽或運動員的高強度訓練中。
2.3汽車及交通
交通發展的逐漸走向體系化、規范化、智能化管理,在城市內建立完整的智能交通系統,利用智能信息搜集與處理、數據通信等技術實現人、車和路信息的多元統一,進一步智能調控交通運行系統,利用道路傳感網絡獲取當前交通系統中基礎設施、各類車輛以及人群移動的狀態等數據,使交通系統實現智能檢測與控制成為可能。
目前在汽車安全行駛系統、車身系統、智能交通系統等領域已經實現了智能傳感器的規?；a,隨著智能傳感器的不斷更新改良,其在汽車領域的應用已經比較廣泛。輪胎壓力監測系統(TPMS)是一種監測汽車輪胎壓力和溫度的智能監測系統,監視器收集各個輪胎的溫度和壓力數據,并根據輪胎溫度和壓力數據的異常情況發出不同的報警信號提醒駕駛者采取一定的措施,對防止重大交通事故發揮積極作用。溫州大學的雷鵬飛、沈華東等人對紅外傳感器在智能車避障系統的應用進行了研究與設計,避障傳感器放射的紅外線在一定范圍內遇到障礙物會被反射,傳感器檢測到紅外線反射回的信號并發送給單片機,單片機通過輸入內部的算法對車輛輪胎的方向、距離進行智能協調,從而完成躲避障礙物動作。同時獨輪式平衡車作為新興的個人交通工具也是利用內置傳感器收集用戶的姿勢信息控制平衡車的前進方向與速度,成為傳感器在交通領域的一大創新。
2.4軍事與國防
軍事力量是衡量一國國防實力和綜合實力的關鍵指標,對于國防建設具有重要的作用。作為軍事力量的重要組成部分,武器系統的性能決定了軍事隊伍作戰的成敗,在武器系統中引入智能傳感器不僅能夠實時監測戰場形勢變化從而及時調整偵察和作戰計劃,而且可以通過應用各類微小傳感裝置實現隱蔽性監視,為摧毀敵人目標點和攻擊武裝力量奠定技術和環境基礎。美國海軍陸戰隊的地面偵查機器人在機身上裝有具備俯仰角度和側傾角的智能傳感器,這種裝備主要用于實現潛水偵察,另外還在機身上裝有基于衛星導航的智能傳感器用于準確模擬戰場及其周邊地形,從而實現水陸兩棲作戰的完美配合。
2.5家電
鄭志輝等人研究了紅外傳感器在智能云空調上的應用,將紅外熱成像技術引入智能空調應用開發,實現智能送風和智能啟停功能,根據室內溫度與用戶體感溫度的差異選擇是否開啟空調,以及選擇送風方式及相應的調節參數,該應用搭配志高云平臺實現智能防火功能,智能檢測、報警,用戶可通過APP了解現場情況。
2.6電子裝備
智能手環是最常見的一種可穿戴式的電子設備,能夠通過微型貼身傳感器實時監測并記錄用戶的飲食、睡眠、健身等數據,同時將這些數據同步到智能手機、平板等電子設備上,用數據指導健康生活。桂林電子科技大學的李易陸、陳洪波等人設計了一種基于MEMS數據輸出加速度傳感器與超低功耗單片機的智能記步手環,該手環利用傳感器隨時隨地記錄運動者的步行量、卡路里消耗等信息,通過藍牙方式傳輸到手機,實現了計步功能的良好適應,也提高了智能手環的可靠性運行。Helios設計了一款配備了UV紫外線傳感器的智能戒指,用戶只需在Helios應用上反饋著裝、防曬等的涂抹情況,智能戒指就可以根據當天的紫外線按強度提供準確的結果幫助用戶確定日光浴時長等。
2.7農業
智慧農業是現代農業發展的高級階段,涉及到應用傳感和測量技術、自動控制技術、計算機與通信技術等智能信息技術,依托安置在農產品種植區的各個傳感器節點和通信網絡,實施監測農業生產的田間智慧種植數據,實現可視化管理、智能預警等,因此傳感器技術是現代農業發展的一項關鍵技術。
中國農業大學的承洋洋、王庫、劉超等人設計開發了一種農業環境智能監控系統,通過分布式的傳感器節點構建ZigBee無線傳感網絡,采集和傳輸空氣溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度和光照強度等信息,并將這些信息與攝像頭收集的圖像數據匯集到一起,通過無線電臺傳輸到遠程服務器上,遠程監控農業生產中的環境問題,實現農業生產管理的智能化與高效率。
2.8海洋探測
開發海洋資源的前提是海洋信息的實時收集與檢測,隨著物聯網技術在海洋環境領域的廣泛應用,為實現海洋環境實時監測、海洋信息實時采集,海洋信息智能采集成為保證海洋環境監測的基礎。楊秀芳等人設計開發了基于無線傳感器的信息采集系統,通過構建無線傳感器網絡,實時提供海洋環境數據,充分利用ZigBee網絡優勢,通過智能激活傳感器節點所形成的最佳時間間隔減少網絡成型時間,降低功耗和復雜度的同時延長無線傳感器網絡的生存時間,保證傳感器能夠長時間對海洋環境進行實時監測以及海洋信息的實時采集,對未來海洋環境保護和資源開發具有一定的價值。
2.9航空航天
NASA為檢測制造航天飛機的材料是否達到使用壽命,需要經常檢測運載火箭的艙內設施以及各個關鍵部件結構的的健康狀況,因此美國斯坦福大學開發了一項斯坦福多致動器接收轉換(SMART)層專利技術,艙身各部分安裝傳感器接收器,在接收到中央傳感器發射的電磁波,將其轉換為實時數據并傳輸到計算機中,計算機利用自身的一套算法處理該數據并實現信息反饋,提供了一種結構健康監測的實現方法。
3.展望
3.1MEMS傳感器
MEMS傳感器是利用MEMS技術制備的新一代傳感器件。MEMS是一個獨立的智能微小系統,其系統尺寸在幾毫米乃至更小,其內部結構一般在微米甚至納米量級,可大批量生產,常見的產品包括MEMS氣體傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS光學傳感器、MEMS加速度計、MEMS麥克風及MEMS陀螺儀等以及它們的集成產品。
3.2仿生傳感器
仿生傳感器是將生物物質作為識別標識與待測物質發生生物學反應,產生的信息將會轉化成物理、化學信號并輸出的裝置。仿生傳感器運用于農業生產能夠快速地對農產品品質、土壤污染情況進行檢測,是目前研究和應用最廣泛的智能傳感器。
3.3電化學傳感器
電化學傳感器能夠對諸如pH值、離子活度的等土壤數據進行直接測量,是農業領域中的一個新的重要應用。中國科學院上海應用物理研究所在2014年研究發布了一種基于氣泡介導的電化學生物傳感器,單一反應實現免疫分析的問題得到解決,并且能夠快速準確地檢測多種疾病的標志物,該傳感器有望為現場生化檢測提供新的手段。
4.小結
智能傳感器是物聯網發展的最重要的技術之一,在為傳統行業注入新鮮血液的同時也引領了傳感器產業的潮流,在醫學、工業、海洋、航天、軍事、農業等領域均發揮著核心作用,隨著智能傳感器技術的發展,新一代智能傳感器將結合人工神經網絡、人工智能等技術不斷完善其功能,具有十分可觀的發展前景。
人工智能、大數據、云計算和物聯網的未來發展值得重視，均為前沿產業，多智時代專注于人工智能和大數據的入門和科譜，在此為你推薦幾篇優質好文：
1.智能化成為傳感器行業發展主要方向
2.智能傳感器的新技術，應用場景、行業標準及產業鏈發展情況
3.什么是智能傳感器，智能傳感器在物聯網領域，面臨哪些挑戰？
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智能傳感器原理：淺析智能傳感器技術原理
智能傳感器（intelligentsensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優點：通過軟件技術可實現高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。
一個良好的‘智能傳感器’是由微處理器驅動的傳感器與儀表套裝，并且具有通信與板載診斷等功能。智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來，并按照指令處理這些數據，從而創造出新數據。智能傳感器之間能進行信息交流，并能自我決定應該傳送的數據，舍棄異常數據，完成分析和統計計算等。
智能傳感器，說白了就是將人工智能與傳感器技術相結合，形成硬件和軟件是共生演化的產物。未來，將有500億個相互連接的設備。而這些設備中大多都會安傳感器，可能用ElectricImp內嵌傳感器，或者用Estimote外接一個傳感器。設備中的傳感器會產生前所未有的海量數據。
人工智能技術能夠對傳感器系統有所幫助，它們是基于知識的系統、模糊邏輯、自動知識收集、神經網絡、遺傳算法、基于案例推理和環境智能。這些技術在傳感器系統中的應用越來越廣泛，不僅因為它們確實有效，還因為今天的計算機應用越來越普及。
這些人工智能技術具有最低的計算復雜度，可以應用于小型傳感器系統、單一傳感器或者采用低容量微型控制器陣列的系統。正確應用人工智能技術將會創造更多富有競爭力的傳感器系統和應用。
人工智能領域的其他技術進步也將會給傳感器系統帶來沖擊，包括數據挖掘技術、多主體系統和分布式自組織系統。環境傳感技術能夠將很多微型電子處理器和傳感器集成到日常物品中，使其具有智能。它們可以創造智能環境，與其他智能設備通訊，并與人類實現交互。給出的建議能夠幫助用戶更加直觀地完成任務，但是這種集成技術的后果將會很難預測。使用環境智能和多種人工智能技術的組合能夠將這種技術發揮到極致。
利用人工智能對傳感器系統進行優化。人工智能作為計算機科學的一個分支出現于20世紀50年代，它繁衍出了很多功能強大的工具，在傳感器系統中具有巨大作用，能夠自動解決那些原本需要人類智能才能夠解決的問題。
雖然人工智能進入工業領域的進程較為緩慢，但是它必將帶來靈活性、可重新配置能力和可靠性方面的進步。全新的系統設備在越來越多的任務中表現出超過人類的性能。隨著它們與人類越來越緊密，我們將人類大腦與計算機能力結合起來，實現商討、分析、推論、通訊和發明。
人工智能結合了多種先進技術，賦予了機器學習、采納、決策的能力，給予他們全新的功能。這一成就依賴于神經網絡、專家系統、自組織系統、模糊邏輯和遺傳算法等技術，人工智能技術將其應用領域擴展到了很多其他領域，其中一些領域需要對傳感器信息進行解析和處理，例如裝配、生物傳感器、建筑建模、計算機視覺、切割工具診斷、環境工程、力值傳感、健康監控、人機交互、網絡應用、激光銑削、維護和檢查、動力輔助、機器人、傳感器網絡和遙控作業等等。
這些人工智能方面的發展被引入到了更加復雜的傳感器系統中。點擊鼠標、輕敲開關或者大腦的思考都會將任何傳感器數據轉化為信息并發送給你。
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文章標簽：傳感器在智能車 , 傳感器基本原理 , 傳感器技術的發展
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