智能傳感器的應用與發展方向

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。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面或飛船上的處理器發送溫度、位置、速度和姿態等數據信息,即便使用一臺大型計算機也很難同時處理如此龐大的數據。何況飛船又限制計算機體積和重量,于是引入了分布處理的智能傳感器概念。其思想是賦于傳感器智能處理功能,以分擔中央處理器集中處理功能。同時,為了減少智能處理器數量,通常不是一個傳感器而是多個傳感器系統配備一個處理器,且該系統處理器配備網絡接口。

智能傳感器的定義與功能

目前，智能傳感器尚沒有標準化的科學定義。歸納諸多學者的觀點,筆者認為應模仿人的感官和大腦功能來定義智能傳感器。本質上,它應定義為基于人工智能理論,利用微處理器實現智能處理功能的傳感器。

智能傳感器不僅具有視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺功能,且應具有記憶、學習、思維、推理和判斷等大腦能力。前者由傳統的傳感器來完成。此處的傳統傳感器的功能結構包括敏感元件、調理電路和模數轉換器(ADC),敏感元件將描述客觀對象與環境狀態或特性的物理量轉換成電路元件參量或狀態參量,調理電路將電路參量轉換成電壓信號并進行歸一化處理以滿足ADC動態范圍。智能處理器應對ADC輸出的數字信號進行智能處理,主要智能處理功能如下：

1)自補償功能

根據給定的傳統傳感器和環境條件的先驗知識,處理器利用數字計算方法,自動補償傳統傳感器硬件線性、非線性和漂移以及環境影響因素引起的信號失真,以最佳地恢復被測信號。計算方法用軟件實現,達到軟件補償硬件缺陷的目的。

2)自計算和處理功能

根據給定的間接測量和組合測量數學模型,智能處理器利用補償的數據可計算出不能直接測量的物理量數值。利用給定的統計模型可計算被測對象總體的統計特性和參數。利用已知的電子數據表,處理器可重新標定傳感器特性。

3)自學習與自適應功能

傳感器通過對被測量樣本值學習,處理器利用近似公式和迭代算法可認知新的被測量值,即有再學習能力。同時,通過對被測量和影響量的學習,處理器利用判斷準則自適應地重構結構和重置參數。例如,自選量程,自選通道、自動觸發、自動濾波切換和自動溫度補償等。

4)自診斷功能

因內部和外部因素影響,傳感器性能會下降或失效,分別稱為軟、硬故障。處理器利用補償后的狀態數據,通過電子故障字典或有關算法可預測、檢測和定位故障。

5)其它的常用功能包括用于數據交換通信接口功能,數字和模擬輸出功能及使用備用電源的斷電保護功能等。

智能傳感器的應用與方向

智能傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防、科技和工農業生產等各個領域中。例如,它在機器人領域中有著廣闊應用前景,智能傳感器使機器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現象,完成各種動作。

在工業生產中,利用傳統的傳感器無法對某些產品質量指標(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進行快速直接測量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測量與產品質量指標有函數關系的生產過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等),利用神經網絡或專家系統技術建立的數學模型進行計算,可推斷出產品的質量。

在醫學領域中,糖尿病患者需要隨時掌握血糖水平,以便調整飲食和注射胰島素,防止其它并發癥。通常測血糖時必須刺破手指采血,再將血樣放到葡萄糖試紙上,最后把試紙放到電子血糖計上進行測量。這是一種既麻煩又痛苦的方法。美國Cygnus公司生產了一種葡萄糖手表,其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實現無疼、無血、連續的血糖測試。葡萄糖手表上有一塊涂著試劑的墊子,當墊子與皮膚接觸時,葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發生電化學反應,產生電流。傳感器測量該電流,經處理器計算出與該電流對應的血糖濃度,并以數字量顯示。