详解智能传感器的八大实现途径

导读：智能传感器，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。不仅具有传统传感器的各种功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通信等多种功能。

智能传感器由什么组成？

经过多年的发展，智能传感器已进化到第四代智能传感器，一般由传感器模块、计算模块、通信模块与电源模块组成。如果把智能传感器类比人体系统，可以更好地理解智能传感器的结构组成。传感模块（相当于耳鼻等感觉器官）接受被测量信号；然后通过通信模块（相当于人的神经网络）传递给计算模块（相当于人体大脑），进行一系列的信号处理；最后把处理结果输出给执行器（相当于肢体）做出相应动作。

即：

传感器模块负责信息采集，类比人体的感觉器官；

通信模块负责信号传输，类比人体的神经网络；

计算机模块负责信息处理，类比人体的大脑。

智能传感器把“感知”与“认知”结合起来，起到人体的“五感”功能的作用，要感知各种现象，并实现判断、推理、鉴别功能，最终完成各种动作与任务，全程自动化。

智能传感器都有哪些特点？

与传统传感器相比，智能传感器有着精度高、可靠性强、微型化和低功耗等特点。

精度高：智能传感器可以通过自动校零去除零点误差，与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定，自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正，通过对采集的大量数据的处理以消除偶然误差，保证智能传感器有较高的精度。

可靠性高和稳定性强：智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数变化引起的系统特性的漂移，比如温度变化产生的零点与灵敏度的漂移；在被测参数变化后能自动改换量程；能实时自动进行系统的自我检验，分析判断数据的合理性，并给出异常情况的应急处理方案等。

高信噪比和高分辨率：智能传感器具有数据储存、记忆与信息处理的功能，可通过软件进行数字滤波、数据分析等，故可以除去数据中的噪声，提取出有效信号；也可通过数据融合和神经网络技术，消除多参数状态下交叉灵敏度的影响，从而保证对特定参数的测量有较高的分辨能力。

自适应能力强：智能传感器可根据系统工作的情况来决策各部分的供电情况、优化与上位计算机的数据传送速率，保证系统工作在最优低功耗状态。

性价比高：智能传感器不像传统传感器那样追求传感器本身的完美，对传感器各个环节进行精心设计与调试，而是结合微处理器和微计算机，采用低价的集成电路工艺和MEMS工艺，加上强大的软件，来实现相应的功能，所以相对于传统传感器，智能传感器具有很高的性能价格比。

微型化：随着微电子技术的迅速推广，智能传感器正朝着小和轻的方向发展，以满足航空、航天、国防、小型化工业与民用设备的需求。

低功耗：智能传感器普遍采用大规模或超大规模的CMOS电路，使传感器的耗电量大为降低，有的可用叠层电池甚至纽扣电池供电，而待机模式的设计更是让智能传感器的功耗降至更低。

智能传感器是如何实现的？

目前智能传感器实现的途径主要有三种，分别是非集成化实现、混合实现和集成化实现。这三类传感器的技术难度依次增加，集成化的程度越高，传感器智能化的程度就越高。

非集成式智能传感器

非集成化智能传感器，也叫传感器的智能化，指将传统的传感器（采用非集成化工艺制成的）与信号处理电路、带数据总线接口的微处理器组合在一起而构成的智能传感器。因为是在传统传感器后经信号处理电路及有数据总线接口的微处理器而构成，所以集成度较低，技术壁垒低，不适用于微型化产品领域，不属于新型智能传感器。

混合式智能传感器

混合式智能传感器指根据需求，将系统各集成化环节（敏感元件、信号调理电路、数字总线接口）以不同组合方式集成在不同的芯片上，并封装在一个外壳内，是智能传感器的主要种类，被广泛应用。

集成智能传感器

集成化智能传感器指利用集成电路工艺和MEMS微机技术将传感器敏感元件、信号调理电路、数字总线接口等系统模块集成到一芯片上，封装在一个外壳内的传感器。它内嵌了标准的通信协议和标准的数字接口，使用传感器具有信号提取、信号处理、双向通信、逻辑判断和计算等多种功能。

集成智能传感器是21世纪最具代表性的高新技术成果之一，也是当今国际科技界研究的热点。随着微电子技术的飞速发展和微米、纳米技术的问世，大规模集成电路工艺日臻完善，集成电路的集成度越来越高。集成智能传感器现已成功使各种数字电路芯片、模拟电路芯片、微处理器芯片和存储电路芯片等芯片的价格大幅下降，促进了集成智能传感器的落地应用。

MEMS传感器是目前智能化程度最高的传感器。MEMS技术是在传统半导体材料和工艺基础上，微米操作范围内，将在一个硅片基础上将传感器、机械元件、致动器与电子元件结合在一起的技术，是目前前沿微型传感器的主流方案。

集成智能传感器具有多功能、一体化、精度高、适宜于大批量生产、体积小和便于使用等优点，是未来智能传感器继续发展的方向。

除了以上三种主流的实现途径外，智能传感器在技术上，还有以下5种实现途径。

①采用新的检测原理和结构实现。通过微机械精细加工工艺设计新型构，使之能真实反映实测对象的完整信息，例如3D加速度传感器和3D轴陀螺仪就是利用这种方式实现传感器智能化。

②应用人工智能材料实现。利用人工智能材料的自适应、自诊断、自完善、自调节、自修复和自学习的特性，制造智能传感器，例如半导体陶瓷、记忆合金、氧化物薄膜等人工智能材料。

③采用软件化技术实现。传感器和微处理器相结合的智能传感器，利用计算机软件编程的优势，实现对测量数据的信息处理功能。比如运用软件计算实现非线性校正、自补偿、自校准，提高传感器的精度；用软件实现信号滤波，简化硬件、提高信噪比；运用人工智能、神经网络、模糊理论等，使传感器具有更高智能即分析、判断、自学习等功能。

④通过多传感器信息融合技术实现。多传感器系统通过多个传感器获得更多种类和数量的传感数据，经过处理得到多种信息，从而对环境进行更加全面和准确的描述。

⑤通过网络化实现。智能传感器与通信网络技术相结合，可形成网络化智能传感器。网络化传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。

本文参考自《传感器应用》，主编：陈卫；经传感器专家网整理修改发布。