智能傳感器的應(yīng)用與發(fā)展方向

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摘要：智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來,并于1979年形成產(chǎn)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(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息,即便使用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)也很難     智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來,并于1979年形成產(chǎn)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(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息,即便使用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)也很難同時(shí)處理如此龐大的數(shù)據(jù)。何況飛船又限制計(jì)算機(jī)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(dān)中央處理器集中處理功能。同時(shí),為了減少智能處理器數(shù)量,通常不是一個(gè)傳感器而是多個(gè)傳感器系統(tǒng)配備一個(gè)處理器,且該系統(tǒng)處理器配備網(wǎng)絡(luò)接口。

    智能傳感器的定義與功能

    目前，智能傳感器尚沒有標(biāo)準(zhǔn)化的科學(xué)定義。歸納諸多學(xué)者的觀點(diǎn),筆者認(rèn)為應(yīng)模仿人的感官和大腦功能來定義智能傳感器。本質(zhì)上,它應(yīng)定義為基于人工智能理論,利用微處理器實(shí)現(xiàn)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(yīng)具有記憶、學(xué)習(xí)、思維、推理和判斷等"大腦"能力。前者由傳統(tǒng)的傳感器來完成。此處的傳統(tǒng)傳感器的功能結(jié)構(gòu)包括敏感元件、調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),敏感元件將描述客觀對(duì)象與環(huán)境狀態(tài)或特性的物理量轉(zhuǎn)換成電路元件參量或狀態(tài)參量,調(diào)理電路將電路參量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并進(jìn)行歸一化處理以滿足ADC動(dòng)態(tài)范圍。智能處理器應(yīng)對(duì)ADC輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行智能處理,主要智能處理功能如下：

    1)自補(bǔ)償功能

    根據(jù)給定的傳統(tǒng)傳感器和環(huán)境條件的先驗(yàn)知識(shí),處理器利用數(shù)字計(jì)算方法,自動(dòng)補(bǔ)償傳統(tǒng)傳感器硬件線性、非線性和漂移以及環(huán)境影響因素引起的信號(hào)失真,以最佳地恢復(fù)被測(cè)信號(hào)。計(jì)算方法用軟件實(shí)現(xiàn),達(dá)到軟件補(bǔ)償硬件缺陷的目的。

    2)自計(jì)算和處理功能

    根據(jù)給定的間接測(cè)量和組合測(cè)量數(shù)學(xué)模型,智能處理器利用補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)可計(jì)算出不能直接測(cè)量的物理量數(shù)值。利用給定的統(tǒng)計(jì)模型可計(jì)算被測(cè)對(duì)象總體的統(tǒng)計(jì)特性和參數(shù)。利用已知的電子數(shù)據(jù)表,處理器可重新標(biāo)定傳感器特性。

    3)自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能

    傳感器通過對(duì)被測(cè)量樣本值學(xué)習(xí),處理器利用近似公式和迭代算法可認(rèn)知新的被測(cè)量值,即有再學(xué)習(xí)能力。同時(shí),通過對(duì)被測(cè)量和影響量的學(xué)習(xí),處理器利用判斷準(zhǔn)則自適應(yīng)地重構(gòu)結(jié)構(gòu)和重置參數(shù)。例如,自選量程,自選通道、自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)濾波切換和自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)取?

    4)自診斷功能

    因內(nèi)部和外部因素影響,傳感器性能會(huì)下降或失效,分別稱為軟、硬故障。處理器利用補(bǔ)償后的狀態(tài)數(shù)據(jù),通過電子故障字典或有關(guān)算法可預(yù)測(cè)、檢測(cè)和定位故障。

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

    智能傳感器的應(yīng)用與方向

    智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。例如,它在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景,智能傳感器使機(jī)器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現(xiàn)象,完成各種動(dòng)作。

    在工業(yè)生產(chǎn)中,利用傳統(tǒng)的傳感器無法對(duì)某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等)進(jìn)行快速直接測(cè)量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測(cè)量與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等),利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)技術(shù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算,可推斷出產(chǎn)品的質(zhì)量。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,糖尿病患者需要隨時(shí)掌握血糖水平,以便調(diào)整飲食和注射胰島素,防止其它并發(fā)癥。通常測(cè)血糖時(shí)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(jì)上進(jìn)行測(cè)量。這是一種既麻煩又痛苦的方法。美國Cygnus公司生產(chǎn)了一種"葡萄糖手表",其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實(shí)現(xiàn)無疼、無血、連續(xù)的血糖測(cè)試。"葡萄糖手表"上有一塊涂著試劑的墊子,當(dāng)墊子與皮膚接觸時(shí),葡萄糖分子就被吸附到墊子上,并與試劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生電流。傳感器測(cè)量該電流,經(jīng)處理器計(jì)算出與該電流對(duì)應(yīng)的血糖濃度,并以數(shù)字量顯示。

    虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化和信息融合技術(shù)是智能傳感器發(fā)展完善的3個(gè)主要方向。虛擬化是利用通用的硬件平臺(tái)充分利用軟件實(shí)現(xiàn)智能傳感器的特定硬件功能,虛擬化傳感器可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低成本,提高可靠性。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是將利用各種總線的多個(gè)傳感器組成系統(tǒng)并配備帶有網(wǎng)絡(luò)接口(LAN或Internet)的微處理器。通過系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)處理器可實(shí)現(xiàn)傳感器之間、傳感器與執(zhí)行器之間、傳感器與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和共享。多傳感器信息融合是智能處理的多傳感器信息經(jīng)元素級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)組合,形成更為精確的被測(cè)對(duì)象特性和參數(shù)。