智能傳感器的應(yīng)用與發(fā)展方向

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,即便使用一臺大型計算機也很難同時處理如此龐大的數(shù)據(jù)。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(shù)量,通常不是一個傳感器而是多個傳感器系統(tǒng)配備一個處理器,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準化的科學(xué)定義。歸納諸多學(xué)者的觀點,筆者認為應(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、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)換成電壓信號并進行歸一化處理以滿足ADC動態(tài)范圍。智能處理器應(yīng)對ADC輸出的數(shù)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(jù)給定的傳統(tǒng)傳感器和環(huán)境條件的先驗知識,處理器利用數(shù)字計算方法,自動補償傳統(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失真,以最佳地恢復(fù)被測信號。計算方法用軟件實現(xiàn),達到軟件補償硬件缺陷的目的。

2)自計算和處理功能

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

3)自學(xué)習與自適應(yīng)功能

傳感器通過對被測量樣本值學(xué)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(xué)習能力。同時,通過對被測量和影響量的學(xué)習,處理器利用判斷準則自適應(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、自動觸發(fā)、自動濾波切換和自動溫度補償?shù)取?/p>

4)自診斷功能

因內(nèi)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(tài)數(shù)據(jù),通過電子故障字典或有關(guān)算法可預(yù)測、檢測和定位故障。

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)等各個領(lǐng)域中。例如,它在機器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)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(xiàn)象,完成各種動作。

在工業(yè)生產(chǎn)中,利用傳統(tǒng)的傳感器無法對某些產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量指標有函數(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)模型進行計算,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(chǎn)了一種葡萄糖手表,其外觀像普通手表一樣,戴上它就能實現(xiàn)無疼、無血、連續(xù)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生電流。傳感器測量該電流,經(jīng)處理器計算出與該電流對應(yīng)的血糖濃度,并以數(shù)字量顯示。