智能传感器与传感系统
的发展及应用
河北科技大学 信息科学与工程学院
电子信息工程系
数字化测量技术省级精品课
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智能传感器与传感器系统
的发展及应用
• 0 引言
• 1 智能传感器的定义及功能
• 2 智能传感器与传感系统的特点
• 3 智能传感器与传感系统的发展及应用
• 4 结语
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0 引言
传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。
现代信息技术的三大支柱：
1. 传感器技术（信息采集）——“感官”
2. 通信技术（信息传输） ——“神经”
3. 计算机技术（信息处理）——“大脑”
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目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智
能化、网络化、系统化的方向发展。
据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测，
在2003年～2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将
以每年20％的高速度增长。
智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境
监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和
家用电器等领域。
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1 智能传感器的定义及功能
智能传感器的定义
目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全
统一。英国人将智能传感器称为 “Intelligent
Sensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作
“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感
器”。
所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息
检测和信息处理功能的传感器。
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智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的
功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。
从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。
需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情
况：
（1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成
所谓的“单片智能传感器”
（2）传感器能够配微处理器。
显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能
传感器的范畴。
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世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔
（Honeywell）公司在1983年开发的ST3000系
列智能压力传感器。它具有的多参数传感(差
压、静压和温度)与智能化的信号调理功能
。
最近，该公司还相继开发出ST3000－
900/2000等系列的新产品，使之功能进一步
完善。目前，ST3000系列智能压力传感器在
全世界的销量已突破50万只，深受广大用户
的青睐。
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智能传感器的功能
（1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不
仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、
自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标
定功能。
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（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理
功能，能对被测量进行信号调理或信号处理
（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、
静压力等参数进行自动补偿等）。
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（3）具有组态功能，使用灵活。在智能
传感器系统中可设置多种模块化的硬件和
软件，用户可通过微处理器发出指令，改
变智能传感器的硬件模块和软件模块的组
合状态，完成不同的测量功能。
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（4）具有双向通信功能，能直接与微处理
器（μP）或单片机（ μC ）通信。
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2 智能传感器与传感系统的特点
高精度
智能传感器采用自调零、自补偿、自校准
等多项新技术，能达到高精度指标。
美国BB（BURR－BROWN）公司：XTR
系列精密电流变送器，转换精度 ±％，非
线性误差±％。
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美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：PPT、
PPTR系列智能精密压力传感器，测量精度
为±％，比传统压力传感器的精度大约
提高了一个数量级。其外形如图1所示。
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（a）PPT系列 （b）PPTR系列
图1 外形图
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PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电
路框图如图2所示。
图2 PPT、PPTR系列智能压力传感器的内部电路框图
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宽量程
智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载
能力。
例如，美国ADI公司：ADXRS300型单片偏航角
速度陀螺仪集成电路
测量转动物体的偏航角速度的范围是±300°/s。
只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到
1200 ° /s。
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多参数、多功能
（1）多路智能温度控制器
Pentium 4处理器是Intel公司推出的高性能微处理器。
最高主频目前已达，它采用了μm制程，
集成度高达5500万～7700万只晶体管，在芯片中还有
内置数字温度传感器。
其芯片结构如图3所示。
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图3 Pentium 4处理器芯片的结构
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随着Pentium 4处理器运行速度的大幅度提高，其功
耗也显著增加，必须采取更完善的散热保护措施。
2002年，美国ADI公司专门开发出适配Pentium 4处
理器的ADT7460型智能化远程散热风扇控制器集成电
路，并已用于奔腾4计算机产品中。
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奔腾4计算机的散热控制电路如图4所示。该计算机中
共使用了3台散热风扇。其中，风扇1专门给CPU散热，风
扇2和风扇3分别安装在主机箱的前面和后面给机箱散热。
图4 计算机的散热控制电路
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微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算
机一般为75℃，高档笔记本电脑的专用CPU可达100℃
。
图5 检测CPU的温度
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配套软件日臻完善
温度传感器＋专用计算机测试软件。
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（2）多功能式湿度／温度／露点智能传感器系统
瑞士Sensirion公司：SHT11/15型高精度、自校准、
多功能式智能传感器。
能同时测量相对湿度、温度和露点等参数；
兼有数字湿度计、温度计和露点计这3种仪表的
功能；
可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、
通风及空调设备等领域。
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SHT11/15型智能传感器系统，外形尺寸仅为
（长）×（宽）×（高），质量
只有，其体积与一个大火柴头相近，见图6。
图6 SHT11/15型智能传感器的外形
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（1）瑞士Sensirion公司：
将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合
的CMOSens®技术。
该项技术亦称“Sensmitter”，它表示传感
器（sensor）与变送器（transmitter）的有机结
合。
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SHT11/15的引脚排列如图7所示。
（a）俯视图；（b）侧视图
图7 SHT11/15的引脚排列图
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SHT11/15型湿度／温度传感器系统的内部框图如图8
所示。
图8 SHT11/15型湿度／温度传感器的内部电路框图
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相对湿度：（空气中所含压强与该温度
下饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数表示）
测量范围：0％～％RH；
测量精度：±2％RH
分辨力： ％RH
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温度：
测量范围：－40℃～＋℃
测量精度：±1℃
分辨力： ℃
露点：（在水气冷却过程中最初发生
结露的温度）
测量精度：＜±1℃
分辨力为：±℃
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由SHT15构成的相对湿度／温度测试系统的电路框
图如图9所示。该系统能测量并显示出相对湿度、温度
和露点。SHT15作为从机，89C51单片机作为主机，二
者通过串行总线进行通信。
图9 相对湿度／温度测试系统的电路框图
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（3）多功能式混浊度/电导/温度智能传感器
系统
混浊度（亦称不透明度）：表示水或其他液体的不
透明程度。
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当单色光通过含有悬浮粒子的液体时，由于
悬浮粒子引起光的散射，使单色光的强度被衰
减，其衰减量就代表液体的混浊度。混浊度是
个比值，其单位用NTU来表示。
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美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：APMS－
10G型带微处理器和单线接口的智能化混浊度传感器
系统
能同时测量液体的混浊度、电导和温度，构成
多参数在线检测系统
可广泛用于水质净化，清洗设备及化工、食品、
医疗卫生等部门。
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APMS－10GRCF的外形及插座上的引脚排列如图10
所示。
（a）外形；（b）插座引脚
图10 APMS－10GRCF的外形及插座上的引脚排列图
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APMS－10G的内部框图如图11所示。
图11 APMS－10G的内部框图
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混浊度测量原理（图12）
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APMS－10G通过9脚RS－232插座连计算机，接线方
式如图13所示。
图13 APMS－10G与计算机的接线
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自校准与自标定
Motorola公司烟雾检测报警IC主要有三
种类型：
离子型：MC14467－1、MC14468
光电型：MC145010、MC145011
比较器型：MC14578
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MC145010配上红外光电室，即可通过传感微小烟
雾颗粒的散热光束来检测烟雾。其基本工作原理是：
“红外发射二极管→红外光→在烟雾颗粒的作用下形
成散射光束→红外接收二极管→MC145010→BZ发出
报警声”。
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（1）自校准
将MC145010置于校准模式。在该模式下，
某些引脚的功能将被重新设定。为进入校准模
式，需要给TEST端加负电压，使该端的输出
电流为100μA并保持一个时钟周期的时间。
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（2）自标定
利用自检模式可以模拟烟雾条件，对传感器
进行自标定。
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具体方法是显著提高光信号放大器的增益，
将烟雾室中的背景反射光看成是由烟雾产生的
散射光，从而获得模拟的烟雾条件。
经过一个时钟周期后，光信号放大器的增益
恢复正常值，模拟的烟雾条件就被撤销。
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生物传感器
生物识别技术是人体生物特征进行身份鉴
别的技术。要求这些特征具有“人各有异”
、“终身不变”和“随身携带”这三大特点。
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生物识别系统生物识别系统的组成如图14所示。
图14 生物识别系统的组成
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●指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人
人不同、指指相异）。
●根据指纹学理论，将两个指纹分别匹配上12
个特征时的相同几率仅为1/1050。因此，至今找不
出两个指纹完全相同的人，
●即使相貌酷似的孪生兄弟姐妹，或同一个人
的十指之间，指纹也存在明显差异。
●指纹的这一特点，为身份鉴定提供了客观依
据。
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指纹图像的获取
取像设备主要有以下4种类型：
▲光学取像设备（例如微型三棱镜矩阵）
▲压电式指纹传感器
▲半导体指纹传感器
▲超声波指纹扫描仪。
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指纹的基本纹路图案：基本纹路图案有环形、弓
形和螺旋形，如图15所示。其他指纹图案都是基于这
三种基本图案衍生而成的。
（a）环型；（b）弓型；（c）螺旋型
图15 3种基本纹路图案
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指纹识别过程：
指纹采样→指纹图像预处理→二值化处理→细化，
纹路提取→细节特征提取→指纹匹配（即指纹库的查
对）。如图16所示。
图16 指纹识别过程
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半导体指纹传感器
半导体指纹传感器亦称单片集成指纹传感器或
CMOS固态指纹传感器，它是在20世纪90年代末问世
的。
指纹传感器，可广泛用于便携式指纹识别仪，网
络、数据库及工作站的保护装置，自动柜员机
（ATM）、智能卡、手机、计算机、门禁系统等身
份识别器，还可构成宾馆、家庭的门锁识别系统。
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（1）温差感应式指纹传感器
它是基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相
当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片
映像区域之间某点的温度差，产生一个代表图像信息
的电信号。
典型产品：美国Atmel公司的FCD4B14 。
可在内获取指纹图像（时间一长，手指和芯片
就处于相同的温度了） 。
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FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、
图19所示。
（a）DIP－20陶瓷封装；（b）COB封装
图17 FCD4B14的外形图
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（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处
图18 FCD4B14的安装图
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FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。
图19 FCD4B14的内部电路框图
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传感器共有8行280列，包含8×280＝2240个
像素，另有一个虚列。
基本工作原理：行、列扫描→指纹的模拟图
像→经过两个ADC转换成数字图像→通过8位
锁存器输出到微处理器或计算机中。
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（2）电容感应式指纹传感器
由电容阵列构成
内部包含9万只微型化电容器
基本工作原理：当用户将手指放在正面时，皮肤
就组成了电容阵列的一个极板，电容阵列的背面
是绝缘极板。由于不同区域指纹的脊和谷之间的
距离也不相等，使每个单元的电容量随之而变，
由此可获得指纹图像。
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典型产品：美国Veridicom公司FPS100
FPS100的外形以及由它构成的指纹识别系统输入
设备如图20所示，输入设备与计算机相连。
（a）FPS100的外形；（b）指纹识别系统的输入设备
图20 FPS100的外形以及指纹识别系统的输入设备
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美国Veridicom公司：
●图像搜索技术（ImageSeekTM）
●高速图像传输技术
●手指自动检测技术。
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FPS100的内部框图如图21所示。
图21 FPS100的内部框图
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超小型化、微功耗
智能传感器正朝着短、小、轻、薄的方向发
展，以满足航空、航天及国防尖端技术领域的
急需，并且为开发便携式、袖珍式检测系统创
造了有利条件。
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ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路
基于“音叉陀螺仪”（tuning fork gyro）的原理，
采用表面显微机械加工工艺和Bi－CMOS半导体
工艺而制成的。
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基本工作原理：在科里奥利力的作用下，角速度
传感器的转动方向不变，而旋转方向可以是顺时针，
也可以是逆时针，由转动物体而定。ADXRS300通
过电容对偏航角速度进行采样，再依次经过能产生
180°相移的π型解调器、低通滤波器和输出放大器对
信号进行调理，最终获得与Z轴方向的角速度成正比
的电压信号。
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其工作原理示意图如图22所示。
图22 角速度传感器工作原理示意图
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ADXRS300的内部电路框图如图23所示。
图23 ADXRS300的内部电路框图 650755-83376489
由陀螺制成的角速度计主要用于惯性导航，通信天线的定向。由美国
Systron公司生产的QRS11－00010－20型角速度计的指标为:最大量程土
100/s，分辨力为
图23
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3 智能传感器与传感系统的发展及应用
●智能微尘传感器
●生物芯片
●总线技术
●高可靠性
●安全性
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智能微尘传感器
智能微尘（Smart Micro Dust）是一种具有电脑
功能的超微型传感器。从肉眼看来，它和一颗沙粒没
有多大区别。但内部却包含了从信息收集、信息处理
到信息发送所必需的全部部件。
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目前，直径约为5mm的智能微尘已经问世，智能微
尘的外形及内部结构如图24所示。未来的智能微尘甚
至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理并无线发射
信息。
a）肉眼所看到的智能微尘 b）智能微尘的内部结构
图24 智能微尘的外形及内部结构
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智能微尘还可以“永久”使用，因为它不仅自带微
型薄膜电池，还有一个微型的太阳能电池为它充电。
最近，美国英特尔公司制定了基于微型传感器网络的
新型计算机的发展规划，也将致力于研究智能微尘传
感器网络的工作。
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生物芯片
西门子公司最近研制出一种能辨别气体及
其味道的微型芯片传感器，可检测空气中臭
氧含量，监测火灾以及气体泄漏。见图25。
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生物传感器系统亦称生物芯片，它是继大规
模集成电路之后的又一次具有深远意义的科技革
命。
生物芯片不仅能模拟人的嗅觉（如电子鼻）、
视觉（如电子眼）、听觉、味觉、触觉等，还能
实现某些动物的特异功能（例如海豚的声纳导航
测距，蝙蝠的超声波定位，犬类极灵敏的嗅觉，
信鸽的方向识别，昆虫的复眼）。
生物芯片的效率是传统检测手段的成百、上
千倍。
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德国英飞凌（Infineon）公司最近开发出具有活神经细胞、
能读取细胞所发出电子信息的“神经元芯片”，芯片上有
16384个传感器，每个传感器之间的距离仅为8μm。
当人体受到电击时，利用它可获取神经组织的活动数据，
再将这些数据转换成彩色图片，见图26（b）。
图26
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总线技术
智能传感器的总线技术现正逐步实现标准化、
规范化。
目前所采用的总线主要有以下六种：
★１－Wire 总线
★ I2C总线
★ SMBus
★ SPI总线
★ Micro Wire总线
★ USB总线
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（1）USB接口
USB是“通用串行总线”（Universal Serial
Bus）的英文缩写。USB是由Compaq、IBM、
Intel、微软等公司于1994年共同提出的。USB接
口具有连接单一化、软件自动“侦测”、能直
接配PC机、能实现热插拔的优点。
目前，的传输速率为12Mpbs，而
的传输速率最高可达480Mpbs。这是其
它总线所无法达到的。
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（2）SPI总线接口
MAX1457属于高精度（％）硅压阻式压
力信号调理器芯片。
由n个压力测量模块与微机、数字电压表可
构成基于SPI总线的高精度压力测试系统。
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电路如图27所示。
图27 基于SPI总线的高精度压力测试系统的电路
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（3）基于HART协议的测试系统
问题的提出：目前智能传感器都是数字式的，
而在工业测试现场仍大量使用4～20mA模拟输
出的系统（包括传感器、变送器及二次仪表等）
。
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为 了 解 决 这 一 技 术 难 题 ， 美 国 罗 斯 蒙 特
（ Rosemount）公司提出了 HART协议（Highway
Addressable Remote Transducer Protocol，可寻址远程
传感器通信协议）作为过渡性标准。
该通信协议具有与现场总线相类似的体系结构以及
总线式数字通信功能。
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HART协议是在模拟信号上叠加了FSK（频
移键控）数字信号，因此可同时进行模拟通信
和数字通信。这就保证了4～20mA模拟系统与
数字通信系统兼容，能在一条双绞线上连接多
台现场设备，构成多站网络，使不同厂家的产
品互相通用。
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HART协议采用“频移键控”（FSK）技术。频移键控是
频率调制的一种方法，典型例子是用二进制信号进行调频，
用一个频率表示数据“1”，另一频率表示“0”。HART协
议是在4mA～20mA的模拟信号上叠加不同的频率信号，来代
表所要传输或接收的数据。
数字信号用1200Hz代表逻辑“1”、2200Hz代表逻辑“0”
，信号传输速率为1200bit/s，数字频率信号的电流幅值为
±。
由于在一个周期内数字频率信号的平均值为零，因此不会
对4mA～20mA的模拟信号产生影响，这是HART协议最重要
的特点之一。
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图28 HART协议的信号波形
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虚拟传感器和网络传感器
（1）虚拟传感器
虚拟传感器是基于软件开发而成的智能传感器。
它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，利
用软件还可完成传感器的校准及标定，使之达到最佳
性能指标。
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（2）网络传感器
智能传感器的另一发展方向就是网络传感
器。
网络传感器是包含数字传感器、网络接口
和处理单元的新一代智能传感器。
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被测模拟量→数字传感器→数字量→微处理
器→测量结果→网络。
可实现各传感器之间、传感器与执行器之间、
传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在
更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“
即插即用”。
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美国Honeywell公司开发的PPT系列、PPTR系列
和PPTE系列智能精密压力传感器就属于网络传感器。
在构成网络时，能确定每个传感器的全局地址、
组地址和设备识别号（ID）地址。用户通过网络就能
获取任何一只传感器的数据并对该传感器的参数进行
设置。
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a) RS－232环形网络
具有6个PPT单元的RS－232环形网络如图29所示。
RS－232环形网络的起点和终点都在主机的TXD、
RXD和GND接口线上。其特点是网络接口可接多台
PC机的串行接口。
图29 具有6个PPT单元的RS－232环形网络
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b) RS－485多点网络
具有6个PPT单元的RS－485多点网络如图30所示。
在该网络中，各PPT单元的ID地址可以不按照顺序排
列。
图30 具有6个PPT单元的RS－485多点网络
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2005年7月27日，华旗资讯在人民大会堂召开了“自主创新，
产业报国——爱国者V（胜利）系列数码相机新品发布会”，首
次向外界推出“全球第一台具有内容保真和版权保护的数字水
印数码相机”：爱国者V815 plus、V80 plus、V80、V60 plus、
V60和数字水印数码相机。其中，具有800万像素的V80型（国家
863计划），结束了数码像片不能作为直接证据和没有版权保护
的应用瓶颈，填补了数字图像知识产权保护领域的空白。其存
储模式为JPEG（最佳/优质/标准）。打破了日本在数码相机领
域的技术垄断。
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数字水印相机有六大特点：
●在拍摄照片的同时嵌入一个易损的水印，嵌入水印时，不能改变图像的
质量和大小，图像的特征值/摘要与嵌入水印的内容融合、一一对应；
●水印的嵌入与数码照片的生成同步进行；
●数码照片中的任何恶意改动，都能破坏水印信息的完整性；
●能够自动定位数码照片篡改的任何微小区域；
●完整性的检测/认证能够精确到图像的最小单位（1像素）；
●抵抗水印的重复添加。
例如用V815拍一张照片（见下图），然后用PhotoShop在其额头点了一下。
然后用随机软件浏览时，系统马上提示照片真实性无法确定，并且指出针
对原图修改的位置。
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预计2007年10月24日我国发射的嫦娥1号探月卫星，有效
载荷有6套24件，包括CCD立体相机、激光高度计、成像光谱
仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪和太阳风粒子探测器等。
激光高度计由激光器、望远镜和接收电路三部分组成，由中
科院上海技术物理研究所研制。激光高度计首先向月面发射
激光束，并立刻用望远镜把反射回来的光束变成电信号；通
过精确计算得出该探测点的月球海拔高度，再与CCD立体相
机拍摄的平面图像相叠加，获得月面三维地形图。包括人类
探月活动从未涉及的月球两极区域。
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x射线谱仪 月球元素图 930755-83376489
拍摄月球三维影像的立体相机CCD 940755-83376489
嫦娥一号卫星的模型
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2007年10月24日嫦娥一号探月卫星发射成功 960755-83376489
测试厂房内景 970755-83376489
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我国2005年10月12日发射成功的神舟六号飞船，
上面有6万多个元器件。
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收藏于北京天文馆的半克月岩 1020755-83376489
神州六号飞船
的仪表板
，“神六”由643个
部件组成，各种电子
元器件有10万多个。
焊点12万个，飞船上
的电缆总长度有80公
里
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图像实时测量系统：由两个摄像头、图像压缩处
理器、图像综合控制器等设备组成。一个摄像头镜头
朝向火箭尾部，用于观测助推器分离和一二级分离；
另一个摄像头镜头朝上，用于观测整流罩分离和船箭
分离。
船箭分离 船箭分离
船箭分离瞬间
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神州六号飞船上的通用加固计算机 ，操作系统是
win2000。所有元器件都经过冲击、高低温等方法筛选，
整机还要进行高温、低温等试验。空间计算机采用了
双CPU或三CPU，不会出现死机情况。计算机里面有
三个CPU，可同步工作，三个里面容许坏一个。一万
次的飞行中，只允许两次失败， 神六共使用了22台计
算机，造价最高的超过100万元人民币，最低的计算机
也在十多万元。
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“神七”飞天在即
“神七”飞天在即 1060755-83376489
神舟七号成功返回地面 1070755-83376489
4 结语
智能传感器是信息时代的骄子，它正
成为推动信息产业发展的强大动力。智能传
感器在电子信息工程领域具有特殊重要的意
义，需要我们继续深入地研究、开发和推广
应用。
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主要参考文献
1. Honeywell公司、Humirel公司、Mierosemi公司、
Agilent公司、Atmel公司、Veridicom公司、ADI公司、
NSC公司、Telcom公司、Philips公司、MAXIM公司、
DALLAS公司、ST公司、Motorola公司、Sensirion公司、
HOLTEK公司、Rosemount公司、Infineon公司、Murata
Manufactuaring Co.，Lta公司产品资料，2000～2003
2. 沙占友，《集成化智能传感器原理与应用》，电子
工业出版社，
3. 沙占友，《智能传感器系统设计与应用》，电子工
业出版社，
4. 沙占友，《数字化测量技术与应用》，机械工业出
版社，
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谢谢大家!
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