交流电力智能传感器的研究现状

摘要：传感器是信息获取之源，作为其主要的发展方向，以信号处理为核心的智能传感器自诞生以来发展迅猛。本文主要介绍了智能传感器的发展演变、应用与发展前景，同时鉴于交流电力在国民经济中的重要影响，简要介绍了交流电力智能传感器研究现状。

关键词：智能传感器 信息处理 网络化 交流电力

0 引言

传感器是现代信息的获取源头，已深深融入人们生产生活的方方面面，为人类带来极大便利[1-2]。作为传感器技术未来发展的主要方向，智能传感器因为其功能、可靠性、精度、兼容性、组网性等优势发展迅速，已经广泛运用于工业控制、航空航天、交通、通信等各个领域。如飞思卡尔公司的智能型精密压力高度计MPL3115A2，具备多种智能功能，可提供精确的高度、压力、温度信息。

1 智能传感器的定义与发展演变

智能传感器的英文名词为“Smart Sensor”或“Intelligent Sensor”，目前尚无统一明确的定义，一般来说，智能传感器在结构上由传感器和微处理模块、网络通信模块等组成，依靠微处理器的计算和数据处理功能，不仅可实现模拟信号到数字信号的转化，也可对采集的原始数据进行存储加工。传感器是一种不仅能感受温度、湿度、气体浓度、流速、流量等被测量量的信息，并能将其转换为电信号或者其他形式的信息输出的装置。微处理模块构成了智能传感器的核心，传感器输出的电信号经过信号调理电路的滤波、放大、A/D转换后，在微处理器中进行数据的处理、存储、反馈调节。

几十年来，伴随着传感技术、计算机技术等科学技术的发展，智能传感器发展迅猛。根据其演变和发展大致可分为数字化阶段、智能化补偿与校准阶段以及智能化应用与网络阶段。

数字化阶段：典型物理结构包括传感器、数字变送，主要特点在于仅将原属于仪表的放大和A/D变化电路与传感器结合，而不改变传感器本身的制造、补偿等工艺，以实现输出数字信号。虽然克服了模拟传感器信号抗干扰能力差、输出距离短等缺点却不能实质提升传感器性能。

智能化补偿与校核阶段：典型结构组成包括模拟式传感器、数字变送、智能化补偿校准软件。硬件方面引入了微处理器和温度传感器，基于软件实现线性、滞后、零点、温度等补偿。建立在人工智能等理论基础上，使用合适的数据处理方法实现补偿的智能化软件补偿技术构成了该阶段的技术核心。数字变送部分主要包括放大、滤波、A/D转化、微处理器、温度传感器等硬件电路，它们被封装在传感器壳内或组成独立的组件。此类智能传感器可大大提高传感器的稳定性、可靠性、准确性。

智能化应用与网络阶段：典型结构组成包括模拟式传感器、数字变送、智能化补偿校准软件、网络支持、智能化传感器控制软件。引入微操作系统和网络通信技术、建立人机交互界面，形成智能传感器的标准软硬件体系。此类传感器具备一种或多种信号检测能力，可完成信号的检测与处理、逻辑判断、双向通信、自检和自诊断、功能计算、智能校正与补偿、网络通信等功能。如德华佳业公司的DHZC WIFI系列智能化压力传感器具备数据处理、自诊断、自补偿、在线校准、逻辑判断等功能。采用标准的 IEEE802.11 b/g/n网络接口，应用层协议为SCP-WIFI，具备良好的互换性和兼容性。

随着科学技术的发展进步，智能传感器的功能会越发强大。融合人工智能、神经网络、信息处理技术等，它将会拥有分析、判断、学习以及适应等更多更高级功能，可能完成识别、检测等更加复杂的任务。

2 智能传感器的应用与发展方向

最早应用智能传感器的是航天领域，飞船上需要大量传感器以获取测量速度、加速度、姿态、温度、湿度等众多参数信息。大量的未经处理的信息若直接上传到飞船计算机中，会大大增加主机的负担，采用分散处理的方法，即先由传感器自身的微处理器对原始数据进行预处理，再送到主机集中处理，大大调高了效率与可靠性。美国新一代载人飞船“猎户座”试飞时使用了1200个传感器来记录数据，用于全面测试“猎户座”的隔热罩、降落伞和其他系统的性能。

在食品生产中，使用智能温度传感器进行温度检测，提高了温度测量和报警的准确度，减少人工经验误差，大大减小了超温度炒坏作料情况出现的概率。医学领域，美国Cygnus公司研制的“葡萄糖手表”，患者戴上它可实现连续的血糖测试，血糖浓度以数字量显示。工业控制领域，霍尼尔公司的ST-3000 型智能传感器拥有微处理器和存贮器，可实现静、差压和温度的计算，并能对采集的信号进行检测和处理。

智能传感器未来的重要发展趋势是微型化、集成化、网络化和虚拟化。随着微型机械加工和集成电路技术的发展，基于硅材料的智能传感器将实现结构上的微型化和集成一体化。ST公司推出了超薄3轴加速度计LIS331EB，在3x3x1mm LGA超薄封装内整合一个嵌入式微控制器和一个3轴加速度计，具备先进的运动识别功能。传感器技术、计算机技术和通信技术的融合推动了智能传感器的网络化发展，其核心是带有网络接口的微处理器，并集成多个传感、信号处理等单元，可实现数据交换与共享[3]。虚拟化则是在普通硬件平台上通过软件实现其特定功能，有利于产品研发周期的缩短和可靠性的提高。

3 交流电力智能传感器的研究现状

电能质量关系到供电、用电系统及其设备正常工作的电压、电流的各种指标偏离规定范围的程度。理想的电能应该是完美对称的正弦波（频率50Hz）。一些因素会使波形偏离对称正弦，以三相交流电力系统为例，电能质量问题产生的原因在于电力系统中发电机、变压器和线路等不是对称或者理想线性的，各种负荷性质不同且处于随机变化中，再加上电力调控的不完善、外来干扰、故障等原因使各相的电压、电流处于幅值相等、相位差120度的理想对称状态不存在，从而带来电网运行、设备和用电中的种种问题。

交流电智能传感器的信号处理与分析主要包括传感器的粗信号处理和自校正。智能传感器的感知部件首先将被测物理量信息转换为电压、电流等电信号，随后信号调理电路对此信号进行滤波、放大等预处理。粗信号处理则是计算、分析预处理后的信号，并获得具有相当知识级别、可直接用于通讯的信息。基于误差最小二乘法、相关性等原理，人们研究了电压有效值、初相位、电力功率分析误差LMS法、拉格朗日插值法等算法，比传统的定义法具有计算量少，误差低等优点[4]。自校正属于细信号处理，是智能传感器对自身各组成部分状态、系统参数和特征参数的校正。人们采用多项式差值、人工神经网络理论研究了自校正和非线性融合逆模型等方法[5]。

4 结论

未来智能传感器将向纵、深两个方向发展，微型化、集成化、网络化和虚拟化是其未来重要的发展趋势。随着材料技术、微加工技术、传感技术、计算机技术、网络技术的发展，智能传感器将迎来更大发展，也将更多的应用在机器人、自动化工厂、智能交通、智能家居等生产生活领域。对于交流电智能传感器，人们对其信息感知、信号调理和通讯三方面进行了卓有成效的研究工作。然而专门针对其信号处理方法、技术的研究，国内外鲜见报道，根据传统的定义法、简单的粗细信号处理方法尚难以满足智能传感器高精度、高可靠性、高性价比的要求。

参考文献：

[1]张晋斌.传感器技术发展的必要性、趋势及建议[J].仪器仪表学报，1997，18（5）：132-135.

[2]孙圣和.现代传感器发展方向[J].电子测量与仪器学报，2009，

23（1）：1-10.

[3]黄勇.网络化智能传感器的现状与展望[J].企业经济，2003（06）.

[4]王凯，肖继学，李世玺.交流电压智能传感器中关键采样点的估计[J].西华大学学报（自然科学版），2010（03）.

[5]杨新勇，黄胜国.智能磁航向传感器的研制及误差补偿算法分析[J].北京航空航天大学学报，2004，30（3）：380-383.

作者简介：董圣友（1987-），男，河南商丘人，硕士研究生，专业方向：单片机与嵌入式系统应用。