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1、引言

测试技术经过长期的发展，测试用的仪器已经由最初的模拟式仪器、数字式仪器、智能式仪器，渐渐向更先进灵活的方向演变。从上世纪80年代起，北京东方振动和噪声技术研究所（简称东方所）COINV和美国NI公司先后提出“软件制造仪器”的思想，并逐渐形成了当今广泛应用的虚拟仪器，即第四代测试仪器。

           图1 测试仪器发展

近年来，东方所提出了一种新型的测试技术，即云智慧测试技术，是一种最新的虚拟仪器测试技术^[1]。云智慧测试技术，运用大量的软件和嵌入式系统发展人脑工程，将物联网、互联网、智能传感器、网络采集仪和虚拟仪器、云计算等技术融合起来，形成了一种新型的测试技术^[2]。

作为云智慧技术的最前端，传感器发挥着不可替代的作用。随着技术的发展，传感器已不再只是扮演将物理量转换为模拟量的角色，更多的传感器集成了AD转化，数字处理，网络传输等更丰富的功能，这就形成一类新的传感器——智能传感器。智能传感器的出现，在很大程度上改变了传感器和采集设备长期接线分离的局面，给测试行业带来了极大变革。智能传感器在云智慧测试技术中应用，将会成为一个很值得研究的课题。

 

2、INV智能传感器的设计

2.1 智能传感器

智能传感器（intelligent sensor），是具有信息处理功能的传感器。智能传感器，一般都自携带CPU和AD采集模块，具有处理信息和交互信息的能力，是传感器和嵌入式仪器相结合的产物。在智能传感器工作过程中，需要感知大量的数据进行观测、记录与分析，这就要求对过程参数进行检测，然后根据获得的数据作出相应的处理，以便人们对系统运行情况进行了解和决策，这就是智能传感器的数据采集（DAS）。

            图2 智能传感器内部处理流程

在智能传感器系统中，信号处理的任务比较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号的放大和滤波外，还有诸如信号零点校正、采样点线性化、传感器的温度补偿、系统的误差修正和大小量程的自动切换等，我们将这些称为智能传感器的信号调理（Signal Conditioning）^[3]。

智能传感器将调理、放大后的传感器信号进行AD转换，再将转换后的数字信号传输到处理器，经过一系列分析处理后，数据被实时的传给上位机或离线存储在本地。如图2所示。

2.2 INV智能传感器的实现

目前，各种型号的智能传感器，大都不仅仅可以数据采集，也继承了许多嵌入式系统的功能。这类智能传感器，通常是这样设计的，前端物理量通过敏感元件进入到传感器中，在智能传感器中经过信号的调理、放大、AD转换等处理，然后到CPU中进行数据的滤波和初步计算。CPU协调整体内部配置，将初步处理后的数据信号经过总线接口传送给上位机，即将数据通过Ethernet网口、无线WiFi或者其他通信渠道传输给上位机，进行实时信号的分析处理和示波采样，并实时的从上位机接收命令控制智能传感器的状态^[4]。

        图3 INV95xx智能传感器的系统结构

北京东方所，长期致力于振动噪声测试仪器的制造和研发，最新研制成功的INV95xx智能传感器，应用于分布式测试中，具有很好的效果。该技术，打破了传统传感器与采集系统分离方式，而是将高性能数据采集系统集成到传感器内部，使其具有小体积、低功耗、多功能、易携带安装等特点，其系统构架如图3所示。该智能传感器集成了信号拾取、调理、模数转换、存储、时钟同步和以太网数据接口等多种功能，直接替代了传统动态信号测试的传感器、信号调理器和数据采集器等几乎全部环节。

      图4 敏感元件产生信号原理（941）

模拟信号的拾取部分，以振动测量的INV95xx智能传感器为例，其原理如图4所示，是低频率振动测量传感器，具有速度测试和加速度测试功能^[5]。当测试为加速度时，运动微分方程为：

此时，R_P1的电阻值较小，故阻尼常数D≥1，传感器的运动部分构成速度摆，即摆的位移和地面运动的速度呈正比，此时加速度的灵敏度为：

式中，BL为基点耦合系数。

当开关打向2、3、4时，摆的运动微分方程为：

式中，M1为并联电容后的当量质量，此时，由于线圈回路的电阻较大，因此D1<1，当M1>>m1时，传感器的灵敏度为：

式中，C为电容器的电容量。

信号的智能处理部分，包括模拟部分和数字部分。模拟部分是由通道前端的调理、放大、AD采样（DA输出）、GPS时钟、外时钟接入电路等组成，其主要功能是将敏感元件采得的现场模拟信号通过调理放大、AD采样变为数字信号给CPU，并在CPU内进行通道的整理调配，最后和采集状态等数据一起按一定方式输出^[6]。数字部分是由USB、WIFI、RS232/485串口、Flash、DDR及其外围基本电路组合而成，其主要功能是利用运行在CPU上的操作系统整体协调采集系统，把采集到的数据进行初步的处理和计算，将处理后的数据通过不同的途径（WIFI、3G、网口等）实时的传输（给上位机PC、云中心等）或存储（SD/TF卡、硬盘等）。

 

3、云智慧测试技术

近年来，我国的一些科学家提出，在现有的传感技术、虚拟仪器技术、嵌入式技术、网络技术和通信技术的基础上综合构架出一种云智慧技术^[2]。这种技术把云端服务器作为信息处理和控制中心，通过物联网和互联网把实时的状态数据传到云服务器中心，经过服务器的虚拟仪器软件的分析处理得出结论并发出控制和警告命令，命令通过网络发送给网络终端的用户/工程管理员，及时的进行控制管理。

将智能传感器的数据信号通过网络传送到云计算中心的智能服务器，在智能服务器内相应的虚拟仪器软件对接收到的数据进行实时的整合、分析和处理，再经由互联网/物联网以网页的形式传播给网页终端的客户，这就是云智慧数据采集仪器的基本构思^[1]。由此思想生产出来的云智慧数据采集仪器，把虚拟仪器与云智慧技术相结合，嵌入式硬件与云计算数据处理中心相结合，前端的数据智能采集、通信传输与终端的网页浏览实时监控相结合，从而实现了前端数据采集，这是一种几乎完全摆脱人力参与的云智慧数据采集自动测试系统。这种智能传感器的网络客户端可以远程启停智能传感器、设置采集参数、保留历史数据、实时监控报警等操作，实时智能采集数据。北京东方振动和噪声技术研究所提出的云智慧技术架构，如图5所示。

       图5 云智慧测试技术架构

 

4 智能传感器在云智慧测试中的应用

INV95xx智能传感器，为振动和噪声测试的专业设备。应用该智能传感器节点，在测试中可以完全不用现场布线，参与人数也可以大大减少，为测试节省很大的人力物力。例如，在大型桥梁的振动模态测试上，应用该智能传感器节点，云智慧测试中心远程监控测试，可以实现全自动化现场试验。远程监控测试的示意图，如图6所示。

如图中所示，现场被测物理量在智能传感器内经过信号调理、AD采样、数字滤波、初步运算等操作，并携带GPS信息、系统状态信息、采样频率信息等，实时的通过路由器、3G网络或者网络VPN实时的上传给云智慧中心服务器。在云智慧中心，服务器中的虚拟仪器软件对上传的数据进行实时的处理、分析，得出现场试验的测试结论，并把数据和结论通过网页的形式同步给使用者，让使用者可以随时随地查看现场数据、了解现场情况，及时发出控制命令。

           图6 远程监控测试示意图

不同传感器拾取的不同类型的信号数据都汇入云计算中心，加上具有时钟同步或时间对齐的特征，就可进一步进行数据融合以分析和展现各类信号之间的相互内在关系。利用数据融合的结果，可为桥梁等结构的健康状态判定提供更全面的依据，也可提高机械设备故障定位的准确性和可靠性。用户根据实际情况可自由选择数据的分析方法、处理流程和结果形式。对于数据量极大的信号数据，还需要在云智慧中心自动完成从存储、预处理、分析到后处理报告的全部流程。使用者可查看的网页，如图7所示。图8显示了该系统在大型水坝及其周边城市区域的振动监测应用。

    图7 云智慧测试的使用者信息浏览网页

 

    图8 在水坝及周边城市区域的在线监测应用

 

5、结束语

云智慧测试技术，是测试领域的最新研究成果，而作为云智慧测试技术的最前端，智能传感器的出现，使得这种测试技术变得更加便捷和灵活。可以预见，智能传感器加云智慧测试技术这套新的系统，将在未来测试中发挥更大的作用，该系统将会是未来测试产业发展的有力方向。

 

参考文献

[1] 沈松，应怀樵，葛宝珊等. 云智慧测试技术的实现架构研究[J]. 现代振动与噪声技术（第10卷）. 2012(8): 383-387

[2] 应怀樵. 云智慧技术引领高端制造业革命——第三次工业革命正在到来. 测控技术[J]. 2013(3): 1-4

[3] Gary W.Hunter, Joseph R.Stetter, Peter J.Hesketh, 刘炯权. 智能传感器系统[J]. 化学传感器. 2012(32) : 5-11

[4] 应怀樵, 沈松, 葛宝珊等. 基于LXI和CXI总线的云智慧测试技术[J]. 国外电子测量技术. 2013(32). 10-15

[5] 应怀樵. CZ测振仪与测振技术[C]. 中国铁道出版社. 北京. 1982: 3-8

[6] 井云鹏, 范基胤, 王亚男等. 智能传感器的应用与发展趋势展望[J]. 黑龙江科技信息. 2013(21): 111-112