传感器技术的发展及社会影响

1、传感器技术的发展及社会影响1 .传感器技术发展历史从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。而真正 把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来 的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铝电阻温度计。 在半 导体技术的支持下，20世纪中期相继开发了半导体热电偶传感器、 PN结温度传 感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了 声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。在那时，与计算机技术和数字控制 技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶 段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化

2、率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的， 并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、 航空航天领域的试验 研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅 猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展 已在国际市场中逐步占有了重要的份额。 我国从20世纪60年代开始传感技术的 研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关， 在传感器研究开发、设计、 制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产 和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、 为世界瞩目的发明专利 与工况

3、监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国 传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成， 产品的改进与革新速度慢，生产与应 用系统的创新与改进少。2 .传感器技术发展现状如今在物联网和大数据的背景下，传感器的技术主要依赖于 MEM滕感器、 硅集成电路的设计、制造与装配技术，在常规传感器技术基础上新增技术表现在 传感信号数字化、智能化和通信技术。传感信号数字化首先建立传感器对被测物理量的响应的数学模型， 以及信号调理电路对传感 器输出信号的期望响应的数学模型， 然后用电路实现这些数学模型。尽管上述模 型很好，但是

4、这些模型只能近似等于实际电路的响应。 如果能以数学形式表示系 统中尽可能多的部分，那么模型就更接近于实际响应。 这是因为，数字不会随时 问而改变，并且也可准确地和轻松地处理它们。 事实上，这种数字信号处理（DSP 的原则已经确立并得到广泛应用，DS刚是利用数学而不是电路对信号进行处理 的。利用DSP可以很容易地实现标准转换，如通过滤波去除不想要的噪声或者通 过频率映射来识别特定的信号分量。正因为上述原因，如今的设计中都包含一级信号调理电路， 它负责将模拟信 号转换为数字量。这一步被称作模数转换，或称 A/D转换。这一步极为关键。因 为一旦将传感器信号转换为数字量，那么就能通过微处理器中的软件来

5、完成信息 处理。通常所说的模数转换器其实就是一枚单片的半导体器件，它能够准确地、 稳定地工作于变化的环境中。智能化将传感器信号数字化后，主要有两种途径来处理这些数据，以实现算法定义 的功能。第一种是采用专用的数字硬件电路，通过硬件连接实现我们设计的算法； 另一种则是采用微处理器完成运算。一般来说，专用硬件比微处理器系统的速度 更快，但是其成本较高并且缺乏灵活性。当不需要专用硬件那么高的运算速度时， 由于微处理器适用的场合更广泛，因此具有更好的设计灵活性，并且可能成本更 低。一旦系统具有了智能，就能解决很多问题。例如，可以自动完成标定，也可 以通过纯数学的处理算法消除器件漂移， 甚至还能通过定期

6、监控环境条件并自动 进行适当的调整来补偿环境变化。通信技术20世纪70年代，出现了将传统传感器采用点对点连接方式构成传感器网络， 即第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络逐步具有了 获取多种信息信号的综合处理能力，并通过现场总线等总线技术与控制器相联， 组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，即第二代传感器网络。20世纪末开始，多功能智能化传感器节点被运用， 并采用无线技术连接，构成无线传感器网络由于传感器的输出信号是数字的，因此能够可靠地实现共享传感器输出信号 的系统的规模。因此，现代传感器通常带有标准通信接口， 能与其他部件交换信 息。通过标准通信方式，就能保证尽可能广

7、泛、简便和可靠地共享传感器输出信 号，从而最大限度地发挥传感器及其产生的信息的作用。(1)有线网络技术有线传感器的网络技术主要有1-Wire总线、12c总线、SPI总线、Micro-Wire 总线、USB总线、CAN总线等总线技术，以及 RS-422 RS-485 IEEE1451、以太 网等。(2)无线网络技术目前在WSN勺无线通信方面可以采用的主要有 ZigBee、蓝牙、WiFi和红外 等技术。其中，红外技术的实现和操作相对简单，成本低廉，但红外光线直线传 输、易受遮挡，可移动性差，只支持点对点视距连接，无法灵活地构建网络；蓝 牙技术是工作在频段的无线技术，目前在计算机外设方面应用较广泛，

8、但由于其 协议本身较复杂、开发成本高、节点功耗大等缺点，从而限制了其在工业方面的 进一步推广；WiFi技术的通信速率为11Mbps通信距离为50100m适合于多 媒体的应用，但其本身实现成本高，功耗大，安全性能低，从而在WS即应用较少；ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在 WS即有着广泛的应用前景。 3.传感器技术未来发展趋势近年来，随着技术研发的持续深入，成本的下降，性能和可靠性的提升，在 物联网、大数据、移动互联网和高端装备制造快速发展的推动下，传感器的典型 应用市场发展迅速。随着材料科学、纳米技术、微电子等领域前沿技术的突破以 及经济社会发展的需求，四大领域可能成为传感器技术未来

9、发展的重点。可穿戴式应用据美国ABI调查公司预测，2017年可穿戴式传感器的数量将会达到亿。以 谷歌眼镜为代表的可穿戴设备是最受关注的硬件创新。谷歌眼镜内置多达10余种的传感器，包括陀螺仪、加速度传感器、磁传感器、线性加速度传感器等，实 现了一些传统终端无法实现的功能， 如使用者仅需眨一眨眼镜就可完成拍照。 当 前，可穿戴设备的应用领域正从外置的手表、眼镜、鞋子等向更广阔的领域扩展，如电子皮肤等。日前，东京大学开发出一种可以贴在皮肤上的柔性可穿戴式传感器。该传感器为薄膜状，单位面积重量只有3g/m2,是普通纸张的1/27左右，厚度也只有2微米Golf Sense手套Elliott Fight拳

10、击手套Sensoria智能袜Talking Shoe图1各种形式的可穿戴设备图2电子皮肤根据市场研究机构IMS预测，2011-2016年可穿戴设备市场复合年增长率 为%到2016年市场规模将超过60亿美元，出货量超过亿件。可穿戴设备的主要应用领域包括：以血糖、血压和心率监测为代表的医疗领 域，以运动监测为代表的保健领域，以信息娱乐为代表的消费领域，以数据采集 和显示为代表的工业和军事领域。IMS研究指出，保健和医疗领域的可穿戴设备 占据今年60%T场份额，未来的份额可能会进一步提升。无人驾驶美国HIS公司指出，推进无人驾驶发展的传感器技术应用正在加快突破。在该领域，谷歌公司的无人驾驶车辆项目开

11、发取得了重要成果，通过车内安装的照 相机、雷达传感器和激光测距仪，以每秒 20次的间隔，生产汽车周边区域的实 时路况信息，并利用人工智能软件进行分析，预测相关路况未来动向，同时结合 谷歌地图来进行道路导航。谷歌无人驾驶汽车已经在内华达、 佛罗里达和加利福 尼亚州获得上路行使权。奥迪、奔驰、宝马和福特等全球汽车巨头均已展开无人驾驶技术研发，有的车型已接近量产。医护和健康监测国内外众多医疗研究机构，包括国际着名的医疗行业巨头在传感器技术应用 于医疗领域方面已取得重要进展。如罗姆公司目前正在开发一种使用近红外光（NIR）的图像传感器，其原理是照射近红外光 LED后，使用专用摄像元件拍摄 反射光，通过

12、改变近红外光的波长获取图像， 然后通过图像处理使血管等更加鲜 明地呈现出来。一些研究机构在能够嵌入或吞入体内的材料制造传感器方面已取 得进展。如美国佐治亚理工学院正在开发具备压力传感器和无线通信电路等的体 内嵌入式传感器，该器件由导电金属和绝缘薄膜构成，能够根据构成的共振电路的频率变化检测出压力的变化，发挥完作用之后就会溶解于体液中脉搏心丽嫩字而辖仪数字面压胸拊心电使运动检期仪町吸上传佶自无线，有用户地采集体征伯息体征信息果有仪精或传蠢转利用网郎关时P威成首案 _仲康青珅 期务平台,号派速 行人工信 息分析.坦信或由 音回复， 个性肥健 廉管母体祉信自（如心电' K动能吊r血耳.面槽等

13、）健康带砰7专赢JAM取分，恃且反馒.医疗指标的分物（血1±、心电.环加辖F） .豌康指导.建设.提醒、健康衿案图3智慧医疗服务系统概念图工业控制GE公司在工业互联网：突破智慧与机器的界限报告中提出，通过传感 器将人机连接并结合软件和大数据分析， 可以突破物理和材料科学的限制，并将 改变世界的运行方式。报告同时指出，美国通过部署工业互联网，各行业可实现 1%勺效率提升，15年内能源行业将节省1%勺燃料（约660亿美元）。2013年1 月，GE在纽约一家电池生产企业共安装了 1万多个传感器，用于监测生产时的 温度、能源消耗和气压等数据，而工厂的管理人员可以通过iPad获取这些数据从而对生产进行监督。止匕外，荷兰壳牌、富士电机等跨国公司也都在该领域采取 了行动。目前，世界工业已进入工业时代。4.传感器技术对社会生活的影响传感器是获取自燃和生活领域中信息的主要途径与手段。现在传感器的发展 也越来越快，应用普及的程度也越来越高，小