浅谈传感器的现状以及发展趋势论文

第页共页浅谈传感器的现状以及开展趋势论文浅谈传感器的现状以及开展趋势论文1微型化〔Micro〕为了可以与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的才能日益增强的技术开展趋势保持一致，对于传感器性能指标〔包括准确性、可靠性、灵敏性等〕的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出形式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反响快、灵敏度高以及本钱低等优点。1.1由计算机辅助设计〔CAD〕技术和微机电系统〔MEMS〕技术引发的传感器微型化目前，几乎所有的传感器都在由传统的构造化消费设计向基于计算机辅助设计〔CAD〕的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们可以在较短的时间内设计出低本钱、高性能的新型系统，这种设计手段的宏大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着可以满足科技开展需求的微型化的方向开展。对于微机电系统〔MEMS〕的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望可以由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的开展，尤其最近十多年的研究与开展，MEMS技术已经显示出了宏大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性程度进步到了一个新的高度。在当前技术程度下，微切削加工技术已经可以消费出来具有不同层次的3D微型构造，从而可以消费出体积非常微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件[1]，[2]。目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。1.2微型传感器应用现状就当前技术开展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，如航空、远间隔探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等2智能化〔Smart〕智能化传感器〔SmartSensor〕是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢送，产生的影响较大。2.1智能化传感器的特点智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但可以执行信息处理和信息存储，而且还可以进展逻辑考虑和结论判断的传感器系统。这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样，其主要组成局部包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。如智能化压力传感器，主传感器为压力传感器，用来探测压力参数，辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。采用这种技术时可以方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差，而环境压力传感器测量工作环境的压力变化并对测定结果进展校正；而硬件系统除了可以对传感器的弱输出信号进展放大、处理和存储外，还执行与计算机之间的通信联络。通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的；但智能化传感器却可以实现所有的功能，而且其精度更高、价格更廉价、处理质量也更好。与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点：１．智能化传感器不但可以对信息进展处理、分析^p和调节，可以对所测的数值及其误差进展补偿，而且还可以进展逻辑考虑和结论判断，可以借助于一览表对非线性信号进展线性化处理，借助于软件滤波器滤波数字信号。此外，还可以利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿，以改良测量精度。２．智能化传感器具有自诊断和自校准功能，可以用来检测工作环境。当工作环境临近其极限条件时，它将发出告警信号，并根据其分析^p器的输入信号给出相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时，它可以借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。３．智能化传感器可以完成多传感器多参数混合测量，从而进一步拓宽了其探测与应用领域，而微处理器的介入使得智能化传感器可以更加方便地对多种信号进展实时处理。此外，其灵敏的配置功能既可以使一样类型的传感器实现最正确的工作性能，也可以使它们合适于各不一样的工作环境。４．智能化传感器既可以很方便地实时处理所探测到的大量数据，也可以根据需要将它们存储起来。存储大量信息的目的主要是以备事后查询，这一类信息包括设备的历史信息以及有关探测分析^p结果的索引等；５．智能化传感器备有一个数字式通信接口，通过此接口可以直接与其所属计算机进展通信联络和交换信息。此外，智能化传感器的信息管理程序也非常简单方便，譬如，可以对探测系统进展远间隔控制或者在锁定方式下工作，也可以将所测的数据发送给远程用户等。2.2智能化传感器的开展与应用现状目前，智能化传感器技术正处于蓬勃开展时期，具有代表意义的典型产品是美国霍尼韦尔公司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器〔MCU〕的单片集成压力传感器、具有多维检测才能的智能传感器和固体图像传感器〔SSIS〕等。与此同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研究和开展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。指出的一点是：目前的智能化传感器系统本身尽管全都是数字式的，但其通信协议却仍需借助于4～20mA的标准模拟信号来实现。一些国际性标准化研究机构目前正在积极研究推出相关的通用现场总线数字信号传输标准；不过，在眼下过渡阶段仍大多采用远间隔总线寻址传感器〔HART〕协议，即HighwayAddressableRemoteTransducer。这是一种适用于智能化传感器的通信协议，与目前使用4～20mA模拟信号的系统完全兼容，模拟信号和数字信号可以同时进展通信，从而使不同消费厂家的产品具有通用性。能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量，如美国霍尼韦尔公司的ST3000系列全智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器就属于这一类传感器。另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比拟成功的应用实例[6]。开展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来越大作用。3多功能传感器〔Multifunction〕如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了可以完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由假设干种敏感元件组成的多功能传感器那么是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理构造或化学物质及其各不一样的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速开展，目前已经可以消费出来将假设干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。3.1多功能传感器的执行规那么和构造形式概括来讲，多功能传感器系统主要的执行规那么和构造形式包括：〔1〕多功能传感器系统由假设干种各不一样的敏感元件组成，可以用来同时测量多种参数。譬如，可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起〔即将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上〕制造成一种新的传感器，这样，这种新的传感器就可以同时测量温度和湿度。〔2〕将假设干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中，从而构成一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块硅片中的，它们无论何时都工作在同一种条件下，所以很容易对系统误差进展补偿和校正。〔3〕借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例，它所表现出来的电容和电感是各不一样的。〔4〕在不同的鼓励条件下，同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在电压、电流或温度等鼓励条件均不一样的情况下，由假设干种敏感元件组成的一个多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别！有时候简直就相当于是假设干个不同的传感器一样，其多功能特征可谓名副其实。3.2多功能传感器的研制与应用现状多功能传感器无疑是当前传感器技术开展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进展适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如，为了可以以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但可以输出模拟信号，而且还可以输出频率信号和数字信号.从目前的开展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听区分等方面已有最新研究成果问世。从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。据悉，美国MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国外乡应用甚广。与其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人意。由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的，其中总是混合着成千上万种化学物质，这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的Electronicnose〔电子鼻〕，近10多年来，该技术的开展很快，目前已有数种商品化的产品在国际市场流通，美、法、德、英等国家均有比拟先进的电子鼻产品问世。“电子鼻”系统通常由一个穿插选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技术组成，并配以恰当的形式识别系统，具有识别简单和复杂气味的才能，主要用来解决一般情况下的气味探测问题。根据应用对象的不同，“电子鼻”系统传感器阵列中传感器的构成材料及配置数量亦有所不同，其中，构成材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、石英晶振等，配置数量那么从几个到数十个不等。总之，“电子鼻”系统是气体传感器技术和信息处理技术进展有效结合的高科技产物，其气体传感器的体积很小，功耗也很低，可以方便地捕获并处理气味信号。气流经过气体传感器阵列进入到“电子鼻”系统的信号预处理元件中，最后由阵列响应形式来确定其所测气体的特征。阵列响应形式采用关联法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析^p法等方法对所测气体进展定性和定量鉴别。美国Cyranosciences公司消费的Cyranose320电子鼻是目前技术较为先进、适用范围也比拟广的嗅觉传感系统之一，该系统主要由传感器阵列和数据分析^p算法两局部组成，其根本技术是将假设干个独特的薄膜式碳-黑聚合物复合材料化学电阻器配置成一个传感器阵列，然后采用标准的数据分析^p技术，通过分析^p由此传感器阵列所搜集到的输出值的方法来识别未知分析^p物。据称，Cyranose320电子鼻的适用范围包括食品与饮料的消费与保鲜、环境保护、化学品分析^p与鉴定、疾病诊断与医药分析^p以及工业消费过程控制与消费品的监控与管理等。4无线网络化〔wirelessworked〕无线网络对我们来说并不生疏，比方手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不生疏，比方温度传感器、压力传感器，还有比拟新颖的气味传感器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络〔WirelessSensorworks〕这个概念，却是近几年才发生的事情。这个网络的主要组成局部就是一个个得意的传感器节点。说它们得意，是因为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的上下、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进展快速运算的微型计算机，它们将传感器搜集到的信息转化成为数字信号，进展编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理才能的'效劳器4.1传感器网络传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度穿插的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，可以通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进展处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络的研究采用系统开展形式，因此必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统SOC〔system-on-chip〕芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等交融，以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。传感器网络具有非常广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和宏大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生宏大影响力的技术之一。4.2传感器网络研究热点问题和关键技术传感器网络以应用为目的，其构建是一个庞大的系统工程，涉及到的研究工作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。对无线传感器网络系统构造及界面接口技术的研究意义重大。假如我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的话，将会包括根底层〔传感器集合〕、网络层〔通信网络〕、中间件层、数据处理和管理层以及应用开发层。其中，根底层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括应用新的传感原理、使用新的材料以及采用新的构造设计等，以降低能耗、进步敏感性、选择性、响应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的才能。4.3传感器网络的应用研究传感器网络有着宏大的应用前景，被认为是将对21世纪产生宏大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断开展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。以下简要介绍传感器网络的一些应用。〔1〕军事应用传感器网络研究最早起于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量廉价的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，搜集到有用的微观数据；在一局部传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值，可以应用于如下一些场景中：监测人员、装备等情况以及单兵系统：通过在人员、装备上附带各种传感器，可以让各级指挥员比拟准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器，可以理解敌方武器部署情况，为己方确定进攻目的和进攻道路提供根据。监测敌军进攻：在敌军驻地和可能的进攻道路上部署大量传感器，从而及时发现敌军的进攻行动、争取珍贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新的传感器网络。评估战果：在进攻前后，在攻击目的附近部署传感器网络，从而搜集目的被破坏程度的数据。核能、生物、化学攻击的侦察：借助于传感器网络可以及早发现己方阵地上的生、化污染，提供快速反响时间从而减少损失。不派人员就可以获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据。〔2〕环境应用应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、廉价、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；气象现象的观测和天气预报；森林火警；生物群落的微观观测等洪灾的预警：通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪灾到来之前发布预警信息，从而及时排除险情或者减少损失。农田管理：通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理微观调控，促进农作物生长。〔3〕家庭应用建筑及城市管理各种无线传感器可以灵敏方便地布置于建筑物内，获取室内环境参数，从而为居室环境控制和危险报警提供根据。智能家居：通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知居室不同局部的微观状况，从而对空调、门窗以及其他家电进展自动控制，提供应人们智能、舒适的居住环境[16]。建筑平安：通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，发现异常事件及时报警，自动启动应急措施。智能交通：通过布置于道路上的速度、识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息效劳，发现违章能及时报警和记录[17]。反恐和公共平安通过