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淺談傳感器的現狀以及發展趨勢
 
引言

  在信息化社會,幾乎沒有任何一種科學技術的發展和應用能夠離得開傳感器和信號探測技術的支持。生活在信息時代的人們,絕大部分的日常生活與信息資源的開發、采集、傳送和處理息息相關。分析當前信息與技術發展狀態,21世紀的先進傳感器必須具備小型化、智能化、多功能化和網絡化等優良特征。


微型化(Micro)

  為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發展趨勢保持一致,對于傳感器性能指標(包括精確性、可靠性、靈敏性等)的要求越來越嚴格;與此同時,傳感器系統的操作友好性亦被提上了議事日程,因此還要求傳感器必須配有標準的輸出模式;而傳統的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求,所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代;后者主要由硅材料構成,具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優點。

  1. 微型傳感器研發現狀

  目前,幾乎所有的傳感器都在由傳統的結構化生產設計向基于計算機輔助設計(CAD)的模擬式工程化設計轉變,從而使設計者們能夠在較短的時間內設計出低成本、高性能的新型系統,這種設計手段的巨大轉變在很大程度上推動著傳感器系統以更快的速度向著能夠滿足科技發展需求的微型化的方向發展。

  對于微機電系統(MEMS)的研究工作始于20世紀60年代,其研究范疇涉及材料科學、機械控制、加工與封裝工藝、電子技術以及傳感器和執行器等多種學科,是一個極具前景的新興研究領域。MEMS的核心技術是研究微電子與微機械加工與封裝技術的巧妙結合,期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強大的新型系統。經過幾十年的發展,尤其最近十多年的研究與發展,MEMS技術已經顯示出了巨大的生命力,此項技術的有效采用將信息系統的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一個新的高度。在當前技術水平下,微切削加工技術已經可以生產出來具有不同層次的3D微型結構,從而可以生產出體積非常微小的微型傳感器敏感元件,象毒氣傳感器、離子傳感器、光電探測器這樣的以硅為主要構成材料的傳感/探測器都裝有極好的敏感元件。目前,這一類元器件已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應用于不同的研究領域中。由計算機輔助設計(CAD)技術和微機電系統(MEMS)技術引發的傳感器研發制造已經進入微型化時代。

  2.微型傳感器應用現狀

  就當前技術發展現狀來看,微型傳感器已經對大量不同應用領域,如航空、遠距離探測、醫療及工業自動化等領域的信號探測系統產生了深遠影響;目前開發并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量,如位移、速度/加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。

智能化(Smart)

  智能化傳感器(Smart Sensor)是20世紀80年代末出現的另外一種涉及多種學科的新型傳感器系統。此類傳感器系統一經問世即刻受到科研界的普遍重視,尤其在探測器應用領域,如分布式實時探測、網絡探測和多信號探測方面一直頗受歡迎,產生的影響較大。

  1.智能化傳感器的特點

  智能化傳感器是指那些裝有微處理器的,不但能夠執行信息處理和信息存儲,而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統。這一類傳感器就相當于是微型機與傳感器的綜合體一樣,其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設備。如智能化壓力傳感器,主傳感器為壓力傳感器,用來探測壓力參數,輔助傳感器通常為溫度傳感器和環境壓力傳感器。采用這種技術時可以方便地調節和校正由于溫度的變化而導致的測量誤差,而環境壓力傳感器測量工作環境的壓力變化并對測定結果進行校正;而硬件系統除了能夠對傳感器的弱輸出信號進行放大、處理和存儲外,還執行與計算機之間的通信聯絡。

  通常情況下,一個通用的檢測儀器只能用來探測一種物理量,其信號調節是由那些與主探測部件相連接著的模擬電路來完成的;但智能化傳感器卻能夠實現所有的功能,而且其精度更高、價格更便宜、處理質量也更好。與傳統的傳感器相比,智能化傳感器具有以下優點:

  (1) 智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節,能夠對所測的數值及其誤差進行補償,而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷,能夠借助于一覽表對非線性信號進行線性化處理,借助于軟件濾波器濾波數字信號。此外,還能夠利用軟件實現非線性補償或其它更復雜的環境補償,以改進測量精度。

  (2) 智能化傳感器具有自診斷和自校準功能,可以用來檢測工作環境。當工作環境臨近其極限條件時,它將發出告警信號,并根據其分析器的輸入信號給出相關的診斷信息。當智能化傳感器由于某些內部故障而不能正常工作時,它能夠借助其內部檢測鏈路找出異常現象或出了故障的部件。

  (3) 智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數混合測量,從而進一步拓寬了其探測與應用領域,而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號進行實時處理。此外,其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實現最佳的工作性能,也能夠使它們適合于各不相同的工作環境。

  (4) 智能化傳感器既能夠很方便地實時處理所探測到的大量數據,也可以根據需要將它們存儲起來。存儲大量信息的目的主要是以備事后查詢,這一類信息包括設備的歷史信息以及有關探測分析結果的索引等;

  (5) 智能化傳感器備有一個數字式通信接口,通過此接口可以直接與其所屬計算機進行通信聯絡和交換信息。此外,智能化傳感器的信息管理程序也非常簡單方便,譬如,可以對探測系統進行遠距離控制或者在鎖定方式下工作,也可以將所測的數據發送給遠程用戶等。

  2.智能化傳感器的發展與應用現狀

  目前,智能化傳感器技術正處于蓬勃發展時期,具有代表意義的典型產品是美國霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器,以及另外一些含有微處理器(MCU)的單片集成壓力傳感器、具有多維檢測能力的智能傳感器和固體圖像傳感器(SSIS)等。與此同時,基于模糊理論的新型智能傳感器和神經網絡技術在智能化傳感器系統的研究和發展中的重要作用也日益受到了相關研究人員的極大重視。

  需要特別指出的一點是:目前的智能化傳感器系統本身盡管全都是數字式的,但其通信協議卻仍需借助于4~20 mA的標準模擬信號來實現。一些國際性標準化研究機構目前正在積極研究推出相關的通用現場總線數字信號傳輸標準;不過,在眼下過渡階段仍大多采用遠距離總線尋址傳感器(HART)協議,即Highway Addressable Remote Transducer。這是一種適用于智能化傳感器的通信協議,與目前使用4~20mA模擬信號的系統完全兼容,模擬信號和數字信號可以同時進行通信,從而使不同生產廠家的產品具有通用性。

  目前,智能化傳感器多用于壓力、力、振動沖擊加速度、流量、溫濕度的測量,如美國霍尼韋爾公司的ST3000系列全智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器就屬于這一類傳感器。另外,智能化傳感器在空間技術研究領域亦有比較成功的應用實例。

  在今后的發展中,智能化傳感器無疑將會進一步擴展到化學、電磁、光學和核物理等研究領域。可以預見,新興的智能化傳感器將會在關系到全人類國民生的各個領域發揮越來越大作用。

多功能傳感器(Multifunc- tion)

  如前所述,通常情況下一個傳感器只能用來探測一種物理量,但在許多應用領域中,為了能夠完美而準確地反映客觀事物和環境,往往需要同時測量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼備的新一代探測系統,它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表征方式,用單獨一個傳感器系統來同時實現多種傳感器的功能。隨著傳感器技術和微機技術的飛速發展,目前已經可以生產出來將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。

  1.多功能傳感器的執行規則和結構模式

  概括來講,多功能傳感器系統主要的執行規則和結構模式包括:

  (1) 多功能傳感器系統由若干種各不相同的敏感元件組成,可以用來同時測量多種參數。譬如,可以將一個溫度探測器和一個濕度探測器配置在一起(即將熱敏元件和濕敏元件分別配置在同一個傳感器承載體上)制造成一種新的傳感器,這樣,這種新的傳感器就能夠同時測量溫度和濕度。

  (2) 將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊硅片中,從而構成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由于這些敏感元件是被綜裝在同一塊硅片中的,它們無論何時都工作在同一種條件下,所以很容易對系統誤差進行補償和校正。

  (3) 借助于同一個傳感器的不同效應可以獲得不同的信息。以線圈為例,它所表現出來的電容和電感是各不相同的。

  (4) 在不同的激勵條件下,同一個敏感元件將表現出來不同的特征。而在電壓、電流或溫度等激勵條件均不相同的情況下,由若干種敏感元件組成的一個多功能傳感器的特征可想而知將會是多么的千差萬別!有時候簡直就相當于是若干個不同的傳感器一樣,其多功能特征可謂名副其實。

  2.多功能傳感器的研制與應用現狀

  多功能傳感器無疑是當前傳感器技術發展中一個全新的研究方向,日前有許多學者正在積極從事于該領域的研究工作。如將某些類型的傳感器進行適當組合而使之成為新的傳感器,如用來測量流體壓力和互異壓力的組合傳感器。又如,為了能夠以較高的靈敏度和較小的粒度同時探測多種信號,微型數字式三端口傳感器可以同時采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件;這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號,而且還能夠輸出頻率信號和數字信號。

  從目前的發展現狀來看,最熱門的研究領域也許是各種類型的仿生傳感器了,而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新研究成果問世。從實用的角度考慮,多功能傳感器中應用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器,譬如人造皮膚觸覺傳感器就是其中之一,這種傳感器系統由PVDF材料、無觸點皮膚敏感系統以及具有壓力敏感傳導功能的橡膠觸覺傳感器等組成。據悉,美國MERRITT公司研制開發的無觸點皮膚敏感系統獲得了較大的成功,其無觸點超聲波傳感器、紅外輻射引導傳感器、薄膜式電容傳感器、以及溫度、氣體傳感器等在美國本土應用甚廣。

  與其它方面的研究成果相比,目前在人工嗅覺方面的研究還似乎遠遠不盡人意。由于嗅覺元件接收到的判別信號是非常復雜的,其中總是混合著成千上萬種化學物質,這就使得嗅覺系統處理起這些信號來異常錯綜復雜。

  人工嗅覺傳感系統的典型產品是功能各異的Electronic nose(電子鼻),近10多年來,該技術的發展很快,目前已有數種商品化的產品在國際市場流通,美、法、德、英等國家均有比較先進的電子鼻產品問世。

  “電子鼻"系統通常由一個交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關的數據處理技術組成,并配以恰當的模式識別系統,具有識別簡單和復雜氣味的能力,主要用來解決一般情況下的氣味探測問題。根據應用對象的不同,“電子鼻"系統傳感器陣列中傳感器的構成材料及配置數量亦有所不同,其中,構成材料包括金屬氧化物半導體、導電聚合物、石英晶振等,配置數量則從幾個到數十個不等。總之,“電子鼻"系統是氣體傳感器技術和信息處理技術進行有效結合的高科技產物,其氣體傳感器的體積很小,功耗也很低,能夠方便地捕獲并處理氣味信號。氣流經過氣體傳感器陣列進入到“電子鼻"系統的信號預處理元件中,最后由陣列響應模式來確定其所測氣體的特征。陣列響應模式采用關聯法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法對所測氣體進行定性和定量鑒別。美國Cyrano- sciences公司生產的Cyranose 320電子鼻是目前技術較為先進、適用范圍也比較廣的嗅覺傳感系統之一,該系統主要由傳感器陣列和數據分析算法兩部分組成,其基本技術是將若干個獨特的薄膜式碳-黑聚合物復合材料化學電阻器配置成一個傳感器陣列,然后采用標準的數據分析技術,通過分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值的辦法來識別未知分析物。據稱,Cyranose 320電子鼻的適用范圍包括食品與飲料的生產與保鮮、環境保護、化學品分析與鑒定、疾病診斷與醫藥分析以及工業生產過程控制與消費品的監控與管理等。

無線網絡化(wireless networked)

  無線網絡對我們來說并不陌生,比如手機,無線上網,電視機。傳感器對我們來說也不陌生,比如溫度傳感器、壓力傳感器,還有比較新穎的氣味傳感器。但是,把二者結合在起來,提出無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks)這個概念,卻是近幾年才發生的事情。

  這個網絡的主要組成部分就是一個個可愛的傳感器節點。說它們可愛,是因為它們的體積都非常小巧。這些節點可以感受溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。更讓人感興趣的是,每一個節點都是一個可以進行快速運算的微型計算機,它們將傳感器收集到的信息轉化成為數字信號,進行編碼,然后通過節點與節點之間自行建立的無線網絡發送給具有更大處理能力的服務器。

  1.傳感器網絡

  傳感器網絡是當前國際上備受關注的、由多學科高度交叉的新興前沿研究熱點領域。傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等,能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息,通過嵌入式系統對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現“無處不在的計算"理念。傳感器網絡的研究采用系統發展模式,因而必須將現代的先進微電子技術、微細加工技術、系統SOC(system-on-chip)芯片設計技術、納米材料與技術、現代信息通訊技術、計算機網絡技術等融合,以實現其微型化、集成化、多功能化及系統化、網絡化,特別是實現傳感器網絡特有的超低功耗系統設計。傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景,在軍事國防、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等許多領域都有重要的科研價值和巨大實用價值,已經引起了世界許多國家軍界、學術界和工業界的高度重視,并成為進入2000 年以來公認的新興前沿熱點研究領域,被認為是將對二十一世紀產生巨大影響力的技術之一。

  2.傳感器網絡研究熱點問題和關鍵技術

  傳感器網絡以應用為目標,其構建是一個龐大的系統工程,涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多。對無線傳感器網絡系統結構及界面接口技術的研究意義重大。如果我們把傳感器網絡按其功能抽象成五個層次的話,將會包括基礎層(傳感器集合)、網絡層(通信網絡)、中間件層、數據處理和管理層以及應用開發層。

  其中,基礎層以研究新型傳感器和傳感系統為核心,包括應用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結構設計等,以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應速度、動態范圍、準確度、穩定性以及在惡劣環境條件下工作的能力。

  3.傳感器網絡的應用研究

  傳感器網絡有著巨大的應用前景,被認為是將對21世紀產生巨大影響力的技術之一。已有和潛在的傳感器應用領域包括:軍事偵察、環境監測、醫療、建筑物監測等等。隨著傳感器技術、無線通信技術、計算技術的不斷發展和完善,各種傳感器網絡將遍布我們生活環境,從而真正實現“無處不在的計算"。以下簡要介紹傳感器網絡的一些應用。

  (1) 軍事應用

  傳感器網絡研究最早起源于軍事領域,實驗系統有海洋聲納監測的大規模傳感器網絡,也有監測地面物體的小型傳感器網絡。現代傳感器網絡應用中,通過飛機撒播、特種炮彈發射等手段,可以將大量便宜的傳感器密集地撒布于人員不便于到達的觀察區域如敵方陣地內,收集到有用的微觀數據;在一部分傳感器因為遭破壞等原因失效時,傳感器網絡作為整傳感器網絡體仍能完成觀察任務。傳感器網絡的上述特點使得它具有重大軍事價值,可以應用于如下一些場景中:

  •   監測人員、裝備等情況以及單兵系統:通過在人員、裝備上附帶各種傳感器,可以讓各級指揮員比較準確、及時地掌握己方的保存狀態。通過在敵方陣地部署各種傳感器,可以了解敵方武器部署情況,為己方確定進攻目標和進攻路線提供依據;
  •   監測敵軍進攻:在敵軍駐地和可能的進攻路線上部署大量傳感器,從而及時發現敵軍的進攻行動、爭取寶貴的應對時間。并可根據戰況快速調整和部署新的傳感器網絡;
  •   評估戰果:在進攻前后,在攻擊目標附近部署傳感器網絡,從而收集目標被破壞程度的數據;
  •   核能、生物、化學攻擊的偵察:借助于傳感器網絡可以及早發現己方陣地上的生、化污染,提供快速反應時間從而減少損失。不派人員就可以獲取一些核、生、化爆炸現場的詳細數據。

  (2) 環境應用

  應用于環境監測的傳感器網絡,一般具有部署簡單、便宜、長期不需更換電池、無需派人現場維護的優點。通過密集的節點布置,可以觀察到微觀的環境因素,為環境研究和環境監測提供了嶄新的途徑傳感器網絡研究在環境監測領域已經有很多的實例。這些應用實例包括:對海島鳥類生活規律的觀測;氣象現象的觀測和天氣預報;森林火警;生物群落的微觀觀測等:

  •   洪災的預警:通過在水壩、山區中關鍵地點合理地布置一些水壓、土壤濕度等傳感器,可以在洪災到來之前發布預警信息,從而及時排除險情或者減少損失;
  •   農田管理:通過在農田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強度、風速等傳感器,可以更好地對農田管理微觀調控,促進農作物生長。

  (3) 一般應用

  建筑及城市管理各種無線傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內,獲取室內環境參數,從而為居室環境控制和危險報警提供依據:

  •   智能家居:通過布置于房間內的溫度、濕度、光照、空氣成分等無線傳感器,感知居室不同部分的微觀狀況,從而對空調、門窗以及其他家電進行自動控制,提供給人們智能、舒適的居住環境;
  •   建筑安全:通過布置于建筑物內的圖像、聲音、氣體檢測、溫度、壓力、輻射等傳感器,發現異常事件及時報警,自動啟動應急措施;
  •     智能交通:通過布置于道路上的速度、識別傳感器,監測交通流量等信息,為出行者提供信息服務,發現違章能及時報警和記錄。反恐和公共安全通過特殊用途的傳感器,特別是生物化學傳感器監測有害物、危險物的信息,最大限度地減少其對人民群眾生命安全造成的傷害。

  (4) 結論

  無線傳感器網絡有著十分廣泛的應用前景,它不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等傳統領域有具有巨大的運用價值,在未來還將在許多新興領域體現其優越性,如家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見,將來無線傳感器網絡將無處不在,將完全融入我們的生活。比如微型傳感器網最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯網相連,實現遠距離跟蹤,家庭采用無線傳感器網絡負責安全調控、節電等。無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡,其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產活動的所有領域。但是,我們還應該清楚的認識到,無線傳感器網絡才剛剛開始發展,它的技術、應用都還還遠談不上成熟,國內企業應該抓住商機,加大投入力度,推動整個行業的發展。

  無線傳感器網絡是新興的通信應用網絡,其應用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領域。因此,無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡,需要各種技術支撐。目前,成熟的通信技術都可能經過適當的改進和進一步發展,應用到無線傳感器網絡中,形成新的市場增長點,創造無線通信的新天地。

結束語

  當前技術水平下的傳感器系統正向著微小型化、智能化、多功能化和網絡化的方向發展。今后,隨著CAD技術、MEMS技術、信息理論及數據分析算法的繼續向前發展,未來的傳感器系統必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統化。在各種新興科學技術呈輻射狀廣泛滲透的當今社會,作為現代科學“耳目"的傳感器系統,作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎,必將進一步得到社會各界的普遍關注。微波傳感器依靠微波的很多優點,將廣泛地用于微波通訊、衛星發送等無線通訊,和雷達、導彈誘導、遙感、射電望遠鏡中。并且在一些非接觸式的監測和控制中也有很好的應用。

 
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