传感器的发展

以我国为主的传感器的发展摘要:近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段，正走向微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、数字化发展。无线传感器网络（WSN）是新兴的下一代传感器，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。是21世纪新的经济增长点。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络的现有应用，最后展望了无线传感器网络技术的应用前景关键字：传感器信息化特点发展一、 传感器概念1.1传感器的名词解释传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。1.2传感器的重要性在信息化社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。生活在信息时代的人们，绝大部分的日常生活与信息资源的开发、采集、传送和处理息息相关。分析当前信息与技术发展状态，21世纪的先进传感器必须具备小型化、智能化、多功能化和网络化等优良特征。为了能够与信息时代信息量激增，要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、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模式；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，具有体积校重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。二、 WSN的构成WSN由大量无线传感器采用自组织方式构成（见图1）,它借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在环境中的信号，从而探测各种需要的数据，并通过网络传送到需要的地方。图1WSN的结构无线传感器一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元、电源等部分组成。传感器节点经多跳转发，再把传感信息送给用户使用，系统构架包括分布式无线传感器节点群、汇集节点、传输介质、Internet或卫星通信和网络用户端。每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力，传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户IE。三、传感器在各领域的使用新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器［顷。3.1工业生产中的应用在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。随着嵌入式计算功能的成本继续减少，“智能”器件将被更多地应用。独立的内部诊断功能可避免代价高昂的宕机，从而迅速收回投资MEMS的发展，把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。除MEMS外，新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术，如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器、多功能传感3.2科学研究中的应用在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等⑸。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。四、传感器发展方向⑴向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。⑵向高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。⑶向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20°C〜70°C，在军用系统中要求工作温度在-40C〜85C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途［们。⑷向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5明，而工作电压只需2〜5V［2］。⑸向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0〜10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。智能传感器具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本⑶。智能传感器必须具备通信功能，最起码，除了满足最基本应用的反馈信号，'智能'传感器必须能传输其它信息。智能传感器拥有很多优势。五、国内外传感器发发展状况5.1国内传感器的现状与发展现代信息技术的三大基础是信息采集（传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，由于大规模集成技术的高速发展，计算机及通信技术已得到高速发展，并已普及到各行各业和千家万户，惟独传感器尚处于落后状态，形成瓶颈工业。中国传感器技术的落后状态是历史原因造成的，也是无可争辩的事实。但随着条件日趋改善，市场竞争、优胜劣汰，激发了智者能人的创新欲望，数千家传感器生产厂家（包括民营企业）应运而生。目前，中国已初步具备跻身世界传感技术先进水平的各种条件，腾飞之时指日可待。市场上的光电/红外传感器，该类传感器的性能指标正不断提高，已具备良好的自动调焦能力，红外传感器可分辨更细微的温度差，合成孔径雷达技术也在不断进步，所生成的图像变得更容易理解（像照片一样的雷达图像），作用距离更远、分辨率更高，一种超光谱成像传感器、微光成像和夜视成像传感器将成为光电/红外传感器市场新需求的重点⑷。据不完全统计，我国目前的传感技术产业现状远不能满足国内市场的需要，农业及工业用传感器多依靠进口，而汽车电子用传感器除低档车用一些温度、转速、位置、压力传感器是国产外，几乎90%均为国外引进。据专家们估测，目前我国传感器的开发与新品研制距离国际水平仍落后5〜10年，而规模生产技术则落后10〜15年。面对严峻的形势，加速高技术含量的新型传感器的发展，已是当前刻不容缓的任务。发展传感器技术要以市场为导向，实行需求牵引，只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。5.2多传感器融合多传感器数据融合技术也促进了传感器技术的发展，它形成于20世纪80年代，它不同于一般信号处理，也不同于单个或多个传感器的监测和测量，而是对基于多个传感器测量结果基础上的更高层次的综合决策过程。有鉴于传感器技术的微型化、智能化程度提高，在信息获取基础上多种功能进一步集成融合，这是必然的趋势，把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息⑷。5.3无线传感器的应用目前，无线传感器技术已经发展到了可以将一部分传感器、嵌入式MCU和无线通信收发器集成到一颗芯片的程度。美国和欧洲的一些大大小小的半导体公司已经推出这样的芯片了。同时推出的还有温度、湿度、光照、加速度、红外、气体检测等低功耗传感器芯片⑸。所以，目前已经可以制造出微小的无线传感器节点硬件了。尽管还没有形成一种能成为标准的主流协议，但作为软件核心的无线传感器通信协议已经出现。此外，无线传感器技术范畴中的统一标识、操作系统、安全机制、广域分布式数据库和后台服务等内容正在不断发展完善。无线传感器在国外已经被初步用于环境监测、工业自动化、智能家居、智能楼宇、精密农业、智能交通、物流、医疗护理、供应链管理、物品管理、智能导游、移动信息服务等广泛的领域。尤其在安全防范检测领域，无线传感器的应用正在快速发展。无线传感器的产业化的推进速度决定于无线传感器应用的领域及需求，这些需求有强制性的需求、发展性需求。将无线传感器技术应用于安全防范检测领域即有强制性又有发展性的迫切需求。世界传感器市场正在稳步发展中，新的应用领域也在不断的增长。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争更加激烈。中国的传感器产业起步较晚，经过多年发展逐步到自主研发和生产制造产业化，整个行业已初具规模，并且进入到了快速发展阶段。5.4无线传感器的应用前景无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展［6.幻无线传感器网络是新兴的通信应用网络，其应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。因此，无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，需要各种技术支撑。目前，成熟的通信技术都可能经过适当的改进和进一步发展，应用到无线传感器网络中，形成新的市场增长点，创造无线通信的新天地。六、结语微波传感器依靠微波的很多优点，将广泛地用于微波通讯、卫星发送等无线通讯，和雷达、导弹诱导、遥感、射电望远镜中。并且在一些非接触式的监测和控制中也有很好的应用。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透入当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普