傳感器的發(fā)展

以我國為主的傳感器的發(fā)展摘要:近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段，正走向微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、數(shù)字化發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是新興的下一代傳感器，在國防安全和國民經(jīng)濟各方面均有著廣闊的應(yīng)用前景。是21世紀新的經(jīng)濟增長點。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和特點，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有應(yīng)用，最后展望了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用前景關(guān)鍵字：傳感器信息化特點發(fā)展一、 傳感器概念1.1傳感器的名詞解釋傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。1.2傳感器的重要性在信息化社會，幾乎沒有任何一種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠離得開傳感器和信號探測技術(shù)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(fā)、采集、傳送和處理息息相關(guān)。分析當(dāng)前信息與技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，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(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)良特征。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(shù)發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(gòu)成，具有體積校重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點。二、 WSN的構(gòu)成WSN由大量無線傳感器采用自組織方式構(gòu)成（見圖1）,它借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在環(huán)境中的信號，從而探測各種需要的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送到需要的地方。圖1WSN的結(jié)構(gòu)無線傳感器一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電源等部分組成。傳感器節(jié)點經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā)，再把傳感信息送給用戶使用，系統(tǒng)構(gòu)架包括分布式無線傳感器節(jié)點群、匯集節(jié)點、傳輸介質(zhì)、Internet或衛(wèi)星通信和網(wǎng)絡(luò)用戶端。每個節(jié)點都可充當(dāng)路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力，傳感器節(jié)點將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送回基站，然后通過基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶IE。三、傳感器在各領(lǐng)域的使用新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器［頃。3.1工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。隨著嵌入式計算功能的成本繼續(xù)減少，“智能”器件將被更多地應(yīng)用。獨立的內(nèi)部診斷功能可避免代價高昂的宕機，從而迅速收回投資MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感3.2科學(xué)研究中的應(yīng)用在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進入許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到fm的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等⑸。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。四、傳感器發(fā)展方向⑴向微型化發(fā)展：各種控制儀器設(shè)備的功能越來越大，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術(shù)，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術(shù)制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。⑵向高精度發(fā)展：隨著自動化生產(chǎn)程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。目前能生產(chǎn)萬分之一以上的傳感器的廠家為數(shù)很少，其產(chǎn)量也遠遠不能滿足要求。⑶向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展：傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在-20°C?70°C，在軍用系統(tǒng)中要求工作溫度在-40C?85C范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器的溫度要求更高，因此發(fā)展新興材料（如陶瓷）的傳感器將很有前途［們。⑷向微功耗及無源化發(fā)展：傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時離不開電源，在野外現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如T12702運算放大器，靜態(tài)功耗只有1.5明，而工作電壓只需2?5V［2］。⑸向智能化數(shù)字化發(fā)展：隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0?10mV），而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器。智能傳感器具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本⑶。智能傳感器必須具備通信功能，最起碼，除了滿足最基本應(yīng)用的反饋信號，'智能'傳感器必須能傳輸其它信息。智能傳感器擁有很多優(yōu)勢。五、國內(nèi)外傳感器發(fā)發(fā)展?fàn)顩r5.1國內(nèi)傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集（傳感器技術(shù)）、信息傳輸（通信技術(shù)）和信息處理（計算機技術(shù)）。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，由于大規(guī)模集成技術(shù)的高速發(fā)展，計算機及通信技術(shù)已得到高速發(fā)展，并已普及到各行各業(yè)和千家萬戶，惟獨傳感器尚處于落后狀態(tài)，形成瓶頸工業(yè)。中國傳感器技術(shù)的落后狀態(tài)是歷史原因造成的，也是無可爭辯的事實。但隨著條件日趨改善，市場競爭、優(yōu)勝劣汰，激發(fā)了智者能人的創(chuàng)新欲望，數(shù)千家傳感器生產(chǎn)廠家（包括民營企業(yè)）應(yīng)運而生。目前，中國已初步具備躋身世界傳感技術(shù)先進水平的各種條件，騰飛之時指日可待。市場上的光電/紅外傳感器，該類傳感器的性能指標正不斷提高，已具備良好的自動調(diào)焦能力，紅外傳感器可分辨更細微的溫度差，合成孔徑雷達技術(shù)也在不斷進步，所生成的圖像變得更容易理解（像照片一樣的雷達圖像），作用距離更遠、分辨率更高，一種超光譜成像傳感器、微光成像和夜視成像傳感器將成為光電/紅外傳感器市場新需求的重點⑷。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前的傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀遠不能滿足國內(nèi)市場的需要，農(nóng)業(yè)及工業(yè)用傳感器多依靠進口，而汽車電子用傳感器除低檔車用一些溫度、轉(zhuǎn)速、位置、壓力傳感器是國產(chǎn)外，幾乎90%均為國外引進。據(jù)專家們估測，目前我國傳感器的開發(fā)與新品研制距離國際水平仍落后5?10年，而規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)則落后10?15年。面對嚴峻的形勢，加速高技術(shù)含量的新型傳感器的發(fā)展，已是當(dāng)前刻不容緩的任務(wù)。發(fā)展傳感器技術(shù)要以市場為導(dǎo)向，實行需求牽引，只有按照市場需求，不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)傳感器產(chǎn)業(yè)的全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。5.2多傳感器融合多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進了傳感器技術(shù)的發(fā)展，它形成于20世紀80年代，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監(jiān)測和測量，而是對基于多個傳感器測量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上多種功能進一步集成融合，這是必然的趨勢，把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計算機技術(shù)對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息⑷。5.3無線傳感器的應(yīng)用目前，無線傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了可以將一部分傳感器、嵌入式MCU和無線通信收發(fā)器集成到一顆芯片的程度。美國和歐洲的一些大大小小的半導(dǎo)體公司已經(jīng)推出這樣的芯片了。同時推出的還有溫度、濕度、光照、加速度、紅外、氣體檢測等低功耗傳感器芯片⑸。所以，目前已經(jīng)可以制造出微小的無線傳感器節(jié)點硬件了。盡管還沒有形成一種能成為標準的主流協(xié)議，但作為軟件核心的無線傳感器通信協(xié)議已經(jīng)出現(xiàn)。此外，無線傳感器技術(shù)范疇中的統(tǒng)一標識、操作系統(tǒng)、安全機制、廣域分布式數(shù)據(jù)庫和后臺服務(wù)等內(nèi)容正在不斷發(fā)展完善。無線傳感器在國外已經(jīng)被初步用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化、智能家居、智能樓宇、精密農(nóng)業(yè)、智能交通、物流、醫(yī)療護理、供應(yīng)鏈管理、物品管理、智能導(dǎo)游、移動信息服務(wù)等廣泛的領(lǐng)域。尤其在安全防范檢測領(lǐng)域，無線傳感器的應(yīng)用正在快速發(fā)展。無線傳感器的產(chǎn)業(yè)化的推進速度決定于無線傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域及需求，這些需求有強制性的需求、發(fā)展性需求。將無線傳感器技術(shù)應(yīng)用于安全防范檢測領(lǐng)域即有強制性又有發(fā)展性的迫切需求。世界傳感器市場正在穩(wěn)步發(fā)展中，新的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的增長。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競爭更加激烈。中國的傳感器產(chǎn)業(yè)起步較晚，經(jīng)過多年發(fā)展逐步到自主研發(fā)和生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)化，整個行業(yè)已初具規(guī)模，并且進入到了快速發(fā)展階段。5.4無線傳感器的應(yīng)用前景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見，將來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)遠距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負責(zé)安全調(diào)控、節(jié)電等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。但是，我們還應(yīng)該清楚的認識到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)才剛剛開始發(fā)展，它的技術(shù)、應(yīng)用都還還遠談不上成熟，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業(yè)的發(fā)展［6.幻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領(lǐng)域。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，需要各種技術(shù)支撐。目前，成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M和進一步發(fā)展，應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，形成新的市場增長點，創(chuàng)造無線通信的新天地。六、結(jié)語微波傳感器依靠微波的很多優(yōu)點，將廣泛地用于微波通訊、衛(wèi)星發(fā)送等無線通訊，和雷達、導(dǎo)彈誘導(dǎo)、遙感、射電望遠鏡中。并且在一些非接觸式的監(jiān)測和控制中也有很好的應(yīng)用。今后，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新興科學(xué)技術(shù)呈輻射狀廣泛滲透入當(dāng)今社會，作為現(xiàn)代科學(xué)“耳目”的傳感器系統(tǒng)，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎(chǔ)，必將進一步得到社會各界的普