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1、-传感器技术的开展及社会影响1传感器技术开展历史从17世纪初伽利略创造温度计开场，人们开场利用温度进展测量。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创造的，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创造了铂电阻温度计。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，传感技术的开展都落后于它们，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，转化率比较低。在国外，
2、传感器技术主要是在各国不断开展与提高的工业化浪潮下诞生的， 并在早期多用于国家级工程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开展，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开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年代开场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、为世界瞩目的创造专利与工况监控系统或仪器的成果。 但从总体上讲，它还不能适
3、应我国经济与科技的迅速开展，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传感器技术开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MEMS传感器、硅集成电路的设计、制造与装配技术，在常规传感器技术根底上新增技术表现在传感信号数字化、智能化和通信技术。2.1 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
4、中尽可能多的局部，则模型就更接近于实际响应。这是因为，数字不会随时间而改变，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，DSP就是利用数学而不是电路对信号进展处理的。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，则就能通过微处理器中的软件来完成信息处理。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
5、于变化的环境中。2.2 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，但是其本钱较高并且缺乏灵活性。当不需要专用硬件则高的运算速度时，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，并且可能本钱更低。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，甚至还能通过定期监控环境条件并自动进展适当的调整来补偿环境变化。2.3 通信技术20世纪70年代，出现了将传统传感器
6、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开展和进步，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世纪末开场，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
7、的网络技术主要有1-Wire总线、I2C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的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，本钱低廉，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2.4GHz频段的无线技术，目前在计算机外设方面应用较广泛，但由于其协议本身较复杂、开发本钱高、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11
8、Mbps，通信距离为50100m，适合于多媒体的应用，但其本身实现本钱高，功耗大，平安性能低，从而在WSN中应用较少；ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在WSN中有着广泛的应用前景。3传感器技术未来开展趋势近年来，随着技术研发的持续深入，本钱的下降，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开展的推动下，传感器的典型应用市场开展迅速。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开展的需求，四大领域可能成为传感器技术未来开展的重点。3.1 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到达1.6亿。以谷歌眼镜为代表的可穿
9、戴设备是最受关注的硬件创新。谷歌眼镜置多达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，是普通纸的1/27左右，厚度也只有2微米。咕咚手环Geak WatchGoogle Glass秘密意念猫耳朵Golf Sense手套Elliott Fight拳击手套Sensoria智能袜Talking Shoe图1 各
10、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53.7%，到2016年市场规模将超过60亿美元，出货量超过1.71亿件。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%市场份额，未来的份额可能会进一步提升。3.2无人驾驶美国HIS公司指出，推进无人驾驶开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工程开发取得了重要成果，通过车安装的照相机、雷
11、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展分析，预测相关路况未来动向，同时结合谷歌地图来进展道路导航。谷歌无人驾驶汽车已经在华达、佛罗里达和加利福尼亚州获得上路行使权。奥迪、*、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。3.3医护和安康监测国外众多医疗研究机构，包括国际著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
12、现出来。一些研究机构在能够嵌入或吞入体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。图3 智慧医疗效劳系统概念图3.4 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%的效率提升，15年能源行业将节省1%的燃料约660亿美元。2013年1月，GE在纽约一家电
13、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展监视。此外，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4.0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息的主要途径与手段。现在传感器的开展也越来越快，应用普及的程度也越来越高，小到家用电器大到航天军工哪里都能见到它的身影。传感器早已渗透到诸如工业生产、智能家居、智能交通、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，几乎每一个现代化工程，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在开展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十清楚显的。世界各国都十分重视这一领域的开展。 . z.
