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1、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
2、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
3、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
4、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Smart Sensor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
5、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
6、优点：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。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。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
7、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。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；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。
8、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420 mA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
9、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Highway Addressable Remote Transducer。这是一种适用于智能化传感器的通信协议，与目前使用420mA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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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Electronic nose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
15、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
16、Cyranose 320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，Cyranose 320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wireless worked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
