传感器的发展及应用 (论文)

1、传感器的发展及应用【摘要】传感器技术作为信息技术的三大基础之一 ，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。 而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。 传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。本文展望了现代传感器技术的发展和应用前景。总结了传感器技术的发展方向。【关键词】传感器技术 ；传感器发展方向；传感器网络 一传感器技术传感器是指能感受规定的被测量，通常被测量是非电物理量,输出信号一般为电量。并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义是：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。（一）传感器的发展历史传感技术大体可分3代,第1代是结构型传感器。它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。第2代传

2、感器是70年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。 7 0年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展,出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如:电荷耦合器件(CCD),集成温度传感器AD590,集成霍尔传感器UGN3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/3左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。 第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高,在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能

3、、多参量测量功能以及联网通信功能等。（二）传感器的发展现状 当今世界正面临一场新的技术革命,这场革命的主要基础是信息技术,而传感器技术被 认为是信息技术三大支柱之一。一些发达国家 都把传感器技术列为与通信技术和计算机技术 同等位置。随着现代科学发展,传感技术作为一 种与现代科学密切相关的新兴学科也得到迅速 的发展,并且在工业自动化、测量和检测技术、 航天技术、军事工程、医疗诊断等学科被越来越 广泛地利用,同时对各学科发展还有促进作用。 目前在全世界有6 000多家公司生产传感 器,品种多达上万种。美国把80年代看作是传 感器时代,日本把传感器列为80年代到2000 年重大科技开发项目。我国把传感器列为“十 五”计划重点科技研究发展项目之一。 近年来，随着各种新型光电器件的不断涌现，特别是激光技术和图像技术的迅猛发展，光电传感器已成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，在传感器领域的扮演着重要角色，在非接触测量领域占据绝对统治地位。目前，光电式传感器已在国民经济和科学技术各个领域得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。国内外研究现状与应用实例：光电传感器在当前科研领域的运用范围很

4、广，影响力巨大。尤其是基于光电传感器技术原理研发和制造出的新型光电传感器已成为当今传感器市场的主流。二传感器技术的主要发展方向（一）向高精度发展自动化生产技术的不断发展,对传感器的要求也在不断提高,要求研制出具有高灵敏度、高精确度、快响应速度、良好互换性的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。近几年,世界主要传感器研究机构采用新理论、新方法、新工艺在提高传感器精度方面,取得了突出成绩。美国学者发现了一种新方法改善传感器的灵敏度,采取系统化方法将各种设计法则整合在一起,用一个具有一致性的框架来改善传感器的设计。他们比较了传统的平面传感器(planarsensor)组件与圆柱形单纳米管传感器(cylindricalsingle-nanotubesensor)组件,结果显示较小的圆柱形传感器的灵敏度至少高100倍,这足以证明越小越好的理论。（二）向微型化发展 各种控制仪器设备的功能越来越多,要求各个部件体积越小越好,因而传感器本身体积也是越小越好, 这就要求重点发展基于新材料及加工技术的微型传 感器。2007年诺贝尔物理学奖获得者法国科学家阿尔 贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔发现的“巨 磁电

5、阻”效应,不仅可以制造出更加灵敏的数据 读出头,使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出, 并且转换成清晰的电流变化。该技术的突破为传感器 的微型化提供了一种极其重要的技术支持。 （三）向微功耗及无源化发展 传感器工作离不开电源,在野外现场或远离电网的地方,往往用电池或太阳能供电,开发微功耗传感 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。德国科学家研制出一种传感器,能把所通过的流 体(液体或气体)的能量自行转换成电力,也就是说 传感器可以自行“发电”,这大大方便了系统的设计和 维护。转换成电力的过程在固定的容腔里进行,媒介 流体(液体或气体)像血通过心脏那样流经这里。由 于附壁效应,流体是贴着管道壁流动的;持续流动在 这里产生周期性的压力变动,由回馈部件传导到压电 陶瓷,由压电陶瓷最终把流体的能源转换成电力。产 生的电力在微瓦或毫瓦级,能够满足循环运行传感器的能源需求,保证传感器读取并传出相关的数据。 （四）向智能化发展随着科技发展,传感器的功能日益复杂。其输出不再是单一的模拟信号,而是经过微处理器处理后的 数字信号,有的甚至带有控制功能。技术发展表明数 字信

6、号处理器(DSP)将推动众多新型下一代产品的 发展。 （五）向高可靠性发展 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-2070,在军用系统中要求工 作温度在-4085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。 Honeywell推出的LG 1237是一种智能型绝对压力 传感器,该产品可在压力范围0.5 1000Pa内进行精 确、稳定的测量,其使用寿命为25年或100, 000小 时。产品在- 55至125之间使用时,准确率超过 0.03%F.S。,该设备将带有微处理器的压阻压力传感 器与DSP连接,可承受住高级别的加速度和振动。能承受2000瞬时高温冲击,可满足高温、高压、高 频响及瞬时高温冲击等恶劣环境下的压力测量的传 感器有效解决了我国航空航天、石油化工、汽车工业 等领域高温环境下压力测量和瞬时高温冲击下传感器 失效的技术难题。（六）集成化多功能传感器的开发 集成化是指传感器同一功能的多元件并列以及功能上的一体化。

7、前一种集成化使传感器的检测参数实现“点、线、面、体”多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测；后一种集成化使传感器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大、运算、补偿等多功能的传感器。在实际运用中，常做到硬件与软件两方面的集成，它包括：传感器阵列的集成、多功能和多传感参数的复合传感器传感系统硬件的集成；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。而多功能是指“一器多能”，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。这样可大大节省工程成本，并使项目复杂度降低，提高了工作效率。运用集成化多功能理论研制出的传感器可以应用到更广泛的领域，并发挥出更加强大的功能效用。利用集成化多功能原理，现代传感技术已制成带温度补偿的集成压力传感器，频率输出型集成压力传感器，霍尔集成传感器，半导体集成色敏传感器，多维化集成气敏传感器等。在智能化传感技术方面，以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能；硬件上由微处理器系统对整个传感器电路、接口、信号转换进行处理调整；软件上进行非线性特性校正，误差的自动校准和数字滤波处理，从而形成传感技术的智能化系统。三传感器与网络融合 （一）传感器网络无线传感

8、器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感 器节点构成的自组织分布式网络系统 。利用微传感器与微机械 、 通信 、 自动控制 、 人工智能等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化，使其能根据环境自主完成指定任务。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。（二）传感器网络的构架（三）传感器网络的意义传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，

9、通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统SOC（system-on-chip）芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。四现代传感器技术的发展趋势和应用前景对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重视。当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的不稳定，从而给其实际应用造成较大影响。这就要求我们针对传感器的工作原理和结构，在不同场合对传感器规定相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，如高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等。同时，根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要求，现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面分析与概括：一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化；三是实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化；四是通过传

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