淺談傳感器的現狀以及發(fā)展趨勢
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在信息化社會(huì )，幾乎沒(méi)有任何一種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應用能夠離得開(kāi)傳感器和信號探測技術(shù)的支持。生活在信息時(shí)代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開(kāi)發(fā)、采集、傳送和處理息息相關(guān)。分析當前信息與技術(shù)發(fā)展狀態(tài)，21世紀的先進(jìn)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。
2 微型化(Micro)
為了能夠與信息時(shí)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(lái)越嚴格;與此同時(shí)，傳感器系統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;而傳統的大體積弱功能傳感器往往很難滿(mǎn)足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類(lèi)型的高性能微型傳感器所取代;后者主要由硅材料構成，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。
2.1 微型傳感器研發(fā)現狀
目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統的結構化生產(chǎn)設計向基于計算機輔助設計(CAD)的模擬式工程化設計轉變，從而使設計者們能夠在較短的時(shí)間內設計出低成本、高性能的新型系統，這種設計手段的巨大轉變在很大程度上推動(dòng)著(zhù)傳感器系統以更快的速度向著(zhù)能夠滿(mǎn)足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展。
對于微機電系統(MEMS)的研究工作始于20世紀60年代，其研究范疇涉及材料科學(xué)、機械控制、加工與封裝工藝、電子技術(shù)以及傳感器和執行器等多種學(xué)科，是一個(gè)極具前景的新興研究領(lǐng)域。MEMS的核心技術(shù)是研究微電子與微機械加工與封裝技術(shù)的巧妙結合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強大的新型系統。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，尤其最近十多年的研究與發(fā)展，MEMS技術(shù)已經(jīng)顯示出了巨大的生命力，此項技術(shù)的有效采用將信息系統的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一個(gè)新的高度。在當前技術(shù)水平下，微切削加工技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)出來(lái)具有不同層次的3D微型結構，從而可以生產(chǎn)出體積非常微小的微型傳感器敏感元件，象毒氣傳感器、離子傳感器、光電探測器這樣的以硅為主要構成材料的傳感/探測器都裝有極好的敏感元件。目前，這一類(lèi)元器件已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應用于不同的研究領(lǐng)域中。由計算機輔助設計(CAD)技術(shù)和微機電系統(MEMS)技術(shù)引發(fā)的傳感器研發(fā)制造已經(jīng)進(jìn)入微型化時(shí)代。
2.2 微型傳感器應用現狀
就當前技術(shù)發(fā)展現狀來(lái)看，微型傳感器已經(jīng)對大量不同應用領(lǐng)域，如航空、遠距離探測、醫療及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的信號探測系統產(chǎn)生了深遠影響;目前開(kāi)發(fā)并進(jìn)入實(shí)用階段的微型傳感器已可以用來(lái)測量各種物理量、化學(xué)量和生物量，如位移、速度/加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。
3 智能化(Smart)
智能化傳感器(Smart Sensor)是20世紀80年代末出現的另外一種涉及多種學(xué)科的新型傳感器系統。此類(lèi)傳感器系統一經(jīng)問(wèn)世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測器應用領(lǐng)域，如分布式實(shí)時(shí)探測、網(wǎng)絡(luò )探測和多信號探測方面一直頗受歡迎，產(chǎn)生的影響較大。
3.1 智能化傳感器的特點(diǎn)
智能化傳感器是指那些裝有微處理器的，不但能夠執行信息處理和信息存儲，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統。這一類(lèi)傳感器就相當于是微型機與傳感器的綜合體一樣，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設備。如智能化壓力傳感器，主傳感器為壓力傳感器，用來(lái)探測壓力參數，輔助傳感器通常為溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。采用這種技術(shù)時(shí)可以方便地調節和校正由于溫度的變化而導致的測量誤差，而環(huán)境壓力傳感器測量工作環(huán)境的壓力變化并對測定結果進(jìn)行校正;而硬件系統除了能夠對傳感器的弱輸出信號進(jìn)行放大、處理和存儲外，還執行與計算機之間的通信聯(lián)絡(luò )。
通常情況下，一個(gè)通用的檢測儀器只能用來(lái)探測一種物理量，其信號調節是由那些與主探測部件相連接著(zhù)的模擬電路來(lái)完成的;但智能化傳感器卻能夠實(shí)現所有的功能，而且其精度更高、價(jià)格更便宜、處理質(zhì)量也更好。與傳統的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
(１) 智能化傳感器不但能夠對信息進(jìn)行處理、分析和調節，能夠對所測的數值及其誤差進(jìn)行補償，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結論判斷，能夠借助于一覽表對非線(xiàn)性信號進(jìn)行線(xiàn)性化處理，借助于軟件濾波器濾波數字信號。此外，還能夠利用軟件實(shí)現非線(xiàn)性補償或其它更復雜的環(huán)境補償，以改進(jìn)測量精度。
(２) 智能化傳感器具有自診斷和自校準功能，可以用來(lái)檢測工作環(huán)境。當工作環(huán)境臨近其極限條件時(shí)，它將發(fā)出告警信號，并根據其分析器的輸入信號給出相關(guān)的診斷信息。當智能化傳感器由于某些內部故障而不能正常工作時(shí)，它能夠借助其內部檢測鏈路找出異?，F象或出了故障的部件。
(３) 智能化傳感器能夠完成多傳感器多參數混合測量，從而進(jìn)一步拓寬了其探測與應用領(lǐng)域，而微處理器的介入使得智能化傳感器能夠更加方便地對多種信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。此外，其靈活的配置功能既能夠使相同類(lèi)型的傳感器實(shí)現最佳的工作性能，也能夠使它們適合于各不相同的工作環(huán)境。
(４) 智能化傳感器既能夠很方便地實(shí)時(shí)處理所探測到的大量數據，也可以根據需要將它們存儲起來(lái)。存儲大量信息的目的主要是以備事后查詢(xún)，這一類(lèi)信息包括設備的歷史信息以及有關(guān)探測分析結果的索引等;
(５) 智能化傳感器備有一個(gè)數字式通信接口，通過(guò)此接口可以直接與其所屬計算機進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò )和交換信息。此外，智能化傳感器的信息管理程序也非常簡(jiǎn)單方便，譬如，可以對探測系統進(jìn)行遠距離控制或者在鎖定方式下工作，也可以將所測的數據發(fā)送給遠程用戶(hù)等。
3.2 智能化傳感器的發(fā)展與應用現狀
目前，智能化傳感器技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，具有代表意義的典型產(chǎn)品是美國霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器，以及另外一些含有微處理器(MCU)的單片集成壓力傳感器、具有多維檢測能力的智能傳感器和固體圖像傳感器(SSIS)等。與此同時(shí)，基于模糊理論的新型智能傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在智能化傳感器系統的研究和發(fā)展中的重要作用也日益受到了相關(guān)研究人員的極大重視。
需要特別指出的一點(diǎn)是:目前的智能化傳感器系統本身盡管全都是數字式的，但其通信協(xié)議卻仍需借助于4~20 mA的標準模擬信號來(lái)實(shí)現。一些國際性標準化研究機構目前正在積極研究推出相關(guān)的通用現場(chǎng)總線(xiàn)數字信號傳輸標準;不過(guò)，在眼下過(guò)渡階段仍大多采用遠距離總線(xiàn)尋址傳感器(HART)協(xié)議，即Highway Addressable Remote Transducer。這是一種適用于智能化傳感器的通信協(xié)議，與目前使用4~20mA模擬信號的系統完全兼容，模擬信號和數字信號可以同時(shí)進(jìn)行通信，從而使不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的產(chǎn)品具有通用性。
目前，智能化傳感器多用于壓力、力、振動(dòng)沖擊加速度、流量、溫濕度的測量，如美國霍尼韋爾公司的ST3000系列全智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器就屬于這一類(lèi)傳感器。另外，智能化傳感器在空間技術(shù)研究領(lǐng)域亦有比較成功的應用實(shí)例。
在今后的發(fā)展中，智能化傳感器無(wú)疑將會(huì )進(jìn)一步擴展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域?？梢灶A見(jiàn)，新興的智能化傳感器將會(huì )在關(guān)系到全人類(lèi)國民生的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大作用。
4 多功能傳感器(Multifunc- tion)
如前所述，通常情況下一個(gè)傳感器只能用來(lái)探測一種物理量，但在許多應用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準確地反映客觀(guān)事物和環(huán)境，往往需要同時(shí)測量大量的物理量。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼備的新一代探測系統，它可以借助于敏感元件中不同的物理結構或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨一個(gè)傳感器系統來(lái)同時(shí)實(shí)現多種傳感器的功能。隨著(zhù)傳感器技術(shù)和微機技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以生產(chǎn)出來(lái)將若干種敏感元件綜裝在同一種材料或單獨一塊芯片上的一體化多功能傳感器。
4.1 多功能傳感器的執行規則和結構模式
概括來(lái)講，多功能傳感器系統主要的執行規則和結構模式包括:
(1) 多功能傳感器系統由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來(lái)同時(shí)測量多種參數。譬如，可以將一個(gè)溫度探測器和一個(gè)濕度探測器配置在一起(即將熱敏元件和濕敏元件分別配置
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