淺談傳感器的現狀以及發(fā)展趨勢
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(2) 將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊硅片中，從而構成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。由于這些敏感元件是被綜裝在同一塊硅片中的，它們無(wú)論何時(shí)都工作在同一種條件下，所以很容易對系統誤差進(jìn)行補償和校正。
(3) 借助于同一個(gè)傳感器的不同效應可以獲得不同的信息。以線(xiàn)圈為例，它所表現出來(lái)的電容和電感是各不相同的。
(4) 在不同的激勵條件下，同一個(gè)敏感元件將表現出來(lái)不同的特征。而在電壓、電流或溫度等激勵條件均不相同的情況下，由若干種敏感元件組成的一個(gè)多功能傳感器的特征可想而知將會(huì )是多么的千差萬(wàn)別！有時(shí)候簡(jiǎn)直就相當于是若干個(gè)不同的傳感器一樣，其多功能特征可謂名副其實(shí)。
4.2 多功能傳感器的研制與應用現狀
多功能傳感器無(wú)疑是當前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個(gè)全新的研究方向，日前有許多學(xué)者正在積極從事于該領(lǐng)域的研究工作。如將某些類(lèi)型的傳感器進(jìn)行適當組合而使之成為新的傳感器，如用來(lái)測量流體壓力和互異壓力的組合傳感器。又如，為了能夠以較高的靈敏度和較小的粒度同時(shí)探測多種信號，微型數字式三端口傳感器可以同時(shí)采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件;這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號，而且還能夠輸出頻率信號和數字信號。
從目前的發(fā)展現狀來(lái)看，最熱門(mén)的研究領(lǐng)域也許是各種類(lèi)型的仿生傳感器了，而且在感觸、刺激以及視聽(tīng)辨別等方面已有最新研究成果問(wèn)世。從實(shí)用的角度考慮，多功能傳感器中應用較多的是各種類(lèi)型的多功能觸覺(jué)傳感器，譬如人造皮膚觸覺(jué)傳感器就是其中之一，這種傳感器系統由PVDF材料、無(wú)觸點(diǎn)皮膚敏感系統以及具有壓力敏感傳導功能的橡膠觸覺(jué)傳感器等組成。據悉，美國MERRITT公司研制開(kāi)發(fā)的無(wú)觸點(diǎn)皮膚敏感系統獲得了較大的成功，其無(wú)觸點(diǎn)超聲波傳感器、紅外輻射引導傳感器、薄膜式電容傳感器、以及溫度、氣體傳感器等在美國本土應用甚廣。
與其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅覺(jué)方面的研究還似乎遠遠不盡人意。由于嗅覺(jué)元件接收到的判別信號是非常復雜的，其中總是混合著(zhù)成千上萬(wàn)種化學(xué)物質(zhì)，這就使得嗅覺(jué)系統處理起這些信號來(lái)異常錯綜復雜。
人工嗅覺(jué)傳感系統的典型產(chǎn)品是功能各異的Electronic nose(電子鼻)，近10多年來(lái)，該技術(shù)的發(fā)展很快，目前已有數種商品化的產(chǎn)品在國際市場(chǎng)流通，美、法、德、英等國家均有比較先進(jìn)的電子鼻產(chǎn)品問(wèn)世。
“電子鼻”系統通常由一個(gè)交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關(guān)的數據處理技術(shù)組成，并配以恰當的模式識別系統，具有識別簡(jiǎn)單和復雜氣味的能力，主要用來(lái)解決一般情況下的氣味探測問(wèn)題。根據應用對象的不同，“電子鼻”系統傳感器陣列中傳感器的構成材料及配置數量亦有所不同，其中，構成材料包括金屬氧化物半導體、導電聚合物、石英晶振等，配置數量則從幾個(gè)到數十個(gè)不等?？傊?，“電子鼻”系統是氣體傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)進(jìn)行有效結合的高科技產(chǎn)物，其氣體傳感器的體積很小，功耗也很低，能夠方便地捕獲并處理氣味信號。氣流經(jīng)過(guò)氣體傳感器陣列進(jìn)入到“電子鼻”系統的信號預處理元件中，最后由陣列響應模式來(lái)確定其所測氣體的特征。陣列響應模式采用關(guān)聯(lián)法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法對所測氣體進(jìn)行定性和定量鑒別。美國Cyrano- sciences公司生產(chǎn)的Cyranose 320電子鼻是目前技術(shù)較為先進(jìn)、適用范圍也比較廣的嗅覺(jué)傳感系統之一，該系統主要由傳感器陣列和數據分析算法兩部分組成，其基本技術(shù)是將若干個(gè)獨特的薄膜式碳-黑聚合物復合材料化學(xué)電阻器配置成一個(gè)傳感器陣列，然后采用標準的數據分析技術(shù)，通過(guò)分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值的辦法來(lái)識別未知分析物。據稱(chēng)，Cyranose 320電子鼻的適用范圍包括食品與飲料的生產(chǎn)與保鮮、環(huán)境保護、化學(xué)品分析與鑒定、疾病診斷與醫藥分析以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制與消費品的監控與管理等。
5 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化(wireless networked)
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對我們來(lái)說(shuō)并不陌生，比如手機，無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，電視機。傳感器對我們來(lái)說(shuō)也不陌生，比如溫度傳感器、壓力傳感器，還有比較新穎的氣味傳感器。但是，把二者結合在起來(lái)，提出無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks)這個(gè)概念，卻是近幾年才發(fā)生的事情。
這個(gè)網(wǎng)絡(luò )的主要組成部分就是一個(gè)個(gè)可愛(ài)的傳感器節點(diǎn)。說(shuō)它們可愛(ài)，是因為它們的體積都非常小巧。這些節點(diǎn)可以感受溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。更讓人感興趣的是，每一個(gè)節點(diǎn)都是一個(gè)可以進(jìn)行快速運算的微型計算機，它們將傳感器收集到的信息轉化成為數字信號，進(jìn)行編碼，然后通過(guò)節點(diǎn)與節點(diǎn)之間自行建立的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給具有更大處理能力的服務(wù)器
5.1 傳感器網(wǎng)絡(luò )
傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò )綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監測、感知和采集各種環(huán)境或監測對象的信息，通過(guò)嵌入式系統對信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機自組織無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)終端。從而真正實(shí)現“無(wú)處不在的計算”理念。傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究采用系統發(fā)展模式，因而必須將現代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細加工技術(shù)、系統SOC(system-on-chip)芯片設計技術(shù)、納米材料與技術(shù)、現代信息通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等融合，以實(shí)現其微型化、集成化、多功能化及系統化、網(wǎng)絡(luò )化，特別是實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )特有的超低功耗系統設計。傳感器網(wǎng)絡(luò )具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防、工農業(yè)、城市管理、生物醫療、環(huán)境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值和巨大實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起了世界許多國家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，并成為進(jìn)入2000 年以來(lái)公認的新興前沿熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，被認為是將對二十一世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
5.2 傳感器網(wǎng)絡(luò )研究熱點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò )以應用為目標，其構建是一個(gè)龐大的系統工程，涉及到的研究工作和需要解決的問(wèn)題在每一個(gè)層面上都很多。對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統結構及界面接口技術(shù)的研究意義重大。如果我們把傳感器網(wǎng)絡(luò )按其功能抽象成五個(gè)層次的話(huà)，將會(huì )包括基礎層(傳感器集合)、網(wǎng)絡(luò )層(通信網(wǎng)絡(luò ))、中間件層、數據處理和管理層以及應用開(kāi)發(fā)層。
其中，基礎層以研究新型傳感器和傳感系統為核心，包括應用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結構設計等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應速度、動(dòng)態(tài)范圍、準確度、穩定性以及在惡劣環(huán)境條件下工作的能力。
5.3 傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用研究
傳感器網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)巨大的應用前景，被認為是將對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。已有和潛在的傳感器應用領(lǐng)域包括:軍事偵察、環(huán)境監測、醫療、建筑物監測等等。隨著(zhù)傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、計算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種傳感器網(wǎng)絡(luò )將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實(shí)現“無(wú)處不在的計算”。以下簡(jiǎn)要介紹傳感器網(wǎng)絡(luò )的一些應用。
(1) 軍事應用
傳感器網(wǎng)絡(luò )研究最早起源于軍事領(lǐng)域，實(shí)驗系統有海洋聲納監測的大規模傳感器網(wǎng)絡(luò )，也有監測地面物體的小型傳感器網(wǎng)絡(luò )?，F代傳感器網(wǎng)絡(luò )應用中，通過(guò)飛機撒播、特種炮彈發(fā)射等手段，可以將大量便宜的傳感器密集地撒布于人員不便于到達的觀(guān)察區域如敵方陣地內，收集到有用的微觀(guān)數據;在一部分傳感器因為遭破壞等原因失效時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò )作為整傳感器網(wǎng)絡(luò )體仍能完成觀(guān)察任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò )的上述特點(diǎn)使得它具有重大軍事價(jià)值，可以應用于如下一些場(chǎng)景中:
●監測人員、裝備等情況以及單兵系統:通過(guò)在人員、裝備上附帶各種傳感器，可以讓各級指揮員比較準確、及時(shí)地掌握己方的保存狀態(tài)。通過(guò)在敵方陣地部署各種傳感器，可以了解敵方武器部署情況，為己方確定進(jìn)攻目標和進(jìn)攻路線(xiàn)提供依據;
●監測敵軍進(jìn)攻:在敵軍駐地和可能的進(jìn)攻路線(xiàn)上部署大量傳感器，從而及時(shí)發(fā)現敵軍的進(jìn)攻行動(dòng)、爭取寶貴的應對時(shí)間。并可根據戰況快速調整和部署新的傳感器網(wǎng)絡(luò );
●評估戰果:在進(jìn)攻前后，在攻擊目標附近部署傳感器網(wǎng)絡(luò )，從而收集目標被破壞程度的數據;
●核能、生物、化學(xué)攻擊的偵察:借助于傳感器網(wǎng)絡(luò )可以及早發(fā)現己方陣地上的生、化污染，提供快速反應時(shí)間從而減少損失。不派人員就可以獲取一些核、生、化
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