传感器综述

绪论：
随着科学技术的迅猛发展，世界技术发达国家对传感器技术的开发相当的重视。

因为一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的，而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。

传感器位于系统之首，其作用相当于人的五官，直接敏感外界信息，是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，一切科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过它转换成便于传输、处理、记录、显示和控制的可用信号。

所以，测试技术与自动控制水平的高低被认为是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志，传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础。

传感器技术在近些年来发展迅速，与计算机技术和通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。

现代科技中，自动化与智能化已经成为新的发展方向，传感器作为自动测量与控制中的关键环节，在社会的生产生活中应用十分广泛，且具有巨大的发展空间。

本文就传感器技术的历史发展过程及应用趋势进行综述性概况。

一、传感器技术历史回顾
传感器技术可以说是仿生学中的一部分，从远古时期就已经渗透到人类生活的各个方面。

在 20 世纪中期传感器技术正式问世，各国信息化产业的发展带动了传感器的研发水平，传感器技术水平不断的提高并快速发展，其大体经历三个历程：结构型传感器、固体传感器、智能传感器。

结构型传感器利用结构参量变化来感受和转化信号；固体传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，利用某些材料的特殊性质来完成物理特性测试并转化。

智能传感器目前还未有统一的科学定义，IEEE协会从最小化传感器结构的角度，将能提供受控量或待感知量大小且能典型简化其应用于网络环境的集成的传感器称为智能传感器。

相对于仅提供表征待测物理量大小的模拟电压信号的传统传感器，充分利用当代集成技术，微处理器技术等的智能传感器，其本质特征在于其集感知、信息处理与通信于一体，能提供以数字量方式传播具有一定知识级别的信息，具有自诊断、自校正、自补偿等功能。

我国传感器技术的研发：上世纪 60 年代以来我国致力于传感器的研究与开发，经过“六五”到“九五”的国家攻关，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系。

但是由于国民经济发展水平及资金的限制以及没有认清其重要性，传感器行业技术的发展速度明显比其他国家的缓慢。

目前我国传感器产品的改进与革新速度缓慢，传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，不能适应我国经济与科技的迅速发展，需要进口的传感器技术相关的产品还有很多。

我国传感器技术相对于发达国家有很大的差距，企业分散，实力不强，市场开拓不力、传感器研究方面科研投资强度偏低、科研设备落后。

因此，对传感器技术研究、开发的投人，缩短与国外同类技术的差距迫在眉睫。

建议我国传感器技术的发展向着以下几个方面发展：（1）加速开发新型敏感材料（2）研制灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器（3）向高可靠性、微型化、微功耗及无源化、智能化数字化、宽温度范围发展。

二、传感器技术国内外研究现状及发展趋势
随着微电子技术、微机械加工技术、光电科学以及当代生物科学等高新技术推动下，传感器已经从过去单一功能转变为功能多样、科技含量高的新型产品。

传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。

传感器种类繁多，功能各异。

由于同一被测量可用不同转换原理实现探测，利用同一种不过物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用不同的技术领域，故传感器有不同的分类方法。

以下主要介绍光电传感技术、生物传感技术及智能传感技术。

2.1 光电传感技术
光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。

随着光电科技的飞速发展，光电传感器已成为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，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。

光电传感器工作时，光电器件负责将光能（红外辐射、可见光及紫外辐射）信号转换为电学信号。

光电器件不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在自动控制、智能化控制等方面应用前景十分广阔。

此外，光电传感器除了对光学信号进行测量，还能够对引起光源变化的构件或其它被测量进行信息捕捉，再通过电路对转换的电学信号进行放大和输出。

在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术"航空航天"检测技术以及车辆工程等诸多领域!例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达"红外夜视装置"测量发动机燃料特性"压力变化并用于导航的光纤陀螺等!目前我国的光电式传感器在现代研究实力和影响范
围上虽不及日本和欧美一些国家，但却在研究的种类和样式上取得重大的突破，总体上可分为光电式数字转速表"光电式物位传感器"视觉传感器以及细丝类物件的在线检测!
1.2 生物传感器技术
生物传感器的原理主要由两大部分组成 :生物功能物质的分子识别部分和转换部分，前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能力；转换部分，是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变，诱发了一系列的电化学过程，而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成了生物传感器。

在国外，现代生物传感器已被详细划分为酶传感器、细胞传感器、免疫传感器、基因传感器等。

在我国，生物传感器技术还处在大规模的研究阶段。

然而，结合国内外相关技术研制的生物传感器在当前的工业、农业、环境监测及生物医学等众多领域还是有着广泛和重要的用途的。

在生物医学方面，一些有临床诊断意义的基质（如血糖、乳酸、谷氨酰胺等）可借助于生物传感器来检测。

在环境监测领域，生物传感器在测定环境污染指标BOD（即水质受有机物污染的程度）方面起到了重要的作用，为保证地区的淡水、饮用水质量，有效治理被污染水源等做出了贡献；微生物传感器用于测定空气和水中的NH3的含量和浓度，在发酵工业、整治大气污染等方面发挥功效；生物传感器还可探测除草剂含量，应用于植物学研究和整治农药污染。

在食品工业中，生物传感器用于食品鲜度、滋味和熟度的测定，在食品生产和加工过程中起到重要作用；同时，还可测定食品中的细菌和毒素含量，及时避免人们误食此类食品而危害健康。

据了解，当前集成电路检测器已经在国外食品加工厂中大范围应用，这种技术可检测出食品的变质时间。

食品保质检测配置主要由扫描仪与传感器组成，检测人员只要将扫描仪对准食品发射出无线电波讯号，就会让食品产生振动，并形成乐谱波，传送至传感器。

在机器视觉产品中，彩色机器视觉产品已经在食品检测中得以应用，主要通过食品的颜色来判断其成熟度与质量等级。

另外，无线传感器网络的应用也普及较快，国外的大型食品加工厂已经将该项技术应用到采集食品信息、保障食品安全的系统中。

通过无线传感器的网络功能，消费者可更好地了解食品加工厂生产食品、存储食品以及运输食品的全过程，让食品加工更加直观化、透明化，可有效打消消费者对食品安全问题的顾虑。

同时，在出现问题的情况下，无线传感器技术也方便监管部门及时发现问题，并做到有据可查，从源头遏制食品安全问题。

2.3 智能传感技术
智能传感器首先借助于其传感单元，感知待测量，并将之转换成相应的电信号。

该信号通过放大、滤波等调理后，经过 A/D转换，接着基于应用算法进行信号处理，获得待测量大小等相关信息。

然后，将分析结果保存起来，通过接口将它们交给现场用户或借助于通信将之告知给系统或上位机等。

由此可知，智能传感器主要完成信号感知与调理、信号处理和通信三大功能。

以下将从这三方面阐述智能传感器技术的发展现状。

1）信号感知与调理技术：智能传感器一般通过信号感知模块中的敏感元件将待测量最终转换成模拟电压信号。

目前能感知的量很多，有物体位移、速度、加速度等运动量，温度、湿度、压力等过程量，光强、波长、偏振度等光的特性量，流量、浓度、pH值等液体特性量，成分、浓度等气体特性量，葡萄糖、尿素、维生素等化学成分等。

智能传感器中的敏感元件有些如传统传感器一样单个存在的，有些借助于微机械技术、硅集成等技术以阵列方式存在，以提高测试精度与可靠性，有些将多种敏感元件以一定的方式复合分布在感知模块中以感知多种待测量。

感知模块出来的信号一般含有来自于外界的干扰，需要“净化”处理以确保测试精度。

另外，该信号一般比较小，有时甚至非常微弱，通常需要利用电桥等电路进行信号放大。

这些功能一般通过具有滤波、放大等功能的，如测试放大器等调理电路予以实现。

感知模块与调理电路有时分开放置，有时集成在一个模块上。

2）信号处理技术：就本质而言，智能传感器的信号处理主要完成“感知”、“认知”这 2个方面的功能“感知”就是通过对来自于调理电路信号的分析，获得待测物理量或待测参数、性能的大小，“认知”指智能传感器通过信号处理，获取关于其自身状态、测试状态等方面的知识。

3）通信技术：IEEE1451系列标准乃智能传感器通用通信标准，该标准支持多种现场总线、以太网等现有的各种网络技术。

IEEE1451第七部分则规定了智能传感器与目前正蓬勃兴起的物联网间的通信接口标准。

人们在这方面开展了大量工作并取得了丰硕成果。

例如: 人们研究出了一种基于IEEE1451标准的智能传感器结构，提出了即插即用web智能传感器的一种基于web服务方法，实现了一种基于CAN协议的温度智能传感器，探索出了一种智能传感器无线网络组织结构协议和一种基于Zig Bee无线通信技术的智能传感器无线接口设计方案等。

通信模块以软件硬件方式实现，它一般与智能传感器的信号处理模块集成在一起。

总之，随着计算机技术、控制技术、数字信号处理技术的发展，以智能传感器为节点构成的智能传感网络是重要发展方向，在多功能、高精度的复杂分布式测控系统中将显示出其强大的生命力并起着非常重要的基础作用。

智能传感器的通信技术将会随着总线技术、网络技术、通信技术的发展而不断丰富#发展"随着微机械加
工技术、微电子加工技术的发展，市场将推动智能传感器向着集成化、微型化方向快速发展。

三、传感器技术发展中面临的挑战
传感器技术是利用现代科技来获取所需要的信息和信息量，以此来代替人类的感觉器官。

传感器技术的发展不断更新着人们的观念，也为社会生产和生活的进步提供了新的思路，然而，在传感器技术的发展中仍存在着一些问题亟待解决。

3.1 通信能力有限
当前无论是生产还是生活中应用的传感器大多是基于 Zig-Bee 协议，这些传感器的通信距离虽然在理论上支持无限扩展，然而在实践中受到周围环境的干扰，并不能完全达到标准的通信距离。

因此，如何应对复杂的地形，多变的天气，以及无处不在的电磁干扰，保证网络通信的可靠性，仍是传感器面临的一大挑战。

3.2 电源能量有限
传感器在工作中通常靠干电池或可充电电池提供电源，而这种电源的能量十分有限，严重影响着传感器的民用化应用。

因此，针对
传感器电源的研究也正在被研究者们日益重视。

主要包括两个方面，一方面是研究传感器在网络工作中的节能技术；另一方面是选择可长时间供电的新型能源。

3.3 计算能力有限
嵌入式处理器以及存储器满足了传感器微型化设计的需要，且具有信息和数据处理的能力，虽然它们有一定信息处理的能力，但是数据经过 A/D 转换后，只经过少许处理就输出出去，很容易产生大量的数据，而有些数据是不需要的。

因此，尽可能地提高传感器的数据处理能力，并能够进行协作分布式信息处理是当前研究的另一难点。

3.4 传感器数量大、范围广难维护
在未来的传感器应用中，很多都不是依靠单一的个体工作，而是由许多传感器组成的系统，系统中的传感器不仅数量巨大，且其分布具有广泛性，传感器组成的网络系统维护难度就显得异常突出。

管理数目庞大的传感器系统，需要可靠的软硬件网络，同时传感器网络必须具备可重构性及自调整性，这也是需要研究的另一重点。

四、小结
传感器技术是现代科技中极具发展潜力的一项应用，通过对当前新型传感器技术的应用现状分析，提出了传感器技术在未来发展中的难题和挑战。

当前我国在传感器的研发已经具备一定的规模和应用实力，在今后的研发中应重点关注基础性产品，在攻克传感器制造工艺技术的前提下，对产品的可靠性进行深入化分析，实
现传感器技术的研究与应用平衡发展。

总之，综合分析来看，传感器技术的发展空间可以向着多功能、高精度、集成化和智能化进行开拓。

此外，还可以开发新材料、新工艺和开发新型传感器。

还能通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化。

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