淺談傳感器的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)
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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(yīng)用能夠離得開(kāi)傳感器和信號(hào)探測(cè)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(dāng)前信息與技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，21世紀(jì)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(qiáng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)保持一致，對(duì)于傳感器性能指標(biāo)(包括精確性、可靠性、靈敏性等)的要求越來(lái)越嚴(yán)格;與此同時(shí)，傳感器系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的輸出模式;而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，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(gòu)成，具有體積小、重量輕、反應(yīng)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(xiàn)狀
目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)向基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的模擬式工程化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，從而使設(shè)計(jì)者們能夠在較短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出低成本、高性能的新型系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)手段的巨大轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬贤苿?dòng)著傳感器系統(tǒng)以更快的速度向著能夠滿足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展。
對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的研究工作始于20世紀(jì)60年代，其研究范疇涉及材料科學(xué)、機(jī)械控制、加工與封裝工藝、電子技術(shù)以及傳感器和執(zhí)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(jī)械加工與封裝技術(shù)的巧妙結(jié)合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強(qiáng)大的新型系統(tǒng)。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(xiàng)技術(shù)的有效采用將信息系統(tǒng)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(dāng)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(jié)構(gòu)，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(cè)器這樣的以硅為主要構(gòu)成材料的傳感/探測(cè)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(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域中。由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(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(yīng)用現(xiàn)狀
就當(dāng)前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，微型傳感器已經(jīng)對(duì)大量不同應(yīng)用領(lǐng)域，如航空、遠(yuǎn)距離探測(cè)、醫(yī)療及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(cè)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(yīng)力、應(yīng)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(jì)80年代末出現(xiàn)的另外一種涉及多種學(xué)科的新型傳感器系統(tǒng)。此類(lèi)傳感器系統(tǒng)一經(jīng)問(wèn)世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測(cè)器應(yīng)用領(lǐng)域，如分布式實(shí)時(shí)探測(cè)、網(wǎng)絡(luò)探測(cè)和多信號(hào)探測(cè)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(zhí)行信息處理和信息存儲(chǔ)，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。這一類(lèi)傳感器就相當(dāng)于是微型機(jī)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(jī)的硬件設(shè)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(cè)壓力參數(shù)，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(diào)節(jié)和校正由于溫度的變化而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，而環(huán)境壓力傳感器測(cè)量工作環(huán)境的壓力變化并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行校正;而硬件系統(tǒng)除了能夠?qū)鞲衅鞯娜踺敵鲂盘?hào)進(jìn)行放大、處理和存儲(chǔ)外，還執(zhí)行與計(jì)算機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)。
通常情況下，一個(gè)通用的檢測(cè)儀器只能用來(lái)探測(cè)一種物理量，其信號(hào)調(diào)節(jié)是由那些與主探測(cè)部件相連接著的模擬電路來(lái)完成的;但智能化傳感器卻能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)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?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，能夠?qū)λ鶞y(cè)的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷，能夠借助于一覽表對(duì)非線性信號(hào)進(jìn)行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數(shù)字信號(hào)。此外，還能夠利用軟件實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償或其它更復(fù)雜的環(huán)境補(bǔ)償，以改進(jìn)測(cè)量精度。
(２) 智能化傳感器具有自診斷和自校準(zhǔn)功能，可以用來(lái)檢測(cè)工作環(huán)境。當(dāng)工作環(huán)境臨近其極限條件時(shí)，它將發(fā)出告警信號(hào)，并根據(jù)其分析器的輸入信號(hào)給出相關(guān)的診斷信息。當(dāng)智能化傳感器由于某些內(nèi)部故障而不能正常工作時(shí)，它能夠借助其內(nèi)部檢測(cè)鏈路找出異?，F(xiàn)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(shù)混合測(cè)量，從而進(jìn)一步拓寬了其探測(cè)與應(yīng)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(duì)多種信號(hào)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(xiàn)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(cè)到的大量數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)需要將它們存儲(chǔ)起來(lái)。存儲(chǔ)大量信息的目的主要是以備事后查詢，這一類(lèi)信息包括設(shè)備的歷史信息以及有關(guān)探測(cè)分析結(jié)果的索引等;
(５) 智能化傳感器備有一個(gè)數(shù)字式通信接口，通過(guò)此接口可以直接與其所屬計(jì)算機(jī)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(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制或者在鎖定方式下工作，也可以將所測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶等。
3.2 智能化傳感器的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)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(guó)霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國(guó)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(cè)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(tǒng)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(tǒng)本身盡管全都是數(shù)字式的，但其通信協(xié)議卻仍需借助于4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一些國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)化研究機(jī)構(gòu)目前正在積極研究推出相關(guān)的通用現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn);不過(guò)，在眼下過(guò)渡階段仍大多采用遠(yuǎn)距離總線尋址傳感器(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(hào)的系統(tǒng)完全兼容，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可以同時(shí)進(jìn)行通信，從而使不同生產(chǎn)廠家的產(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(cè)量，如美國(guó)霍尼韋爾公司的ST3000系列全智能變送器和德國(guó)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(yīng)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(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn)，新興的智能化傳感器將會(huì)在關(guān)系到全人類(lèi)國(guó)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(cè)一種物理量，但在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，為了能夠完美而準(zhǔn)確地反映客觀事物和環(huán)境，往往需要同時(shí)測(cè)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?zhèn)涞男乱淮綔y(cè)系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨(dú)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種傳感器的功能。隨著傳感器技術(shù)和微機(jī)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(dú)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(zhí)行規(guī)則和結(jié)構(gòu)模式
概括來(lái)講，多功能傳感器系統(tǒng)主要的執(zhí)行規(guī)則和結(jié)構(gòu)模式包括:
(1) 多功能傳感器系統(tǒng)由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來(lái)同時(shí)測(cè)量多種參數(shù)。譬如，可以將一個(gè)溫度探測(cè)器和一個(gè)濕度探測(cè)器配置在一起(即將熱敏元件和濕敏元件分別配置
評(píng)論