传感器技术的发展及其在电子领域的意义

传感器技术的发展及其在电子领域的意义传感器技术的发展及其在电子领域的意义-1-目录一、传感器技术...........................................................................................................-3-二、传感器技术发展...............................................................................................-4-三、传感器技术在电子领域的意义..........................................................-6-四、未来展望.................................................................................................................-8-传感器技术的发展及其在电子领域的意义-2-传感器技术的发展及其在电子领域的意义摘要：科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。本文从传感技术发展、在电子领域的意义、未来展望等方面分析研究传感器技术。关键词：传感器、传感器技术、发展、电子领域传感器技术的发展及其在电子领域的意义-3-国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。一、传感器技术传感器技术综合了物理，化学，生物，电子微电子以及材料，紧密机械等等方面知识和技术，传感器技术是现代科技前沿技术，传感器产业也是国内外公认具有发展前途高技术产业，以技术含量高，经济效益好，渗透力强，市场前景广阔为世人瞩目，美日英发把传感器技术列为国家重点发展技术之一，世界上传感器品种达到三万种，物理，化学，生物传感器，传感器地位作用不断增加，信息技术三大支柱是计算机技术是用于信息处理，通信技术用于信息传输，传感技术主要是采集信息，实际上现在传感器已经超越了人的五官感觉，21世纪人类进入信息化时代，随着空间扩展，需要获得的信息种类日益增加，需要信息传输的速度日益加快，信息处理的能力日益增强，包括声光电等信息，要求与此相对应产业技术传统必须跟上信息化发展需要，传感器是人类探索自然信息的方法是人类认识相对对象提供条件和依据现代信息技术核心技术之一传感器是21世纪世界各国在高新技术领域争夺一个重要领域。传感器技术的发展及其在电子领域的意义-4-二、传感器技术发展科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。（一）发展历程早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。（二）应用现状虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：1、网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。2、成本问题。传感器技术的发展及其在电子领域的意义-5-在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。3、系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。4、高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。（三）发展趋势作为现代科技的前沿技术，传感器被认为是现代信息技术的三大支柱之一，更是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。当前，传感器技术的主要发展动向：一是开展基础研究、发现新现象、开发传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的集成化与智能化。1、发现新现象，开发新材料——包括半导体硅材料，以及一些化工半导体符合材料、薄膜材料等等；纳机电系统，是纳米技术，机电和纳米机构的结合，在新的传感器功能设计机理效应方面，采用MATLAB等功能等。（1）生物传感器：到目前为止，正大力研究开发的传感器大多为物理传感器，今后应积极开发研究化学传感器和生物传感器。特别是智能机器人技术的发展，需要研制各种模拟人的感觉器官的传感器，如已有的机器人力觉、触觉传感器、味觉传感器等。（2）智能传感器：具有判断能力、学习能力的传感器。事实上是一种带微处理器的传感器，它具有检测、判断和信息处理功能。从构成上看，智能式传感器是一个典型的以微处理器为核心的计算机检测系统。它一般由下图所示的几个部分构成：传感器技术的发展及其在电子领域的意义-6-图智能化传感器的构成同一般传感器相比，智能式传感器有以下几个显著特点：1精度高：由于智能式传感器具有信息处理的功能，因此通过软件不仅可以修正各种确定性系统误差(如传感器输入输出的非线性误差、温度误差、零点误差、正反行程误差等)，而且还可以适当地补偿随机误差，降低噪声，从而使传感器的精度大大提高。2稳定、可靠性好：它具有自诊断、自校准和数据存储功能，对于智能结构系统还有自适应功能。3检测与处理方便：它不仅具有一定的可编程自动化能力，可根据检测对象或条件的改变，方便地改变量程及输出数据的形式等，而且输出数据可通过串行或并行通讯线直接送入远地计算机进行处理。4功能广：不仅可以实现多传感器多参数综合测量，扩大测量与使用范围，而且可以有多种形式输出(如RS232串行输出，PIO并行输出，IEEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等)。5性能价格比高：在相同精度条件下，多功能智能式传感器与单一功能的普通传感器相比，其性能价格比高，尤其是在采用比较便宜的单片机后更为明显。2、集成化，多功能化——由单一传感器，向多功能高度集成传感器发展，主要特点是卫星化、多功能、数字化、智能化、系统和网络化，以及新兴传感器开发和应用以及成为现代传感器和系统核心和关键；机械系统核心是微机电系统，特点是卫星化、芯片支撑、微米或者纳米支撑；微电子化可以将多个传感器集合在一起，形成复杂系统。三、传感器技术在电子领域的意义传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号近来显著地增加，因而其品种也极其繁多。传感器技术的发展及其在电子领域的意义-7-为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”如下图所示：人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。可用下图表示：传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将处于一种不能适应实际需要的状态。如上图所示，如同为了很好的将体力劳动和脑力劳动进行协调一样，也要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。例如：1.方便转换频道等功能地遥控电视机，可随意改变风速地遥控电风扇。在防盗防入侵地报警装置中也装有红外传感器。传感器技术的发展及其在电子领域的意义-8-2.自动化洗衣机中装有浊度传感器，可以合理的安排漂洗次数，起到节水、节电的作用。3.全自动照相机中的光电传感器保证在不同的光线下适度曝光。4.通信电子产品方面：手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战，彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外，应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。目前，五花八门的传感器种类繁多，仅我国敏感元件与传感器的品种已超过6000余种。在许多方面传感器的性能已凌驾于人的感官之上。如紫外线、红外线、超声波等。从这个意义上讲传感器具有人类所梦寐以求的特异功能。四、未来展望传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是，我们还应该清楚的认识到，无线