淺談傳感器的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢
加入技術(shù)交流群
(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(gòu)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，它們無論何時都工作在同一種條件下，所以很容易對系統(tǒng)誤差進(jìn)行補償和校正。
(3) 借助于同一個傳感器的不同效應(yīng)可以獲得不同的信息。以線圈為例，它所表現(xiàn)出來的電容和電感是各不相同的。
(4) 在不同的激勵條件下，同一個敏感元件將表現(xiàn)出來不同的特征。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多功能傳感器的特征可想而知將會是多么的千差萬別！有時候簡直就相當(dāng)于是若干個不同的傳感器一樣，其多功能特征可謂名副其實。
4.2 多功能傳感器的研制與應(yīng)用現(xiàn)狀
多功能傳感器無疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個全新的研究方向，日前有許多學(xué)者正在積極從事于該領(lǐng)域的研究工作。如將某些類型的傳感器進(jìn)行適當(dāng)組合而使之成為新的傳感器，如用來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探測多種信號，微型數(shù)字式三端口傳感器可以同時采用熱敏元件、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(shù)字信號。
從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，最熱門的研究領(lǐng)域也許是各種類型的仿生傳感器了，而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新研究成果問世。從實用的角度考慮，多功能傳感器中應(yīng)用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器，譬如人造皮膚觸覺傳感器就是其中之一，這種傳感器系統(tǒng)由PVDF材料、無觸點皮膚敏感系統(tǒng)以及具有壓力敏感傳導(dǎo)功能的橡膠觸覺傳感器等組成。據(jù)悉，美國MERRITT公司研制開發(fā)的無觸點皮膚敏感系統(tǒng)獲得了較大的成功，其無觸點超聲波傳感器、紅外輻射引導(dǎo)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(yīng)用甚廣。
與其它方面的研究成果相比，目前在人工嗅覺方面的研究還似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)不盡人意。由于嗅覺元件接收到的判別信號是非常復(fù)雜的，其中總是混合著成千上萬種化學(xué)物質(zhì)，這就使得嗅覺系統(tǒng)處理起這些信號來異常錯綜復(fù)雜。
人工嗅覺傳感系統(tǒng)的典型產(chǎn)品是功能各異的Electronic nose(電子鼻)，近10多年來，該技術(shù)的發(fā)展很快，目前已有數(shù)種商品化的產(chǎn)品在國際市場流通，美、法、德、英等國家均有比較先進(jìn)的電子鼻產(chǎn)品問世。
“電子鼻”系統(tǒng)通常由一個交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)組成，并配以恰當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)，具有識別簡單和復(fù)雜氣味的能力，主要用來解決一般情況下的氣味探測問題。根據(jù)應(yīng)用對象的不同，“電子鼻”系統(tǒng)傳感器陣列中傳感器的構(gòu)成材料及配置數(shù)量亦有所不同，其中，構(gòu)成材料包括金屬氧化物半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物、石英晶振等，配置數(shù)量則從幾個到數(shù)十個不等?？傊半娮颖恰毕到y(tǒng)是氣體傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)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)過氣體傳感器陣列進(jìn)入到“電子鼻”系統(tǒng)的信號預(yù)處理元件中，最后由陣列響應(yīng)模式來確定其所測氣體的特征。陣列響應(yīng)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傳感系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)主要由傳感器陣列和數(shù)據(jù)分析算法兩部分組成，其基本技術(shù)是將若干個獨特的薄膜式碳-黑聚合物復(fù)合材料化學(xué)電阻器配置成一個傳感器陣列，然后采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值的辦法來識別未知分析物。據(jù)稱，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(hù)、化學(xué)品分析與鑒定、疾病診斷與醫(yī)藥分析以及工業(yè)生產(chǎn)過程控制與消費品的監(jiān)控與管理等。
5 無線網(wǎng)絡(luò)化(wireless networked)
無線網(wǎng)絡(luò)對我們來說并不陌生，比如手機，無線上網(wǎng)，電視機。傳感器對我們來說也不陌生，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(jié)合在起來，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)這個概念，卻是近幾年才發(fā)生的事情。
這個網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分就是一個個可愛的傳感器節(jié)點。說它們可愛，是因為它們的體積都非常小巧。這些節(jié)點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，每一個節(jié)點都是一個可以進(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(zhuǎn)化成為數(shù)字信號，進(jìn)行編碼，然后通過節(jié)點與節(jié)點之間自行建立的無線網(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(dāng)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(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現(xiàn)代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng)SOC(system-on-chip)芯片設(shè)計技術(shù)、納米材料與技術(shù)、現(xiàn)代信息通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合，以實現(xiàn)其微型化、集成化、多功能化及系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，特別是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的超低功耗系統(tǒng)設(shè)計。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和巨大實用價值，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 年以來公認(rèn)的新興前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，被認(rèn)為是將對二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
5.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點問題和關(guān)鍵技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)用為目標(biāo)，其構(gòu)建是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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層次的話，將會包括基礎(chǔ)層(傳感器集合)、網(wǎng)絡(luò)層(通信網(wǎng)絡(luò))、中間件層、數(shù)據(jù)處理和管理層以及應(yīng)用開發(fā)層。
其中，基礎(chǔ)層以研究新型傳感器和傳感系統(tǒng)為核心，包括應(yīng)用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應(yīng)速度、動態(tài)范圍、準(zhǔn)確度、穩(wěn)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(yīng)用研究
傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。已有和潛在的傳感器應(yīng)用領(lǐng)域包括:軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測等等。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(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，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”。以下簡要介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些應(yīng)用。
(1) 軍事應(yīng)用
傳感器網(wǎng)絡(luò)研究最早起源于軍事領(lǐng)域，實驗系統(tǒng)有海洋聲納監(jiān)測的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)，也有監(jiān)測地面物體的小型傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通過飛機撒播、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(dá)的觀察區(qū)域如敵方陣地內(nèi)，收集到有用的微觀數(shù)據(jù);在一部分傳感器因為遭破壞等原因失效時，傳感器網(wǎng)絡(luò)作為整傳感器網(wǎng)絡(luò)體仍能完成觀察任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的上述特點使得它具有重大軍事價值，可以應(yīng)用于如下一些場景中:
●監(jiān)測人員、裝備等情況以及單兵系統(tǒng):通過在人員、裝備上附帶各種傳感器，可以讓各級指揮員比較準(zhǔn)確、及時地掌握己方的保存狀態(tài)。通過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(biāo)和進(jìn)攻路線提供依據(jù);
●監(jiān)測敵軍進(jìn)攻:在敵軍駐地和可能的進(jìn)攻路線上部署大量傳感器，從而及時發(fā)現(xiàn)敵軍的進(jìn)攻行動、爭取寶貴的應(yīng)對時間。并可根據(jù)戰(zhàn)況快速調(diào)整和部署新的傳感器網(wǎng)絡(luò);
●評估戰(zhàn)果:在進(jìn)攻前后，在攻擊目標(biāo)附近部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而收集目標(biāo)被破壞程度的數(shù)據(jù);
●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(xiàn)己方陣地上的生、化污染，提供快速反應(yīng)時間從而減少損失。不派人員就可以獲取一些核、生、化
評論