以我國為主的傳感器的發展摘要:近年來，傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發展階段，正走向微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、數字化發展。無線傳感器網絡（WSN）是新興的下一代傳感器，在國防安全和國民經濟各方面均有著廣闊的應用前景。是21世紀新的經濟增長點。本文介紹了無線傳感器網絡的組成和特點，討論了無線傳感器網絡的現有應用，最后展望了無線傳感器網絡技術的應用前景關鍵字：傳感器信息化特點發展一、 傳感器概念1.1傳感器的名詞解釋傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求，它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。1.2傳感器的重要性在信息化社會，幾乎沒有任何一種科學技術的發展和應用能夠離得開傳感器和信號探測技術的支持。生活在信息時代的人們，絕大部分的日常生活與信息資源的開發、采集、傳送和處理息息相關。分析當前信息與技術發展狀態，21世紀的先進傳感器必須具備小型化、智能化、多功能化和網絡化等優良特征。為了能夠與信息時代信息量激增，要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發展趨勢保持一致，對于傳感器性能指標（包括精確性、可靠性、靈敏性等）的要求越來越嚴格；與此同時，傳感器系統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準的輸出模式；而傳統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型的高性能微型傳感器所取代；后者主要由硅材料構成，具有體積校重量輕、反應快、靈敏度高以及成本低等優點。二、 WSN的構成WSN由大量無線傳感器采用自組織方式構成（見圖1）,它借助于節點中內置的形式多樣的傳感器測量所在環境中的信號，從而探測各種需要的數據，并通過網絡傳送到需要的地方。圖1WSN的結構無線傳感器一般由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元、電源等部分組成。傳感器節點經多跳轉發，再把傳感信息送給用戶使用，系統構架包括分布式無線傳感器節點群、匯集節點、傳輸介質、Internet或衛星通信和網絡用戶端。每個節點都可充當路由器的角色，并且每個節點都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力，傳感器節點將所探測到的有用信息通過初步的數據處理和信息融合之后傳送給用戶，數據傳送的過程是通過相鄰節點接力傳送的方式傳送回基站，然后通過基站以衛星信道或者有線網絡連接的方式傳送給最終用戶IE。三、傳感器在各領域的使用新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器［頃。3.1工業生產中的應用在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優良的傳感器，現代化生產也就失去了基礎。隨著嵌入式計算功能的成本繼續減少，“智能”器件將被更多地應用。獨立的內部診斷功能可避免代價高昂的宕機，從而迅速收回投資MEMS的發展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。除MEMS外，新型傳感器的發展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術，如新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網絡化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感3.2科學研究中的應用在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F代科學技術的發展，進入許多新領域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到fm的粒子世界，縱向上要觀察長達數十萬年的天體演化，短到s的瞬間反應。此外，還出現了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁場等等⑸。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發展，往往是一些邊緣學科開發的先驅。由此可見，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。四、傳感器發展方向⑴向微型化發展：各種控制儀器設備的功能越來越大，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。⑵向高精度發展：隨著自動化生產程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產自動化的可靠性。目前能生產萬分之一以上的傳感器的廠家為數很少，其產量也遠遠不能滿足要求。⑶向高可靠性、寬溫度范圍發展：傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在-20°C?70°C，在軍用系統中要求工作溫度在-40C?85C范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器的溫度要求更高，因此發展新興材料（如陶瓷）的傳感器將很有前途［們。⑷向微功耗及無源化發展：傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現場或遠離電網的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發展方向，這樣既可以節省能源又可以提高系統壽命。目前，低功耗損的芯片發展很快，如T12702運算放大器，靜態功耗只有1.5明，而工作電壓只需2?5V［2］。⑸向智能化數字化發展：隨著現代化的發展，傳感器的功能已突破傳統的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0?10mV），而是經過微電腦處理好后的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數字傳感器。智能傳感器具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。一般智能機器人的感覺系統由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本⑶。智能傳感器必須具備通信功能，最起碼，除了滿足最基本應用的反饋信號，'智能'傳感器必須能傳輸其它信息。智能傳感器擁有很多優勢。五、國內外傳感器發發展狀況5.1國內傳感器的現狀與發展現代信息技術的三大基礎是信息采集（傳感器技術）、信息傳輸（通信技術）和信息處理（計算機技術）。傳感器屬于信息技術的前沿尖端產品，由于大規模集成技術的高速發展，計算機及通信技術已得到高速發展，并已普及到各行各業和千家萬戶，惟獨傳感器尚處于落后狀態，形成瓶頸工業。中國傳感器技術的落后狀態是歷史原因造成的，也是無可爭辯的事實。但隨著條件日趨改善，市場競爭、優勝劣汰，激發了智者能人的創新欲望，數千家傳感器生產廠家（包括民營企業）應運而生。目前，中國已初步具備躋身世界傳感技術先進水平的各種條件，騰飛之時指日可待。市場上的光電/紅外傳感器，該類傳感器的性能指標正不斷提高，已具備良好的自動調焦能力，紅外傳感器可分辨更細微的溫度差，合成孔徑雷達技術也在不斷進步，所生成的圖像變得更容易理解（像照片一樣的雷達圖像），作用距離更遠、分辨率更高，一種超光譜成像傳感器、微光成像和夜視成像傳感器將成為光電/紅外傳感器市場新需求的重點⑷。據不完全統計，我國目前的傳感技術產業現狀遠不能滿足國內市場的需要，農業及工業用傳感器多依靠進口，而汽車電子用傳感器除低檔車用一些溫度、轉速、位置、壓力傳感器是國產外，幾乎90%均為國外引進。據專家們估測，目前我國傳感器的開發與新品研制距離國際水平仍落后5?10年，而規模生產技術則落后10?15年。面對嚴峻的形勢，加速高技術含量的新型傳感器的發展，已是當前刻不容緩的任務。發展傳感器技術要以市場為導向，實行需求牽引，只有按照市場需求，不斷調整產業結構和產品結構，才能實現傳感器產業的全面、協調、持續發展。5.2多傳感器融合多傳感器數據融合技術也促進了傳感器技術的發展，它形成于20世紀80年代，它不同于一般信號處理，也不同于單個或多個傳感器的監測和測量，而是對基于多個傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上多種功能進一步集成融合，這是必然的趨勢，把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數據資源加以綜合，采用計算機技術對其進行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確實性，獲得被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統決策、規劃、反應的快速性和正確性，使系統獲得更充分的信息⑷。5.3無線傳感器的應用目前，無線傳感器技術已經發展到了可以將一部分傳感器、嵌入式MCU和無線通信收發器集成到一顆芯片的程度。美國和歐洲的一些大大小小的半導體公司已經推出這樣的芯片了。同時推出的還有溫度、濕度、光照、加速度、紅外、氣體檢測等低功耗傳感器芯片⑸。所以，目前已經可以制造出微小的無線傳感器節點硬件了。盡管還沒有形成一種能成為標準的主流協議，但作為軟件核心的無線傳感器通信協議已經出現。此外，無線傳感器技術范疇中的統一標識、操作系統、安全機制、廣域分布式數據庫和后臺服務等內容正在不斷發展完善。無線傳感器在國外已經被初步用于環境監測、工業自動化、智能家居、智能樓宇、精密農業、智能交通、物流、醫療護理、供應鏈管理、物品管理、智能導游、移動信息服務等廣泛的領域。尤其在安全防范檢測領域，無線傳感器的應用正在快速發展。無線傳感器的產業化的推進速度決定于無線傳感器應用的領域及需求，這些需求有強制性的需求、發展性需求。將無線傳感器技術應用于安全防范檢測領域即有強制性又有發展性的迫切需求。世界傳感器市場正在穩步發展中，新的應用領域也在不斷的增長。傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國競相加速新一代傳感器的開發和產業化，競爭更加激烈。中國的傳感器產業起步較晚，經過多年發展逐步到自主研發和生產制造產業化，整個行業已初具規模，并且進入到了快速發展階段。5.4無線傳感器的應用前景無線傳感器網絡有著十分廣泛的應用前景，它不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等傳統領域有具有巨大的運用價值，在未來還將在許多新興領域體現其優越性，如家用、保健、交通等領域。我們可以大膽的預見，將來無線傳感器網絡將無處不在，將完全融入我們的生活。比如微型傳感器最終可能將家用電器、個人電腦和其他日常用品同互聯網相連，實現遠距離跟蹤，家庭采用無線傳感器網絡負責安全調控、節電等。無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡，其應用可以涉及到人類日常生活和社會生產活動的所有領域。但是，我們還應該清楚的認識到，無線傳感器網絡才剛剛開始發展，它的技術、應用都還還遠談不上成熟，國內企業應該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業的發展［6.幻無線傳感器網絡是新興的通信應用網絡，其應用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領域。因此，無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡，需要各種技術支撐。目前，成熟的通信技術都可能經過適當的改進和進一步發展，應用到無線傳感器網絡中，形成新的市場增長點，創造無線通信的新天地。六、結語微波傳感器依靠微波的很多優點，將廣泛地用于微波通訊、衛星發送等無線通訊，和雷達、導彈誘導、遙感、射電望遠鏡中。并且在一些非接觸式的監測和控制中也有很好的應用。今后，隨著CAD技術、MEMS技術、信息理論及數據分析算法的繼續向前發展，未來的傳感器系統必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統化。在各種新興科學技術呈輻射狀廣泛滲透入當今社會，作為現代科學“耳目”的傳感器系統，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎，必將進一步得到社會各界的普