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2007-1-25 16:39:00转:中国工控展网供稿。

1小型化(微型)

为了与信息时代的技术发展趋势保持一致，信息时代要求获取和处理信息的能力越来越强，对传感器性能指标(包括精度、可靠性、灵敏度等)的要求也越来越高。)越来越严格；同时，传感器系统的操作友好性也被提上日程，因此也要求传感器必须配备标准输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往难以满足上述要求，因此逐渐被各种类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、响应快、灵敏度高、成本低等优点。

1.1计算机辅助设计(CAD)技术和微机电系统(MEMS)技术导致的传感器小型化。

目前，几乎所有的传感器都在从传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD)的模拟工程设计转变，这样设计者可以在短时间内设计出低成本、高性能的新系统。这种设计手段上的巨大变化极大地推动了传感器系统以更快的速度朝着能够满足科技发展需要的小型化方向发展。

对微机电系统(MEMS)的研究始于20世纪60年代，其研究范围涉及许多学科，如材料科学、机械控制、加工与封装技术、电子技术、传感器和执行器等。这是一个很有前途的新研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工和封装技术的巧妙结合，希望制造出一种体积小但功能强大的新系统。经过几十年的发展，特别是近十年的研究和发展，MEMS技术已经显示出强大的生命力。该技术的有效采用将信息系统的小型化、智能化、多功能和可靠性提高到了一个新的高度。在目前的技术水平下，微加工技术已经能够制作出不同层次的三维微结构，从而可以制作出体积非常小的微传感器敏感元件。硅制成的传感器/探测器，如有毒气体传感器、离子传感器、光电探测器等，都配有优良的敏感元件[1]，[2]。目前，这类元件已经作为微传感器的主要敏感元件广泛应用于不同的研究领域。

1.2微传感器的应用现状

就目前的技术发展而言，微传感器已经对大量不同应用领域的信号检测系统产生了深远的影响，例如航空、远程检测、医疗和工业自动化。目前已开发并投入实际使用的微传感器可用于测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度、生物分子浓度等。

2智能(Smart)

智能传感器是另一种涉及多学科的新型传感器系统，出现于20世纪80年代末。这种传感器系统一问世就受到了科研界的极大关注，特别是在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测、多信号探测等，影响很大。

2.1智能传感器的特点

智能传感器是指那些装有微处理器的传感器系统，它不仅能进行信息处理和信息存储，还能进行逻辑思维和结论判断。这种传感器相当于微型计算机和传感器的组合，其主要部件包括主传感器、辅助传感器和微型计算机的硬件设备。比如智能压力传感器，主传感器是检测压力参数的压力传感器，辅助传感器通常是温度传感器和环境压力传感器。采用该技术时，温度变化引起的测量误差可以很容易地调整和修正，环境压力传感器测量工作环境的压力变化并修正测量结果；硬件系统不仅可以对传感器的微弱输出信号进行放大、处理和存储，还可以与计算机进行通信。

通常，一台通用测试仪器只能用于检测一个物理量，其信号调整由与主检测元件相连的模拟电路完成；而智能传感器可以实现所有的功能，而且精度更高，价格更便宜，加工质量更好。与传统传感器相比，智能传感器具有以下优势:

1.智能传感器不仅能对信息进行处理、分析和调整，对测量值及其误差进行补偿，还能进行逻辑思维和结论判断。他们可以在列表的帮助下线性化非线性信号，在软件滤波器的帮助下过滤数字信号。此外，可以用软件实现非线性补偿或其他更复杂的环境补偿，以提高测量精度。

2.该智能传感器具有自诊断和自校准功能，可用于检测工作环境。当工作环境接近其极限条件时，它会发出报警信号，并根据其分析仪的输入信号给出相关的诊断信息。当智能传感器由于某些内部故障而无法正常工作时，它可以借助其内部检测环节发现异常现象或故障元件。

3.智能传感器可以完成多传感器、多参数的混合测量，从而进一步拓宽了其检测和应用领域，微处理器的介入使得智能传感器更容易实时处理各种信号。此外，其灵活的配置功能不仅可以使同类型的传感器达到最佳的工作性能，还可以使其适用于不同的工作环境。

4.智能传感器不仅可以方便地实时处理大量检测数据，还可以根据需要进行存储。存储大量信息的目的主要是为了以后查询。这类信息包括设备的历史信息和检测分析结果的指标。

5.智能传感器配有数字通信接口，通过该接口可以直接与计算机通信并交换信息。此外，智能传感器的信息管理程序也非常简单方便，例如可以远程控制检测系统或工作在锁定模式，还可以将测量的数据发送给远程用户。

2.2智能传感器的发展及应用现状

目前，智能传感器技术正处于蓬勃发展的时期。典型产品有美国Honeywell公司的ST-3000系列智能变送器和德国Stegman公司的二维加速度传感器，以及其他带微处理器(MCU)的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器(SSIS)。同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能传感器系统研发中的重要作用也越来越受到相关研究者的重视。

指出虽然目前的智能传感器系统本身是全数字化的，但其通信协议仍需借助4 ~ 20 Ma的标准模拟信号来实现。目前，一些国际标准化研究机构正在积极研究和推出相关的通用现场总线数字信号传输标准；然而，目前，在过渡阶段，它们中的大多数仍然采用长距离总线寻址传感器(HART)协议，即高速公路可寻址远程传感器。这是一种适用于智能传感器的通信协议，完全兼容目前使用4 ~ 20 mA模拟信号的系统。模拟信号和数字信号可以同时通信，从而使不同厂家的产品通用。

能量传感器主要用于测量压力、力、振动、冲击加速度、流量、温度和湿度。比如美国Honeywell公司的ST3000系列智能变送器，德国Stegman公司的二维加速度传感器就属于这类传感器。此外，智能传感器已成功应用于空间技术研究领域[6]。

在发展中，智能传感器无疑将进一步扩展到化学、电磁学、光学和核物理的研究领域。可以预见，新兴的智能传感器将在关系到全人类国民生活的各个领域发挥越来越重要的作用。

3多功能传感器(多功能)

如上所述，通常一个传感器只能用于检测一个物理量，但在很多应用领域，为了完美准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由多种敏感元件组成的多功能传感器是一种体积小、功能多的新一代检测系统。它可以借助敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其不同的表征方法，用一个传感器系统同时实现多个传感器的功能。随着传感器技术和微型计算机技术的迅速发展，现在有可能生产出一种集成多功能传感器，它将几个敏感元件集成在同一种材料或单个芯片上。

3.1多功能传感器实现规则和结构模式

一般来说，多功能传感器系统的主要实施规则和结构模式包括:

(1)多功能传感器系统由几个不同的敏感元件组成，可用于同时测量多种参数。例如，可以将温度检测器和湿度检测器配置在一起(即热敏元件和湿敏元件分别配置在同一传感器载体上)制成新的传感器，使得新的传感器可以同时测量温度和湿度。

(2)通过在单个硅芯片中精巧地制造几个不同的传感元件，形成高度集成和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件都集成在同一个硅片上，它们时刻工作在相同的条件下，因此很容易补偿和校正系统误差。

(3)同一传感器的不同作用可以获得不同的信息。以线圈为例，它的电容和电感是不同的。

(4)在不同的激励条件下，同一敏感元件会表现出不同的特性。当电压、电流或温度等激励条件不同时，由几个敏感元件组成的多功能传感器的特性可想而知大不相同！有时相当于几个不同的传感器，多功能特性名副其实。

3.2多功能传感器的发展及应用现状

多功能传感器无疑是传感器技术发展中一个全新的研究方向，近来许多学者都在积极从事这方面的研究工作。例如，一些类型的传感器被适当地组合成为新的传感器，例如用于测量流体压力和相互压力的组合传感器。再比如，为了以更高的灵敏度和更小的粒度同时检测多个信号，微型数字三端口传感器可以同时使用热传感器、光敏传感器和磁传感器；该传感器不仅可以输出模拟信号，还可以输出频率信号和数字信号。

从目前的发展情况来看，最热门的研究领域可能是各种类型的仿生传感器，在感觉、刺激、视听辨别等方面已经有了最新的研究成果。从实用的角度来看，各种类型的多功能触觉传感器得到了广泛的应用，如由PVDF材料组成的人工皮肤触觉传感器、非接触式皮肤敏感系统和具有压敏传导功能的橡胶触觉传感器。据悉，美国梅里特公司开发的非接触式皮肤敏感系统取得了巨大成功，其非接触式超声波传感器、红外辐射导向传感器、薄膜电容传感器、温度和气体传感器在美国得到广泛应用。

与其他研究成果相比，目前对人工嗅觉的研究似乎远不能令人满意。由于嗅觉元件接收到的辨别信号非常复杂，其中总是夹杂着数千种化学物质，因此嗅觉系统在处理这些信号时极其复杂。

人工嗅觉传感系统的典型产品是具有不同功能的电子鼻。在过去的10年里，这项技术发展迅速。目前，国际市场上已经流通了几种商业化的产品，美国、法国、德国、英国等国家也有先进的电子鼻产品问世。

“电子鼻”系统通常由交叉选择性气体传感器阵列和相关数据处理技术组成，并配备有适当的模式识别系统，具有识别简单和复杂气味的能力，主要用于解决一般的气味检测问题。根据应用对象的不同，“电子鼻”系统的传感器阵列的组成材料和传感器数量也不同，其中组成材料包括金属氧化物半导体、导电聚合物、应时晶体振荡器等。，传感器的数量从几个到几十个不等。总之，“电子鼻”系统是气体传感器技术和信息处理技术有效结合的高科技产品。其气体传感器体积小，功耗低，可以方便地捕捉和处理气味信号。气体流量通过气体传感器阵列进入“电子鼻”系统的信号预处理单元，最终由阵列响应模式确定被测气体的特性。阵列响应模式采用相关法、最小二乘法、聚类法和主元素分析法对被测气体进行定性和定量识别。美国Cyranosciences公司生产的Cyranose 320电子鼻是技术先进、应用范围广的嗅觉传感系统之一。该系统主要由传感器阵列和数据分析算法两部分组成。其基本技术是将几个独特的薄膜碳黑聚合物复合化学电阻配置成一个传感器阵列，然后利用标准的数据分析技术，通过分析这个传感器阵列采集的输出值来识别未知的分析物。据说Cyranose 320电子鼻的应用范围包括食品饮料生产与保鲜、环境保护、化学分析与鉴定、疾病诊断与医学分析、工业生产过程控制以及消费品的监控与管理。

4无线网络(无线网络)

无线网络对我们来说并不陌生，比如手机、无线上网、电视。传感器对我们来说并不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感器。然而，将两者结合起来提出无线传感器网络的概念却是近几年的事情。

这个网络的主要组成部分是可爱的传感器节点。它们很可爱，因为它们很小。这些节点可以感受到温度、湿度、压力和噪音。更有趣的是，每个节点都是一台微型计算机，可以进行快速运算。它们将传感器收集到的信息转换成数字信号，进行编码，然后通过节点自己建立的无线网络发送到处理能力更强的服务器。

4.1传感器网络

传感器网络是当前国际上备受关注的一个新的前沿研究热点，是多学科高度交叉的领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络和无线通信技术、分布式信息处理技术等。它可以通过各种集成的微型传感器实时监测、感知和收集各种环境或被监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并将感知到的信息通过随机自组织无线通信网络以多跳中继的方式传输到用户终端。从而真正实现“泛在计算”的概念。传感器网络的研究采用系统开发模式，需要融合现代先进的微电子技术、微加工技术、片上系统设计技术、纳米材料与技术、现代信息通信技术、计算机网络技术等。，以实现其小型化、集成化、多功能、系统化和网络化，特别是传感器网络独有的超低功耗系统设计。传感器网络具有非常广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医学、环境监测、抢险救灾、反恐和危险区域远程控制等诸多领域具有重要的科研价值和巨大的实用价值。它引起了世界许多国家军事、学术和工业界的高度重视，成为2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对21世纪产生重大影响的技术之一。

4.2传感器网络的研究热点和关键技术

传感器网络以应用为目的，其建设是一个庞大的系统工程，涉及到大量的研究工作和各个层面需要解决的问题。研究无线传感器网络的体系结构和接口技术具有重要意义。如果我们将传感器网络按照功能抽象为五层，将包括基础层(传感器集)、网络层(通信网络)、中间件层、数据处理与管理层和应用开发层。

其中，基础层重点研究新型传感器和传感系统，包括新传感原理、新材料和新结构设计的应用，以降低能耗，提高灵敏度、选择性、响应速度、动态范围、精度、稳定性和在恶劣环境条件下工作的能力。

4.3传感器网络的应用研究

传感器网络具有巨大的应用前景，被认为是将对21世纪产生重大影响的技术之一。现有的和潜在的传感器应用包括:军事侦察、环境监测、医疗、建筑监控等。随着传感器技术、无线通信技术和计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们的生活环境，从而真正实现“泛在计算”。下面简单介绍一下传感器网络的一些应用。

(1)军事应用

传感器网络的研究起源于军事领域。该实验系统包括用于海洋声纳监测的大规模传感器网络和用于监测地面物体的小规模传感器网络。在现代传感器网络的应用中，大量廉价的传感器可以密集地分布在人们不方便到达的观察区域，比如敌方阵地，通过飞机广播和特种火炮射击的方式，收集有用的微观数据。当一些传感器由于损坏等原因失效时，传感器网络作为一个整体传感器网络仍然可以完成观测任务。传感器网络的上述特点使其具有巨大的军事价值，可以应用于以下场景:

▉监控人员、装备和单兵系统:通过在人员和装备上附加各种传感器，各级指挥官可以准确及时地掌握自己的保存状态。通过在敌方阵地部署各种传感器，可以了解敌方武器的部署情况，为己方确定攻击目标和攻击路线提供依据。

▉监视敌人的攻击:在敌人的住处和可能的攻击路线上部署大量的传感器，以便及时发现敌人的攻击，争取宝贵的反应时间。并能根据战况快速调整和部署新的传感器网络。

▉评估结果:攻击前后，在目标附近部署传感器网络，以便收集目标受损程度的数据。

核、生物和化学攻击的▉侦察:在传感器网络的帮助下，可以及早发现自己位置的生物和化学污染，提供快速反应时间，从而减少损失。核、生、化爆炸现场的一些详细数据，不需要派人员就可以获得。

(2)环境应用

应用于环境监测的传感器网络一般具有部署简单、成本低、长时间不需要更换电池、不需要派人现场维护等优点。通过密集的节点布置可以观测到微环境因子，为环境研究和环境监测提供了新的途径。在环境监测领域已经有很多传感器网络研究的例子。这些应用实例包括:(1)观察岛上鸟类的生活规律；气象现象观测和天气预报；森林火灾；生物群落的显微观察等。

▉洪水预警:通过在堤坝和山区的关键位置合理布置一些水压、土壤湿度等传感器，可以在洪水到来之前发布预警信息，及时排除险情或减少损失。

▉农田管理:通过在农田中部署一定密度的气温、土壤湿度、土壤肥料含量、光照强度、风速等传感器，可以更好地对农田管理进行微观控制，促进作物生长。

(3)家庭应用

建筑和城市管理中的各种无线传感器可以灵活方便地布置在建筑物内，获取室内环境参数，为室内环境控制和危险报警提供依据。

▉智能家居:通过布置在室内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器，感知室内不同部位的微观状况，从而自动控制空调、门窗等家用电器，为人们提供智能舒适的生活环境[16]。

▉建筑安全:通过布置在建筑内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器，及时发出警报，自动启动应急措施。

▉智能交通:通过设置在道路上的速度和识别传感器，监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，发现违规行为能及时报警并记录[17]。反恐与公共安全* * *通过专用传感器，尤其是生化传感器对有害危险物质的信息进行监测，最大限度地减少对人民生命安全的危害。

(4)结论

无线传感器网络有着非常广阔的应用前景。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的应用价值，而且在未来的家居、医疗保健、交通等诸多新兴领域也将显示其优势。我们可以大胆预见，未来无线传感器网络将无处不在，将全面融入我们的生活。例如，微型传感器网络最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品连接到互联网上，实现远距离跟踪，无线传感器网络用于家庭中，负责安全监管和节电。未来无线传感器网络将是一个无处不在的庞大网络，其应用可以涉及人类日常生活和社会生产活动的各个领域。但是，我们也应该清醒地认识到，无线传感器网络刚刚开始发展，技术和应用还远未成熟。国内企业应抓住商机，加大投入，促进整个行业的发展。

无线传感器网络是一种新型的通信应用网络，其应用可以涉及人类生活和社会活动的各个领域。因此，未来的无线传感器网络将是一个无处不在的庞大网络，需要各种技术支持。目前，成熟的通信技术经过适当的改进和进一步的发展，可以应用于无线传感器网络，形成新的市场增长点，开创无线通信的新天地。

5结论

目前，该技术水平下的传感器系统正朝着小型化、智能化、多功能和网络化方向发展。未来，随着CAD技术、MEMS技术、信息论和数据分析算法的发展，未来的传感器系统将更加小型化、集成化、多功能、智能化和系统化。当今社会，各种新兴科技呈放射状广泛渗透。传感器系统作为现代科学的“眼睛和耳朵”，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将得到社会各界的进一步普遍关注。

由于微波的诸多优点，微波传感器将广泛应用于微波通信、卫星传输等无线通信，以及雷达、导弹制导、遥感和射电望远镜等领域。在一些非接触式的监测和控制中也有很好的应用。