传感器的目前现状与发展趋势综述
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浅析传感器技术在机电一体化中的应用摘要:文章概述传感器研究现状与发展,探讨传感器在机电一体化系统中的应用,并分析我国传感器技术发展的若干问题及发展方向。
关键词:传感器技术;机电一体化;应用在机电一体化系统中,传感器处系统之首,其作用相当于系统感受器官,能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境考验,是机电一体化系统达到高水平的保证。
如缺少这些传感器对系统状态和对信息精确而可靠的自动检测,系统的信息处理、控制决策等功能就无法谈及和实现。
一、传感器的研究现状与发展传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境状态,为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。
随着人类探知领域和空间的拓展,电子信息种类日益繁多,信息传递速度日益加快,信息处理能力日益增强,相应的信息采集——传感技术也将日益发展,传感器也将无所不在。
从20世纪80年代起,逐步在世界范围内掀起一股“传感器热”,各先进工业国都极为重视传感技术和传感器研究、开发和生产。
传感技术已成为重要的现代科技领域,传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。
二、传感器在机电一体化系统中的应用传感器是左右机电一体化系统(或产品)发展的重要技术之一,广泛应用于各种自动化产品之中:1.机器人用传感器。
工业机器人之所以能够准确操作,是因为它能够通过各种传感器来准确感知自身、操作对象及作业环境的状态,包括:其自身状态信息的获取通过内部传感器(位置、位移、速度、加速度等)来完成,操作对象与外部环境的感知通过外部传感器来实现,这个过程非常重要,足以为机器人控制提供反馈信息。
2.机械加工过程的传感检测技术。
(1)切削过程和机床运行过程的传感技术。
切削过程传感检测的目的在于优化切削过程的生产率、制造成本或(金属)材料的切除率等。
切削过程传感检测的目标有切削过程的切削力及其变化、切削过程颤震、刀具与工件的接触和切削时切屑的状态及切削过程辨识等,而最重要的传感参数有切削力、切削过程振动、切削过程声发射、切削过程电机的功率等。
无线传感器网络应用技术综述摘要:传感器被越来越多地布置到实际的网络环境中,用于实现某些应用。
无线传感器网络已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一,引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
通过总结相关方面的工作,综述在不同领域中无线传感器网络的实际应用,并对具体应用的一些重要特性进行分析,在此基础上提出若干值得继续研究的方面。
关键词:无线传感器;网络应用一、无线传感器网络简介随着微机电系统的迅速发展,片上系统SoC(System on Chip)得以实现,一块小小的芯片可以传递逻辑指令,感知现实世界,乃至做出反应。
无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network),这一由大量具有片上微处理能力的微型传感器节点组成的网络,引起了工业界和学术界众多研究者的关注。
传统的传感器网络通常由两种节点:传感器节点(sensor)和接收器节点(sink)组成。
传感器节点负责对事件的感知和数据包的传输;接收器节点则是数据传输的目标节点,一般具有人机交互界面,并可以接入其它类型的网络体系。
传感器网络以其低成本、低功耗的特点,在军事、环境监测、医疗健康等领域都有着广泛的应用。
在本文中,对大量现有无线传感器和无线传感器网络的应用进行分析,从节点移动性、节点互联方式、网络数据规模、网络分层结构等方面进行分析和比较。
并在此基础上,提出若干值得继续研究的方面,为挖掘传感器网络新的应用打下基础。
二、无线传感器网络的特点目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、ad hoc网络等,与这些网络相比,无线传感器网络具有以下特点:(1)硬件资源有限。
节点由于受价格、体积和功耗的限制,其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中,协议层次不能太复杂。
(2)电源容量有限。
网络节点由电池供电,电池的容量一般不是很大。
任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
(3)自组织。
气体传感器技术的发展和应用现状分析一、引言随着科技的不断发展,气体传感器技术已经被广泛应用于不同的领域,如环境监测、工业安全等。
本文将从气体传感器技术的发展历程、传感器的类别以及应用现状等方面进行分析,以期为相关领域的研究者和实践者提供一定的参考价值。
二、气体传感器技术的发展历程自上世纪60年代,传感器技术开始进入人们的视野以来,气体传感器技术也开始逐渐得到发展。
最初的气体传感器使用了半导体材料和金属氧化物等物质来检测气体的存在。
随着气体传感器技术的不断发展,现在市场上已经有了敏感元件采用谷氨酸盐、聚合物、纳米材料等高新技术。
三、气体传感器的类别气体传感器主要包括电化学传感器、光学传感器、半导体传感器以及热电传感器等。
其中,电化学传感器是目前使用最广泛的气体传感器之一。
电化学传感器的感受层通常是一种电化学材料,如金属或半导体氧化物等。
当被检测气体与电极表面接触时,就会发生氧化还原反应,从而产生电流信号。
光学传感器则是将被检测气体中的光学信号(如荧光、吸收等)与气体浓度联系起来,从而确定气体浓度的一种方法。
半导体传感器则是使用半导体材料来感测气体,当气体通过半导体敏感层时,就会影响半导体的电学性质,从而产生电信号。
四、气体传感器的应用现状1. 环境监测方面:气体传感器广泛应用于空气质量监测和室内空气监测。
例如,在社交媒体上,人们常发“PM2.5”照片,这就是拍摄室外空气污染物检测器的数据。
室内空气质量也同样重要,快速检测TVOC等空气污染物对健康检测、厨房燃气泄露检测等都有很大的帮助。
2. 工业安全方面:在石油、煤炭、化工等行业,气体传感器被广泛应用于监测可燃气体浓度,以保障工人的安全。
同时,气体传感器也被应用于汽车尾气排放监测、食品贮藏环境中乙烯和二氧化碳等气体的检测等领域。
3. 运动健康方面:随着智能手环、手表等智能可穿戴设备的逐渐兴起,气体传感器也被应用于这些设备中。
例如,在户外运动过程中,氧气含量的变化对身体健康有很大的影响。
生物传感器的研究进展综述一、本文概述生物传感器作为一种集成了生物识别元件和信号转换器的设备,其在生物、医学、环境、食品安全等领域的应用日益广泛。
本文旨在综述生物传感器的研究进展,包括其基本原理、分类、应用领域以及存在的挑战和未来的发展趋势。
我们将重点关注近年来在生物传感器领域的创新技术和研究成果,以期为读者提供一个全面而深入的理解。
我们将简要介绍生物传感器的基本原理,包括其工作机制和主要构成部分。
接着,我们将根据生物识别元件的不同,对生物传感器进行分类,并详细讨论各类生物传感器的特点和应用领域。
在此基础上,我们将重点分析近年来在生物传感器研究方面的主要进展,包括新材料、新技术和新方法的开发和应用。
我们还将探讨生物传感器在实际应用中所面临的挑战,如灵敏度、特异性、稳定性和寿命等问题,并就此提出可能的解决方案。
我们将展望生物传感器未来的发展趋势,预测其在未来可能的应用领域和发展方向。
通过本文的综述,我们希望能够为研究者提供一个关于生物传感器研究进展的全面视角,为其未来的研究和开发提供有益的参考。
二、生物传感器的基本原理与技术生物传感器是一种利用生物分子识别元件与物理或化学换能器相结合,对生物物质进行高选择性、高灵敏度检测的新型分析装置。
其基本原理是将生物分子识别过程(如酶促反应、抗原抗体反应、核酸杂交等)与信号转换器(如电化学电极、光学器件、压电晶体等)相结合,通过生物识别元件与待测物之间的特异性相互作用,将生物化学反应产生的信息转化为可检测的电信号、光信号或其他形式的信号,从而实现对待测物的定性或定量分析。
生物传感器的核心技术包括生物识别元件的制备与固定化技术、信号转换与处理技术,以及传感器的微型化与集成化技术。
生物识别元件的制备是实现生物传感器特异性与灵敏度的关键,常见的生物识别元件包括酶、抗体、核酸适配体、细胞和组织等。
信号转换与处理技术是生物传感器将生物识别信号转化为可测量电信号的核心,常见的信号转换方式有电化学转换、光学转换、热学转换等。
当前传感器技术的应用与发展【摘要】传感器技术是当前科技的现代信息技术前沿技术之一,传感器技术水平高低作为一个国家科技发展水平高低的重要标志。
传感器产业技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点,本文对常见传感器技术进行了说明,展望了传感器技术未来发展趋势。
【关键词】传感器技术光纤红外一、引言传感器是对被测对象的某一信息具有响应与检出功能,按照一定规律转换成输出信号的装置。
传感器是研究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。
传感器技术是当前前沿技术,同计算机技术和通信技术共同被称为信息技术的三大支柱,现代传感器技术具有巨大的应用空间,其具有巨大发展前景。
二、传感器概述传感器是指将被测量转化为定量认识的信号的传感器,其感受被测量,并按规律转化为输出信号的装置。
传感器由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成。
传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。
被测量有一般有两种形式,一种是稳定的,称为静态信号。
另一种是随着时间变化的,称为动态信号。
传感器的基本特性用静态特性和动态特性来描述,衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。
影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素,如温度传感器的热惯性等,动态特性还与传感器输入量的变化形式有关[1]。
三、传感器技术历史传感器技术是二十世纪中期出现的,随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展,欧美西方国家传感器研发及其相关技术产业的发展处于领先地位。
我国从二十世纪六十年代开始传感技术的研究与开发,当前在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面具备了一定能力,现初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系,并在数控机床攻关中取得了具有世界领先的成果。
但国产传感器还不能完全适应我国经济与科技的迅速发展要求。
四、传感器技术的应用(一)光纤测量技术。
温度传感器简单概述摘要温度是表征物体冷热程度的物理量。
在工农业生产和日常生活中,对温度的测量始终占据着重要的地位。
温度传感器应用范围之广,使用数量之大,也高居各类传感器之首。
且它的发展大致经历了传统的分立式温度传感器,模拟集成温度传感器/控制器,智能温度传感器这三个阶段。
目前,温度传感器正向着单片集成化、智能化、网络化和单片系统化的方向发展。
关键词温度温度传感器传感器智能化目录摘要 (I)目录 (I)1前言 (1)2 传感器的介绍 (2)2.1传感器的概念 (2)2.2传感器的分类 (2)3 温度传感器的发展阶段 (3)3.1分立式温度传感器 (3)3.2模拟集成温度传感器 (3)3.3模拟集成温度控制器 (4)3.4智能温度传感器 (4)4 温度传感器的发展趋势 (5)5 结语 (7)参考文献 (8)1 前言蔬菜的生长与温度息息相关,对于蔬菜大棚来说,最重要的一个管理因素是温度控制。
温度太低,蔬菜就会被冻死或则停止生长,所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。
如果仅靠人工控制既费时费力, 效率低,又容易发生差错,为此,在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温度自动控制系统,来监控采集大棚内各个角落的温度变化情况,以控制蔬菜大棚温度,适应生产需要。
要时刻对蔬菜大棚的温度进行测量,就离不开温度传感器。
在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1℃。
国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5 ~0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的 DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125℃,测温精度为±0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
物联网环境中的智能传感器网络技术综述智能传感器网络技术是物联网环境中的重要组成部分,它将传统的传感器技术与无线通信技术相结合,可以实现对环境中各类数据的感知、采集和传输。
智能传感器网络技术在物联网应用领域有着广泛的应用,如智能家居、智慧城市、工业自动化等领域。
本文将对物联网环境中的智能传感器网络技术进行综述。
一、智能传感器网络技术的基本原理智能传感器网络技术通过将传感器节点互相连接,构成一个网络,实现数据的采集、处理和传输。
传感器节点通常由传感器、微处理器、无线通信模块等组成。
当传感器探测到环境中的数据变化时,通过微处理器进行数据处理,并通过无线通信模块将数据传输到上层网络中。
整个传感器网络可以由基站或网关进行集中管理和控制。
二、智能传感器网络技术的关键技术1. 传感器节点设计:智能传感器网络中的传感器节点通常需要具备低功耗、小型化、多功能等特点。
传感器节点设计涉及到传感器的选择、功耗管理、通信协议等方面的技术问题。
2. 传感器数据采集与处理:传感器节点采集到的数据通常需要进行处理,以提取有用的信息并减少数据传输量。
传感器数据处理技术包括信号处理、数据压缩、数据融合等方面的技术手段。
3. 传感器网络拓扑结构:传感器网络的拓扑结构对网络的性能有着重要的影响。
常见的拓扑结构包括星型、树型、网状等。
不同的拓扑结构适用于不同的应用场景。
4. 传感器网络路由算法:传感器网络中的节点通常需要通过多跳传输将数据传输到目的地。
传感器网络路由算法的设计可以提高网络的吞吐量、降低能耗,并保证数据的可靠传输。
5. 传感器网络安全与隐私保护:随着物联网应用的普及,传感器网络中的数据安全和隐私保护问题日益重要。
传感器网络安全技术主要包括数据加密、访问控制、身份认证等方面的技术手段。
三、智能传感器网络技术的应用领域1. 智能家居:智能传感器网络技术可以应用于智能家居系统中,实现对家居环境中温度、湿度、空气质量等参数的监测和控制。
露点温度传感器发展趋势综述聂晶,刘曦(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191)摘要:介绍了目前露点温度传感器领域的研究现状,阐述了光学式、谐振式、电学式、热学式、重量式、化学式露点温度传感器的原理及构造,指出光学式露点温度传感器测量精度极高,其中冷镜式露点仪可作为湿度计量标准;谐振式露点温度传感器具有体积小、成本低、响应时间短、灵敏度高、可靠性好的特点;电学式露点温度传感器灵敏度高、功耗小,便于实现小型化、集成化;重量法是准确度最高的湿度绝对测量方法;化学法常用来测量低湿环境下的有机混合气体。
探讨了露点温度传感器在环境监测、工业制造、医疗诊断等领域的应用情况,指出未来露点温度传感器将会向高精度、高稳定性、高响应的方向发展,且应用范围将进一步拓展,以满足极端环境下的测量需求。
关键词:湿度测量;露点温度传感器;湿度传感器中图分类号:TB94;TP212 文献标志码:A 文章编号:1674-5795(2024)01-0043-17Review of the development trends of dew point temperature sensorsNIE Jing, LIU Xi(School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China) Abstract: Introducing the current research status in the field of dew‐point temperature sensors, and expounding the principles and structures of optical, resonant, electrical, thermal, weight and chemical dew‐point temperature sensors. It is pointed out that the optical dew point temperature sensor has high measurement accuracy, and the cold mirror dew point sensor can be used as the humidity measurement standard. The resonant dew point temperature sensor has the characteris‐tics of small size, low cost, short response time, high sensitivity and good reliability. The electrical dew point temperature sensor has high sensitivity and low power consumption, which is convenient for miniaturization and integration. Gravimetric method is the most accurate absolute humidity measurement method and the basis for establishing humidity benchmark. Chemical methods are often used to measure organic gas mixtures in low humidity. The application of dew point tempera‐ture sensor in environmental monitoring, industrial manufacturing, medical diagnosis and other fields is discussed. It is pointed out that dew point temperature sensors will develop towards high precision, high stability and high response in the future, and their application range will be further expanded to meet the measurement needs in extreme environments.Key words: humidity measurement; dew point temperature sensor; humidity sensor0 引言湿度表示大气中水汽含量的多少,即大气的干、湿程度。
传感器论文1 微型化(Micro)为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致,对于传感器性能指标(包括精确性、可靠性、灵敏性等)的要求越来越严格;与此同时,传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程,因此还要求传感器必须配有标准的输出模式;而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求,所以它们已逐步被各种不同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、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。
1.1 由计算机辅助设计(CAD)技术和微机电系统(MEMS)技术引发的传感器微型化目前,几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD)的模拟式工程化设计转变,从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统,这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。
对于微机电系统(MEMS)的研究工作始于20世纪60年代,其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科,是一个极具前景的新兴研究领域。
MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合,期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。
经过几十年的发展,尤其最近十多年的研究与发展,MEMS技术已经显示出了巨大的生命力,此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。
在当前技术水平下,微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构,从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件,象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件[1],[2]。
目前,这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。
1.2 微型传感器应用现状就当前技术发展现状来看,微型传感器已经对大量不同应用领域,如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响;目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、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、离子浓度及生物分子浓度等 2 智能化(Smart)智能化传感器(Smart Sensor)是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。
传感器的目前现状与发展趋势吴伟 1106032008 材控2班摘要:传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。
传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术,也是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。
传感器技术所涉及的知识领域非常广泛,其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。
本文首先介绍了传感器的基本知识和传感器技术的发展历史。
之后,综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究状况。
最后,展望了现代传感器技术的发展和应用前景。
关键词:传感器技术;传感器;研究现状;趋势引言当今社会的发展,是信息化社会的发展。
在信息时代,人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。
而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段,是现代科学的中枢神经系统。
它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。
如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”,把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”,那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。
传感器技术是现代科技的前沿技术,发展迅猛,同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱,许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。
现代传感器技术具有巨大的应用潜力,拥有广泛的开发空间,发展前景十分广阔。
1 传感器的基本知识1.1 传感器的定义和组成广义地说,传感器是指将被测量转化为可感知或定量认识的信号的传感器。
从狭义方面讲,感受被测量,并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。
传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成,其中敏感元件和转换元件可能合二为一,而有的传感器不需要辅助电源。
1.2 传感器技术的基本特性在测试过程中,要求传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。
被测量有两种形式:一种是稳定的,称为静态信号;一种是随着时间变化的,称为动态信号。
由于输入量的状态不同,传感器的输入特性也不同,因此,传感器的基本特性一般用静态特性和动态特性来描述。
衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。
影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素,如温度传感器的热惯性等,动态特性还与传感器输入量的变化形式有关。
2 传感器技术的发展历史与回顾传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。
在那时,与计算机技术和数字控制技术相比,传感技术的发展都落后于它们,不少先进的成果仍停留在实验研究阶段,并没有投入到实际生产与广泛应用中,转化率比较低。
在国外,传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的,并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。
然而,随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展,以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。
我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发,经过从“六五”到“九五”的国家攻关,在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步,初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系,并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。
但从总体上讲,它还不能适应我国经济与科技的迅速发展,我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。
同时,我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成,产品的改进与革新速度慢,生产与应用系统的创新与改进少。
3 传感器技术的研究现状21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段。
其中,光电信息学与生物学的迅猛发展已成为这一时期科学技术发展的重要标志,并最有机会寻求更大的突破与飞跃。
传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科,在人类迈向新世纪,步入信息化社会的关键阶段想要寻求空前迅速的发展,很大程度上取决于传感器在这两个前沿领域中的深入研究与广泛应用。
在国外,光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。
例如,军事上,国外激光制导技术迅猛发展,使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高;美国在航空航天领域,研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器,使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度;国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥;同时,国外现有汽车中常装载有新型光电传感器,如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。
在国内,传感器行业发展迅速,传感器市场近些年一直持续增长,势头良好,主要应用于工业制造、汽车产品、电子通讯和专用设备,其中工业制造和汽车产品达到市场份额的三分之一。
传感器给我国的迅速发展带来了无限商机,西门子、霍尼韦尔、凯乐、横河等传感器大企业纷纷进入我国市场,这为我国工业设备制造商和汽车制造业等传感器最终消费者带来了很大便利,但也对国内传感器行业施加了很大压力。
国内传感器产品存在的主要问题是:品种少,质量较差;制造工艺技术相对落后;生产企业不掌握先进的核心制造技术;高性能传感器的科研成果转化率较低。
4 现代传感器技术的发展趋势和应用前景对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出,随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟,传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重视。
当今传感器技术的研究与发展,特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展,已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。
由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性,所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的不稳定,从而给其实际应用造成较大影响。
这就要求我们针对传感器的工作原理和结构,在不同场合对传感器规定相应的基本要求,以最大程度优化其性能参数与指标,如高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度等。
同时,根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要求,现代传感器技术的发展趋势可以从四个方面分析与概括:一是开发新材料的开发与应用;二是实现传感器集成化、多功能化及智能化;三是实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化;四是通过传感器与其它学科的交叉整合,实现无线网络化。
4.1 新材料的开发、应用材料是传感器技术的重要基础和前提,是传感器技术升级的重要支撑,因而传感器技术的发展必然要求加大新材料的研制力度。
事实上由于材料科学的不断发展,传感器材料的不断得到更新,品种不断得到丰富,目前除传统的半导体材料、陶瓷材料、光导材料、超导材料以外,新型的纳米材料的诞生有利于传感器向微型方向发展,随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。
半导体材料在敏感技术中占有较大的技术优势,半导体传感器不仅灵敏度高、响应速度快、体积小、质量轻,且便于实现集成化,在今后的一个时期,仍占有主要地位。
以一定化学成分组成、经过成型及烧结的功能陶瓷材料,其最大的特点是耐热性,在敏感技术发展中具有很大的潜力。
此外,采用功能金属、功能有机聚合物、非晶态材料、固体材料、薄膜材料等,都可进一步提高传感器的产品质量及降低生产成本。
4.2 传感器的集成化、多功能化及智能化传感器的集成化分为传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。
前者是在同一芯片上,或将众多同一类型的单个传感器件集成为一维线型、二维阵列(面)型传感器,使传感器的检测参数由点到面到体多维图像化,甚至能加上时序,变单参数检测为多参数检测;后者是将传感器与调理、补偿等电路集成一体化,使传感器由单一的信号变换功能,扩展为兼有放大、运算、干扰补偿等多功能—实现了横向和纵向的多功能。
如日本丰田研究所开发出同时检测Na+、K+ 和H+ 等多种离子的传感器。
这种传感器的芯片尺寸为2.5mm×0.5mm,仅用一滴液体,如一滴血液,即可同时快速检测出其中Na+、K+和H+的浓度,对医院临床非常方便实用。
目前集成化传感主要使用硅材料,它可以制作电路,又可制作磁敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件。
在制作敏感元件时要采用单硅的各向同性和各向异性腐蚀、等离子刻蚀、离子注入等工艺,利用微机械加工技术在单晶硅上加工出各种弹性元件。
当今,发达国家正在把传感器与电路集成在一起进行研究。
智能化传感器是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。
此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视,尤其在探测器应用领域,如分布式实时探测、网络探测和多信号探测方面一直颇受欢迎,产生的影响较大。
智能化传感器是指那些装有微处理器的,不但能够执行信息处理和信息存储,而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。
这一类传感器就相当于是微型机与传感器的综合体一样,其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。
与传统的传感器相比,智能化传感器具有以下优点:1)智能化传感器不但能够对信息进行处理、分析和调节,能够对所测的数值及其误差进行补偿,而且还能够进行逻辑思考和结论判断,能够借助于一览表对非线性信号进行线性化处理,借助于软件滤波器滤波数字信号。
2)智能化传感器具有自诊断和自校准功能,可以用来检测工作环境。
3)智能化传感器能够完成多传感器多参数混合测量,从而进一步拓宽了其探测与应用领域,而微处理器的介入使得智能化传感器能够更加方便地对多种信号进行实时处理。
4)智能化传感器既能够很方便地实时处理所探测到的大量数据,也可以根据需要将它们存储起来。
5)智能化传感器备有一个数字式通信接口,通过此接口可以直接与其所属计算机进行通信联络和交换信息。
智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。
可以预见,新兴的智能化传感器将会在关系到全人类国民生的各个领域发挥越来越大作用。
4.3 传感器微小型化为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致,对于传感器性能指标的要求越来越严格;与此同时,传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程,因此还要求传感器必须配有标准的输出模式;而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求,所以它们已逐步被各种不同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、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。