1、傳感器技術發展分析與研究薛杰（機械工程學院 2015級 制冷及低溫工程專業120150166）摘要：傳感器是信息系統的源頭，在某種程度上是決定系統特性和性能指標的關鍵部件。作為國際競爭戰略的重要標志性產業，傳感器以其技術含量高、市場前景廣闊等特點備受世界各國的關注。本文在對于現代傳感器技術深入分析的基礎之上，重點探討了光纖傳感器、無線傳感器、集成傳感器、模糊傳感器、智能傳感器等的定義、結構、功能實現以及實際應用。關鍵字：傳感器技術；發展；應用傳感器是換能器的一種，換能器（transducer)是將能量從一種形式轉換為另一種形式的裝置。換能器包括傳感器和執行器兩方面含義。傳感器是將物理、化學、生

2、物等自然科學和機械、土木、化工等工程技術中的非電信號轉換成電信號的換能器。傳感器是信息系統的源頭。在客觀對象的測量、測試、檢測、監測、分析、定位、跟蹤、導航、制導、控制及健康管理等系統中，傳感器是不可缺少的且在一定程度上是決定系統性能的重要部件。傳感器是科學和工程結合產物，既依賴于科學的新現象和新規律，又依賴于新技術和工藝。1 傳感器概述傳感器是換能器的一種，換能器（transducer)是將能量從一種形式轉換為另一種形式的裝置。換能器包括傳感器和執行器兩方面含義。傳感器與執行器系統的基本組成見下圖1所示：圖1傳感器與執行器系統的基本組成圖廣義地可以把傳感器歸結為一種能感受外界信息（力，熱、聲

3、、光、磁、氣體、化學、生物、濕度等），并按一定的規律將其轉換成易處理的電信號的裝置。根據中華人民共和國標準（GB7665-87），傳感器（Transducer/Sensor)的定義是：能感受規定的被測量并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成，其中敏感元件（sensing clement)是指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換元件（Transduction element）是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。傳感器的靜態特性指對于靜態的輸入信號，傳感器的輸入量與輸出量之間所具有的相互關系。此時的輸入信號與時間無關，輸出量與時

4、間無關，輸出與輸入之間的關系可用一個不含時間的方程來表示：傳感器的動態特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。當傳感器的輸入量隨時間變化時，其輸出量的響應特性就是動態特性。當被測量隨時間變化，是時間的函數時，則傳感器的輸出量也是時間的函數，其間的關系要用動特性來表示。一個動態特性好的傳感器，其輸出將再現輸入量的變化規律，即具有相同的時間函數。實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態誤差。2 現代傳感器技術發展傳感器產業發展不僅為物聯網提供支撐，還將在傳統產業轉移與技術升級，以及在當前經濟結構調整和轉型中發揮積極影響和

5、作用。與此同時，物聯網產業的發展也為傳感器技術提升和產業發展拓展了巨大市場空間。2.1 光纖傳感器光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的信號源，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。與傳統傳感器相比，光纖傳感器具有敏感度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好，便于與計算機和被測實物連接，結構簡單、體積小、重量輕、耗電少、適合于有毒有害、防火防爆環境及遠程分布場合應用等優點。光纖傳感器按照工作原理不同可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光

6、纖作敏感元件，基于光纖的物理效應，被測量調制光纖參數，再調制光纖中的光波參數，故也稱為傳感型或全光型光纖傳感器。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，且敏感元件參數調制光波參數，光纖只作為傳輸介質，傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，故也稱為傳光型或混合型光纖傳感器。城市建設中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應用。光纖傳感器可預埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復合材料中，用于測試應力松弛、施工應力和動荷載應力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態的結構性能。在電力系統，需要測定溫度、電流等參數，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉子內的溫度檢測等，由于電類傳感器易受

7、電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術，分布式光纖溫度傳感系統不僅具有普遍光纖傳感器的優點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續實時測量光纖沿線幾公里內各點溫度，定位精度可達米的量級，測量精度可達1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應用場合。此外，光纖傳感器還可以應用于鐵路監控、火箭推進系統以及油井檢測等方面。光纖同時具備寬帶、大容量、遠距離傳輸和可實現多參數、分布式、低能耗傳感的顯著優點。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯網中得到廣泛

8、應用。2.2 無線傳感器無線傳感器是由一系列傳感網絡節點組成的，隨應用情況不同而有所差異，網絡節點的產生由內部電源的作用下構成，一般可以劃分為傳感、處理、通信、電源四個模塊。在網絡區域中，這一系列節點的結合方式具有自組織性，通過節點間的配合、自適應形成無線通信網絡，節點以及節點間的配合得以無線儲存、處理、傳送信息，故無線傳感器體系結構如圖2所示，通過WSN體系，把用戶和監測區域聯系起來，傳感器節點充當媒介，感知、分析、傳送信號，把信息數據匯總到匯節點，然后，通過匯節點完成與總控制臺的信息交流。圖2中WSN協議棧，也是當下應用比較普遍的一種，無線傳感器的便捷性在于可以直接感知信號，通過網絡媒介發

9、到總監控，在系統中處理分析，同樣也可以完成信息的反饋，用戶得以自定義信息。圖2 無線傳感器體系結構及WSN協議棧無線傳感器網絡靈活性、適應性較強，由一系列的傳感器通過無線方式通信形成的一個自組織網絡，它的發展得益于微機電技術、通信技術的日趨成熟，通過末端傳感器感知信息，加以識別分析傳送給網絡的認證者，完成監測。它的應用性比較強，在軍事、航空、反恐、防爆、醫療等關乎國際競爭力的領域也發揮重要作用，但同時隨之而來的網絡安全問題也逐漸成為焦點。2.3 集成傳感器利用集成電路工藝(鍍膜、掩膜、腐蝕等)將半導體敏感元件及測量處理電路集成在一個芯片上的傳感器。集成傳感器的一般電路結構如圖3所示：圖3 集成

10、傳感器原理結構圖半導體敏感元件是基于半導體材料和P-N結的物理效應將被測的非電量轉換成電量。例如，熱敏、光敏、磁敏、壓敏等效應。傳感器輸出歸一化的測量信號，由儀器完成采集、處理等操作。若將儀器的采集、處理、控制與顯示等電路均集成在同一芯片上，則稱為集成儀器芯片。若將多個儀器及系統接口也集成在同一芯片上，則稱為集成測量系統芯片。集成傳感器具有體積小、重量輕、高精度、高頻響，且可做到高可靠、長壽命、低功耗、低成本，是一代新型傳感器。目前，已廣泛用于石油、化工、機械動力、氣象、地質、生物醫學及航空、航天、航海等領域。2.4 模糊傳感器模糊傳感器是基于模糊集理論和技術，將輸入的模擬或數字被測量(即傳統

11、傳感器的輸出量)轉換成模糊量的傳感器。模糊集合論認為某元素既屬于集合A又屬于集合B，由隸屬函數值判斷最終所屬的集合，而經典集合論認為某元素屬于集合A就不屬于集合B，反之亦然。模糊傳感器的原理是將被測量值范圍劃分成若干區間，利用隸屬度值判斷被測量值所處的區間，并用區間中值或相應的特定符號表示被測量值，這一過程稱為模糊化。實現模糊化過程的變換器稱為模糊器，或符號變換器。顯然，模糊區間越小精度越高，而測量速度越慢。隸屬函數的選取也影響模糊傳感器的精度和速度。常選用三角函數或高斯函數等。下圖4給出模糊傳感器功能結構。范圍劃分器提供區間端點值。模糊器計算各區間的隸屬函數值，判斷被測量值所屬的區間，并輸出

12、表示被測量值的區間中值或相應的區間符號。組合模糊判決器將多個被測量符號進行組合判決，并依模糊判據給出最終測量結果。圖4 模糊傳感器功能結構模糊傳感器廣泛應用于模糊控制和多因素綜合結果評價等場合，具有速度快，設備簡單、成本低、可靠性高等優點，基于溫濕度的環境舒適度模糊傳感器應用較為廣泛。圖5 基于溫濕度的環境舒適度模糊傳感器原理圖2.5 智能傳感器智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發宇宙飛船過程中提出來，并于1979年形成產品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面或飛船上的處理器發送溫度、位置、速度和姿態等數據信息，即便使用一臺大型計算機也很難同時處理如此龐大的數據。何況飛船又限制計算機體積和重

13、量，于是引入了分布處理的智能傳感器概念。其思想是賦于傳感器智能處理功能，以分擔中央處理器集中處理功能。同時，為了減少智能處理器數量，通常不是一個傳感器而是多個傳感器系統配備一個處理器，且該系統處理器配備網絡接口。目前，智能傳感器尚沒有標準化的科學定義。歸納諸多學者的觀點，筆者認為應模仿人的感官和大腦功能來定義智能傳感器。本質上，它應定義為基于人工智能理論，利用微處理器實現智能處理功能的傳感器。智能傳感器不僅具有視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺功能，且應具有記憶、學習、思維、推理和判斷等“大腦”能力。前者由傳統的傳感器來完成。此處的傳統傳感器的功能結構包括敏感元件、調理電路和模數轉換器(ADC)，敏

14、感元件將描述客觀對象與環境狀態或特性的物理量轉換成電路元件參量或狀態參量，調理電路將電路參量轉換成電壓信號并進行歸一化處理以滿足ADC動態范圍。智能處理器應對ADC輸出的數字信號進行智能處理，主要智能處理功能如下:1)自補償功能根據給定的傳統傳感器和環境條件的先驗知識，處理器利用數字計算方法，自動補償傳統傳感器硬件線性、非線性和漂移以及環境影響因素引起的信號失真，以最佳地恢復被測信號。計算方法用軟件實現，達到軟件補償硬件缺陷的目的。2)自計算和處理功能根據給定的間接測量和組合測量數學模型，智能處理器利用補償的數據可計算出不能直接測量的物理量數值。利用給定的統計模型可計算被測對象總體的統計特性和

15、參數。利用已知的電子數據表，處理器可重新標定傳感器特性。3)自學習與自適應功能傳感器通過對被測量樣本值學習，處理器利用近似公式和迭代算法可認知新的被測量值，即有再學習能力。同時，通過對被測量和影響量的學習，處理器利用判斷準則自適應地重構結構和重置參數。例如，自選量程，自選通道、自動觸發、自動濾波切換和自動溫度補償等。4)自診斷功能因內部和外部因素影響，傳感器性能會下降或失效，分別稱為軟、硬故障。處理器利用補償后的狀態數據，通過電子故障字典或有關算法可預測、檢測和定位故障。5)其它的常用功能包括用于數據交換通信接口功能，數字和模擬輸出功能及使用備用電源的斷電保護功能等。根據上述的功能分析，智能傳

16、感器的一般功能結構如圖6所示。圖中沒有標出影響量的傳感器功能模塊。圖6 智能傳感器的一般功能結構圖智能傳感器的實現方式有3種：1)模塊化集成方式。將敏感元件、調理電路和微處理器都做成帶標準接口的模塊，將模塊集成并配備有關的智能處理軟件。這種方式最經濟、最快速。2)單芯片集成方式。利用微電子微機械加工技術將智能傳感器的硬件集成在一個芯片上。這種方式使智能傳感器達到微型化、結構一體化，從而提高了精度、穩定性和可靠性。若敏感元件構成陣列并配備相應的圖像處理軟件，可實現二維和三維圖形圖像傳感器，這種智能傳感器達到了它的最高級形式。3)多芯片集成方式。根據需要和可能，將系統的各功能部件或模塊(如敏感、調理、處理和接口)分別集成在2個或多個芯片上，并將芯片以不同方式組合在一個基片上，并封裝在一個外殼里。多芯片集成適合更復雜系統集成，或對給定的系統可降低集成工藝設備要求。實際應用較為普遍的智能溫度傳感器結構功能見下圖7所示：圖7 智能溫度傳感器結構功能框圖結語雖然傳感器有很長的發展歷史，然而在相當長的時間里，傳感器技術在現代科學技術中處于一種從屬地位。作為信息獲取的關鍵部件傳感器技術的發展遠落后于其他信息技術，成為了現代信息技術發展的瓶頸。目前，傳感器