傳感器技術(shù)的發(fā)展及社會(huì)影響.doc

傳感器技術(shù)的發(fā)展及社會(huì)影響1傳感器技術(shù)發(fā)展歷史從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開始，人們開始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。而真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國(guó)人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，20世紀(jì)中期相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。在那時(shí)，與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比，傳感技術(shù)的發(fā)展都落后于它們，不少先進(jìn)的成果仍停留在實(shí)驗(yàn)研究階段， 并沒有投入到實(shí)際生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用中，轉(zhuǎn)化率比較低。在國(guó)外，傳感器技術(shù)主要是在各國(guó)不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的， 并在早期多用于國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的科研研發(fā)以及各國(guó)軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。然而，隨著各國(guó)機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國(guó)家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國(guó)際市場(chǎng)中逐步占有了重要的份額。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，經(jīng)過從“六五”到“九五”的國(guó)家攻關(guān)，在傳感器研究開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、可靠性改進(jìn)等方面獲得長(zhǎng)足的進(jìn)步，初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系，并在數(shù)控機(jī)床攻關(guān)中取得了一批可喜的、為世界矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。 但從總體上講，它還不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，我國(guó)不少傳感器、信號(hào)處理和識(shí)別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時(shí)，我國(guó)傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)尚未形成，產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢，生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。2傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如今在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的背景下，傳感器的技術(shù)主要依賴于MEMS傳感器、硅集成電路的設(shè)計(jì)、制造與裝配技術(shù)，在常規(guī)傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上新增技術(shù)表現(xiàn)在傳感信號(hào)數(shù)字化、智能化和通信技術(shù)。2.1 傳感信號(hào)數(shù)字化首先建立傳感器對(duì)被測(cè)物理量的響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以及信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)的期望響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后用電路實(shí)現(xiàn)這些數(shù)學(xué)模型。盡管上述模型很好，但是這些模型只能近似等于實(shí)際電路的響應(yīng)。如果能以數(shù)學(xué)形式表示系統(tǒng)中盡可能多的部分，那么模型就更接近于實(shí)際響應(yīng)。這是因?yàn)椋瑪?shù)字不會(huì)隨時(shí)間而改變，并且也可準(zhǔn)確地和輕松地處理它們。事實(shí)上，這種數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的原則已經(jīng)確立并得到廣泛應(yīng)用，DSP就是利用數(shù)學(xué)而不是電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的。利用DSP可以很容易地實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，如通過濾波去除不想要的噪聲或者通過頻率映射來識(shí)別特定的信號(hào)分量。正因?yàn)樯鲜鲈?，如今的設(shè)計(jì)中都包含一級(jí)信號(hào)調(diào)理電路，它負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這一步被稱作模數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱A/D轉(zhuǎn)換。這一步極為關(guān)鍵。因?yàn)橐坏鞲衅餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，那么就能通過微處理器中的軟件來完成信息處理。通常所說的模數(shù)轉(zhuǎn)換器其實(shí)就是一枚單片的半導(dǎo)體器件，它能夠準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作于變化的環(huán)境中。2.2 智能化將傳感器信號(hào)數(shù)字化后，主要有兩種途徑來處理這些數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)算法定義的功能。第一種是采用專用的數(shù)字硬件電路，通過硬件連接實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的算法；另一種則是采用微處理器完成運(yùn)算。一般來說，專用硬件比微處理器系統(tǒng)的速度更快，但是其成本較高并且缺乏靈活性。當(dāng)不需要專用硬件那么高的運(yùn)算速度時(shí)，由于微處理器適用的場(chǎng)合更廣泛，因此具有更好的設(shè)計(jì)靈活性，并且可能成本更低。一旦系統(tǒng)具有了智能，就能解決很多問題。例如，可以自動(dòng)完成標(biāo)定，也可以通過純數(shù)學(xué)的處理算法消除器件漂移，甚至還能通過定期監(jiān)控環(huán)境條件并自動(dòng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來補(bǔ)償環(huán)境變化。2.3 通信技術(shù)20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，即第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)逐步具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線等總線技術(shù)與控制器相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，即第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì)末開始，多功能智能化傳感器節(jié)點(diǎn)被運(yùn)用，并采用無線技術(shù)連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器的輸出信號(hào)是數(shù)字的，因此能夠可靠地實(shí)現(xiàn)共享傳感器輸出信號(hào)的系統(tǒng)的規(guī)模。因此，現(xiàn)代傳感器通常帶有標(biāo)準(zhǔn)通信接口，能與其他部件交換信息。通過標(biāo)準(zhǔn)通信方式，就能保證盡可能廣泛、簡(jiǎn)便和可靠地共享傳感器輸出信號(hào)，從而最大限度地發(fā)揮傳感器及其產(chǎn)生的信息的作用。（1）有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有1-Wire總線、I2C總線、SPI總線、Micro-Wire總線、USB總線、CAN總線等總線技術(shù)，以及RS-422、RS-485、IEEE1451、以太網(wǎng)等。（2）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前在WSN的無線通信方面可以采用的主要有ZigBee、藍(lán)牙、WiFi和紅外等技術(shù)。其中，紅外技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和操作相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低廉，但紅外光線直線傳輸、易受遮擋，可移動(dòng)性差，只支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距連接，無法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；藍(lán)牙技術(shù)是工作在2.4GHz頻段的無線技術(shù)，目前在計(jì)算機(jī)外設(shè)方面應(yīng)用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復(fù)雜、開發(fā)成本高、節(jié)點(diǎn)功耗大等缺點(diǎn)，從而限制了其在工業(yè)方面的進(jìn)一步推廣；WiFi技術(shù)的通信速率為11Mbps，通信距離為50100m，適合于多媒體的應(yīng)用，但其本身實(shí)現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，從而在WSN中應(yīng)用較少；ZigBee技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在WSN中有著廣泛的應(yīng)用前景。3傳感器技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)近年來，隨著技術(shù)研發(fā)的持續(xù)深入，成本的下降，性能和可靠性的提升，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和高端裝備制造快速發(fā)展的推動(dòng)下，傳感器的典型應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展迅速。隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)、微電子等領(lǐng)域前沿技術(shù)的突破以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求，四大領(lǐng)域可能成為傳感器技術(shù)未來發(fā)展的重點(diǎn)。3.1 可穿戴式應(yīng)用據(jù)美國(guó)ABI調(diào)查公司預(yù)測(cè)，2017年可穿戴式傳感器的數(shù)量將會(huì)達(dá)到1.6億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設(shè)備是最受關(guān)注的硬件創(chuàng)新。谷歌眼鏡內(nèi)置多達(dá)10余種的傳感器，包括陀螺儀、加速度傳感器、磁傳感器、線性加速度傳感器等，實(shí)現(xiàn)了一些傳統(tǒng)終端無法實(shí)現(xiàn)的功能，如使用者僅需眨一眨眼鏡就可完成拍照。當(dāng)前，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域正從外置的手表、眼鏡、鞋子等向更廣闊的領(lǐng)域擴(kuò)展，如電子皮膚等。日前，東京大學(xué)開發(fā)出一種可以貼在皮膚上的柔性可穿戴式傳感器。該傳感器為薄膜狀，單位面積重量只有3g/m2，是普通紙張的1/27左右，厚度也只有2微米。咕咚手環(huán)Geak WatchGoogle Glass秘密意念貓耳朵Golf Sense手套Elliott Fight拳擊手套Sensoria智能襪Talking Shoe圖1 各種形式的可穿戴設(shè)備圖2 電子皮膚根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IMS預(yù)測(cè)，2011-2016年可穿戴設(shè)備市場(chǎng)復(fù)合年增長(zhǎng)率為53.7%，到2016年市場(chǎng)規(guī)模將超過60億美元，出貨量超過1.71億件?？纱┐髟O(shè)備的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：以血糖、血壓和心率監(jiān)測(cè)為代表的醫(yī)療領(lǐng)域，以運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)為代表的保健領(lǐng)域，以信息娛樂為代表的消費(fèi)領(lǐng)域，以數(shù)據(jù)采集和顯示為代表的工業(yè)和軍事領(lǐng)域。IMS研究指出，保健和醫(yī)療領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備占據(jù)今年60%市場(chǎng)份額，未來的份額可能會(huì)進(jìn)一步提升。3.2 無人駕駛美國(guó)HIS公司指出，推進(jìn)無人駕駛發(fā)展的傳感器技術(shù)應(yīng)用正在加快突破。在該領(lǐng)域，谷歌公司的無人駕駛車輛項(xiàng)目開發(fā)取得了重要成果，通過車內(nèi)安裝的照相機(jī)、雷達(dá)傳感器和激光測(cè)距儀，以每秒20次的間隔，生產(chǎn)汽車周邊區(qū)域的實(shí)時(shí)路況信息，并利用人工智能軟件進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)相關(guān)路況未來動(dòng)向，同時(shí)結(jié)合谷歌地圖來進(jìn)行道路導(dǎo)航。谷歌無人駕駛汽車已經(jīng)在內(nèi)華達(dá)、佛羅里達(dá)和加利福尼亞州獲得上路行使權(quán)。奧迪、奔馳、寶馬和福特等全球汽車巨頭均已展開無人駕駛技術(shù)研發(fā)，有的車型已接近量產(chǎn)。3.3 醫(yī)護(hù)和健康監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)外眾多醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)，包括國(guó)際著名的醫(yī)療行業(yè)巨頭在傳感器技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域方面已取得重要進(jìn)展。如羅姆公司目前正在開發(fā)一種使用近紅外光（NIR）的圖像傳感器，其原理是照射近紅外光LED后，使用專用攝像元件拍攝反射光，通過改變近紅外光的波長(zhǎng)獲取圖像，然后通過圖像處理使血管等更加鮮明地呈現(xiàn)出來。一些研究機(jī)構(gòu)在能夠嵌入或吞入體內(nèi)的材料制造傳感器方面已取得進(jìn)展。如美國(guó)佐治亞理工學(xué)院正在開發(fā)具備壓力傳感器和無線通信電路等的體內(nèi)嵌入式傳感器，該器件由導(dǎo)電金屬和絕緣薄膜構(gòu)成，能夠根據(jù)構(gòu)成的共振電路的頻率變化檢測(cè)出壓力的變化，發(fā)揮完作用之后就會(huì)溶解于體液中。圖3 智慧醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)概念圖3.4 工業(yè)控制GE公司在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：突破智慧與機(jī)器的界限報(bào)告中提出，通過傳感器將人機(jī)連接并結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)分析，可以突破物理和材料科學(xué)的限制，并將改變世界的運(yùn)行方式。報(bào)告同時(shí)指出，美國(guó)通過部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，各行業(yè)可實(shí)現(xiàn)1%的效率提升，15年內(nèi)能源行業(yè)將節(jié)省1%的燃料（約660億美元）。2013年1月，GE在紐約一家電池生產(chǎn)企業(yè)共安裝了1萬多個(gè)傳感器，用于監(jiān)測(cè)生產(chǎn)時(shí)的溫度、能源消耗和氣壓等數(shù)據(jù)，而工廠的管理人員可以通過iPad獲取這些數(shù)據(jù)從而對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督。此外，荷蘭殼牌、富士電機(jī)等跨國(guó)公司也都在該領(lǐng)域采取了行動(dòng)。目前，世界工業(yè)已進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代。4傳感器技術(shù)對(duì)社會(huì)生活的影響傳感器是獲取自燃和生活領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段?，F(xiàn)在傳感器的發(fā)展也越來越快，應(yīng)用普及的程度也越來越高，小到家用電器大到航