傳感器技術的發(fā)展及社會影響.doc

傳感器技術的發(fā)展及社會影響1傳感器技術發(fā)展歷史從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。而真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導體技術的支持下，20世紀中期相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。在那時，與計算機技術和數(shù)字控制技術相比，傳感技術的發(fā)展都落后于它們，不少先進的成果仍停留在實驗研究階段， 并沒有投入到實際生產(chǎn)與廣泛應用中，轉(zhuǎn)化率比較低。在國外，傳感器技術主要是在各國不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的， 并在早期多用于國家級項目的科研研發(fā)以及各國軍事技術、航空航天領域的試驗研究。然而，隨著各國機械工業(yè)、電子、計算機、自動化等相關信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發(fā)及其相關技術產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。我國從20世紀60年代開始傳感技術的研究與開發(fā)，經(jīng)過從“六五”到“九五”的國家攻關，在傳感器研究開發(fā)、設計、制造、可靠性改進等方面獲得長足的進步，初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應用的體系，并在數(shù)控機床攻關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，它還不能適應我國經(jīng)濟與科技的迅速發(fā)展，我國不少傳感器、信號處理和識別系統(tǒng)仍然依賴進口。同時，我國傳感技術產(chǎn)品的市場競爭力優(yōu)勢尚未形成，產(chǎn)品的改進與革新速度慢，生產(chǎn)與應用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進少。2傳感器技術發(fā)展現(xiàn)狀如今在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的背景下，傳感器的技術主要依賴于MEMS傳感器、硅集成電路的設計、制造與裝配技術，在常規(guī)傳感器技術基礎上新增技術表現(xiàn)在傳感信號數(shù)字化、智能化和通信技術。2.1 傳感信號數(shù)字化首先建立傳感器對被測物理量的響應的數(shù)學模型，以及信號調(diào)理電路對傳感器輸出信號的期望響應的數(shù)學模型，然后用電路實現(xiàn)這些數(shù)學模型。盡管上述模型很好，但是這些模型只能近似等于實際電路的響應。如果能以數(shù)學形式表示系統(tǒng)中盡可能多的部分，那么模型就更接近于實際響應。這是因為，數(shù)字不會隨時間而改變，并且也可準確地和輕松地處理它們。事實上，這種數(shù)字信號處理（DSP）的原則已經(jīng)確立并得到廣泛應用，DSP就是利用數(shù)學而不是電路對信號進行處理的。利用DSP可以很容易地實現(xiàn)標準轉(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別特定的信號分量。正因為上述原因，如今的設計中都包含一級信號調(diào)理電路，它負責將模擬信號轉(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。這一步極為關鍵。因為一旦將傳感器信號轉(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)換器其實就是一枚單片的半導體器件，它能夠準確地、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數(shù)字化后，主要有兩種途徑來處理這些數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)算法定義的功能。第一種是采用專用的數(shù)字硬件電路，通過硬件連接實現(xiàn)我們設計的算法；另一種則是采用微處理器完成運算。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。當不需要專用硬件那么高的運算速度時，由于微處理器適用的場合更廣泛，因此具有更好的設計靈活性，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，可以自動完成標定，也可以通過純數(shù)學的處理算法消除器件漂移，甚至還能通過定期監(jiān)控環(huán)境條件并自動進行適當?shù)恼{(diào)整來補償環(huán)境變化。2.3 通信技術20世紀70年代，出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點連接方式構成傳感器網(wǎng)絡，即第一代傳感器網(wǎng)絡。隨著相關學科的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡逐步具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過現(xiàn)場總線等總線技術與控制器相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡，即第二代傳感器網(wǎng)絡。20世紀末開始，多功能智能化傳感器節(jié)點被運用，并采用無線技術連接，構成無線傳感器網(wǎng)絡。由于傳感器的輸出信號是數(shù)字的，因此能夠可靠地實現(xiàn)共享傳感器輸出信號的系統(tǒng)的規(guī)模。因此，現(xiàn)代傳感器通常帶有標準通信接口，能與其他部件交換信息。通過標準通信方式，就能保證盡可能廣泛、簡便和可靠地共享傳感器輸出信號，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)絡技術有線傳感器的網(wǎng)絡技術主要有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，以及RS-422、RS-485、IEEE1451、以太網(wǎng)等。（2）無線網(wǎng)絡技術目前在WSN的無線通信方面可以采用的主要有ZigBee、藍牙、WiFi和紅外等技術。其中，紅外技術的實現(xiàn)和操作相對簡單，成本低廉，但紅外光線直線傳輸、易受遮擋，可移動性差，只支持點對點視距連接，無法靈活地構建網(wǎng)絡；藍牙技術是工作在2.4GHz頻段的無線技術，目前在計算機外設方面應用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復雜、開發(fā)成本高、節(jié)點功耗大等缺點，從而限制了其在工業(yè)方面的進一步推廣；WiFi技術的通信速率為11Mbps，通信距離為50100m，適合于多媒體的應用，但其本身實現(xiàn)成本高，功耗大，安全性能低，從而在WSN中應用較少；ZigBee技術以其經(jīng)濟、可靠、高效等優(yōu)點在WSN中有著廣泛的應用前景。3傳感器技術未來發(fā)展趨勢近年來，隨著技術研發(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)、移動互聯(lián)網(wǎng)和高端裝備制造快速發(fā)展的推動下，傳感器的典型應用市場發(fā)展迅速。隨著材料科學、納米技術、微電子等領域前沿技術的突破以及經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，四大領域可能成為傳感器技術未來發(fā)展的重點。3.1 可穿戴式應用據(jù)美國ABI調(diào)查公司預測，2017年可穿戴式傳感器的數(shù)量將會達到1.6億。以谷歌眼鏡為代表的可穿戴設備是最受關注的硬件創(chuàng)新。谷歌眼鏡內(nèi)置多達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，實現(xiàn)了一些傳統(tǒng)終端無法實現(xiàn)的功能，如使用者僅需眨一眨眼鏡就可完成拍照。當前，可穿戴設備的應用領域正從外置的手表、眼鏡、鞋子等向更廣闊的領域擴展，如電子皮膚等。日前，東京大學開發(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備圖2 電子皮膚根據(jù)市場研究機構IMS預測，2011-2016年可穿戴設備市場復合年增長率為53.7%，到2016年市場規(guī)模將超過60億美元，出貨量超過1.71億件?？纱┐髟O備的主要應用領域包括：以血糖、血壓和心率監(jiān)測為代表的醫(yī)療領域，以運動監(jiān)測為代表的保健領域，以信息娛樂為代表的消費領域，以數(shù)據(jù)采集和顯示為代表的工業(yè)和軍事領域。IMS研究指出，保健和醫(yī)療領域的可穿戴設備占據(jù)今年60%市場份額，未來的份額可能會進一步提升。3.2 無人駕駛美國HIS公司指出，推進無人駕駛發(fā)展的傳感器技術應用正在加快突破。在該領域，谷歌公司的無人駕駛車輛項目開發(fā)取得了重要成果，通過車內(nèi)安裝的照相機、雷達傳感器和激光測距儀，以每秒20次的間隔，生產(chǎn)汽車周邊區(qū)域的實時路況信息，并利用人工智能軟件進行分析，預測相關路況未來動向，同時結合谷歌地圖來進行道路導航。谷歌無人駕駛汽車已經(jīng)在內(nèi)華達、佛羅里達和加利福尼亞州獲得上路行使權。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研發(fā)，有的車型已接近量產(chǎn)。3.3 醫(yī)護和健康監(jiān)測國內(nèi)外眾多醫(yī)療研究機構，包括國際著名的醫(yī)療行業(yè)巨頭在傳感器技術應用于醫(yī)療領域方面已取得重要進展。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。一些研究機構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展。如美國佐治亞理工學院正在開發(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，該器件由導電金屬和絕緣薄膜構成，能夠根據(jù)構成的共振電路的頻率變化檢測出壓力的變化，發(fā)揮完作用之后就會溶解于體液中。圖3 智慧醫(yī)療服務系統(tǒng)概念圖3.4 工業(yè)控制GE公司在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：突破智慧與機器的界限報告中提出，通過傳感器將人機連接并結合軟件和大數(shù)據(jù)分析，可以突破物理和材料科學的限制，并將改變世界的運行方式。報告同時指出，美國通過部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，各行業(yè)可實現(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1萬多個傳感器，用于監(jiān)測生產(chǎn)時的溫度、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)從而對生產(chǎn)進行監(jiān)督。此外，荷蘭殼牌、富士電機等跨國公司也都在該領域采取了行動。目前，世界工業(yè)已進入工業(yè)4.0時代。4傳感器技術對社會生活的影響傳感器是獲取自燃和生活領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，應用普及的程度也越來越高，小到家用電器大到航