传感技术与传感网

传感技术及传感网

传感技术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。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、建造、测试、应用及评价改进等活动。获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统的构造第一个关键。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的。它包含了众多的高新技术、被众多的产业广泛采用。它也是现代科学技术发展的基础条件，应该受到足够地重视。

就目前的现状来看无论是国内还是国外，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。从80年代起才开始重视和投资传感技术的研究开发或列为重点攻关项目，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。我国从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。

为了发展先进制造与振兴机械工业的要求和国内外发展趋势的分析，传感技术攻关的目标是：提高传统传感技术等级、可靠性和可应用性水平，增强竞争力；积极创新系统，开发新产品，缩小差距，支持和促进我国先进制造技术的发展，振兴制造业。主要研究内容：1）传统传感技术与系统的研究开发。侧重应用量大、面广的力／力矩、功率／电流、视觉、声振、光学、振动、触针等工业用及

农业用的湿度、温度与元素等传感系统的现代化，但核心是微小型化，要解决：提高可靠性、可应用性、降低成本，形成国内外市场的竞争优势，支持我国工业、农业和服务业的发展；2）高温高压环境下传感技术系统的研究。侧重油井、输送管线和连续过程用的高压、高温和大量程传感技术系统的研究、开发和应用，缩短差距，形成生产能力，替代进口，争取出口；3）新型传感器与传感技术系统的研究。根据生产和科学研究需求发展几种有制高点意义的新品种，如：微流量与微磁场传感器、生物与化学传感分析用微芯片技术等；4）智能传感技术的研究。结合我国汽车、CNC机床和产业的重大装备更新，有目的研究开发几种智能传感技术，使之达到或接近国际先进水平；5）过程质量与设备故障监控技术研究。在工业背景支持下，研究开发过程质量缺陷与劣化倾向监控技术系统和过程中设备故障（含潜在故障实时诊断传感技术系统）。

国外传感技术发展的主要趋势：1）强调传感技术系统的系统性和传感器、处理与识别的协调发展，突破传感器同信息处理与识别技术与系统的研究、开发、生产、应用和改进分离的体制，按照信息论与系统论，应用工程的方法，同计算机技术和通讯技术协同发展。2）突出创新。国外传感技术的发展强调以下几方面的创新：利用新的理论、新的效应研究开发工程和科技发展迫切需求的多种新型传感器和传感技术系统；侧重传感器与传感技术硬件系统与元器件的微小型化。利用集成电路微小型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高。其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。这种充分利用已有微细加工技术与装置的做法已经取得巨大的效益、极大地增强了市场竞争力，例如：80年代进口一套AE传感器及其住处预处理硬件的成本已被降至原来的百分之几到千分之几，使我国经“七五”和“八五”攻关的产品化系统处于无力竞争的地位。后者采用独创的宽带高精度AE传感器和厚膜集成电路预处理硬件，但其成本仍比国外先进的产品高数倍到数十倍。在微小型化中，为世界各国注目的是纳米技术。集成化。进行硬件与软件两方面的集成，它包括：传感器阵列的集成和多功能、多传感参数的复合传感器（如：汽车用的油量、酒精检测和发动机工作性能的复合传感器）；传感系统硬件的集成，如：信息处理与传感器的集成，传感器－－处理单元－－识别单元的集成等；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。3）研究与开发特殊环境（指高温、高压、水下、腐蚀

和辐射等环境）下的传感器与传感技术系统。这类传感器及传感技术系统常常是我国缺少的一类高新传感技术和产品。4）对一般工业用途、农业和服务业用的量大面广的传感技术系统，侧重解决提高可靠性、可利用性和大幅度降低成本的问题，以适应工农业与服务业的发展，保证这种低技术产品的市场竞争力和市场份额。5）彻底改变重研究开发轻应用与改进的局面，实行需求驱动的全过程、全寿命研究开发、生产、使用和改进的系统工程。

此外，工况监视技术的现状与发展趋势也日益受到重视。工况监视主要指对机器装备故障、系统运行过程与过程质量缺陷、刀具／砂轮和工件的工况的监测与控制。提高系统的可靠性和灵敏度；侧重发展智能传感技术；强调改进和提高力／力矩、功率／电流、振动、声振（合声发射与超声及语音）、温度、光视及触针传感系统，使它们有尽可能高的可靠性、灵敏度和可应用性，以适应21世纪初工业应用的要求；强调发展信号处理战略、程序和识别技术，提高硬／软件的集成度和系统的识别速度、精度和动态特性；发展多传感器数据集成与融合的研究开发，以提高对缺陷和故障的识别精度、可靠性、降低成本，提高系统可应用性。我国的优势有：①已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势，是进一步发展的基础；②有一批先进的成果，如刀具／砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等；

③有一个量大面广的用户市场；不足之处有：①研究开发战略在系统性上的不足，如：传感器与传感系统未能统一布置，形成两套并列，相互脱节的攻关；②对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，在国内与国际市场上形不成竞争力；

③加紧特殊环境和工程项目传感技术的研究开发；④集成化、智能化和纳米技术与国外差距大

我国传感器行业已经历了50个春秋,20世纪80年代,改革开放的春风给传感器行业带来了生机与活力;90年代,在党和国家关于"大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用"的决策指引下,传感器行业进入了新的发展时期.中国传感器主要发展历程阶段："八五"以来,在国家的支持下,我国的传感器技术及其产业取得了长足进步.在学术交流方面,1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的"STC〞89首届全国敏感元件与传感器学术会议"已延续至今,每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加.目前,其论值组织机构

为:"全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会".在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下,实施的"双加工程"即:加快力度加快发展,的方针指导下,建立了我国敏感元器件与传感器生产基地：."安徽基地",主要是建立力、光敏规模经济、"陕西基地",主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济."黑龙江基地"主要建立气、湿敏规模经济.多年来,三大基地在发展过程中虽然兴衰不一,它对我国敏感元件与传感器行业的建设起到了一定的推动作用."九五"其间,通过科技攻关,传感器技术领域水平得到较大的提高.主要以工业自动控制、机电一体化、科学测试仪器|仪表|仪表为服务领域,以市场需求为导向,以提高敏感元件及传感器的技术水平、可靠性水平和产业孵化为目标,安排工程化研究、新产品、共性关键技术攻关三个层次内容.

传感网即传感网络，指的是将红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理，因而又叫“物联网”。比如，我们现在必须通过看、尝、摸、闻，才能形成关于某种食物的综合判断。但如果把这几种感知信息上传至网上，那么即使身在远方，也能随时了解到这种食物的色香味，这就是传感网技术的魅力。无线传感网络综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术、分布式智能信息处理技术等。传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技术、微细加工技术、系统芯片SOC设计技术、纳米材料技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合，以实现其小型化或微型化、集成化、多功能化、系统化、网络化，特别是实现传感网络特有的超低功耗系统设计。无线传感网络可以在长期无人值守的状态下工作，在军事国防、工农业、城市管理、智能交通、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值、巨大的实用价值和广阔的市场前景。该系统主要用于海陆空应用和其它仪器传感器。同时也是无线传感器网络领域里领先的全面解决方案提供者和智能尘埃无线传感器唯一的制造商。克尔斯博几年来一直走在为创造和开发微小的，智能的，无线传感装置和为大规模国防、环境、农业、工业监测和控制、建筑物自动控制、安全和财产跟踪搭建网状网络平台的前沿。克尔斯博的开放架构，基于TinyOS平台, 能够使高智能多用途传感装置动态的和可靠的进行自我调整，以便在任何时间，任何地点来有效地

获取和发送物理数据。这种在方式和地点上的转化使得我们能够采集获取更详细而精确的物理信息，对传感器的使用和可能采集到的数据类型产生了深远的影响。无线传感器网络协议研究，根据传感器网络自身的特点，结合应用，量身打造更合适的通信协议，软件方面的。

无线传感网络在城市交通管理系统中的应用。1、对车辆和交通状况的监测遍布于公路两侧的无线传感网络监测结点可以对车辆状况进行监测，例如监测汽车的速度、车流量等参数，并把监测结果实时的返回给交通指挥中心等相关部门，便于对交通违法行为和交通环境进行实时管理与控制，可以在一定程度上减缓城市交通拥堵状况。2、对路灯、信号灯等交通标志的监测与控制；利用无线传感器网络的无线传输和实时监测特性可以将路灯、信号灯等其它交通标志组成一个网络，对交通情况进行实时的监测和控制。如：在路灯上安装无线传感网络系统，由传感器感知光线强弱的变化，根据光强度控制路灯的开和关，有效避免路灯在天色昏暗的时候不亮或者清晨阳光充足时不熄的现象，能够极大的节约能源。同时，无线传感网络还可以将路灯的状况及时反馈给监管人员，便于对发生故障的路灯进行定位和及时修理。3、对交通环境的监测；利用安装在道路两侧的无线传感网络系统，可以实时监测路面状况、积水状况以及公路的噪音、粉尘、气体等参数，达到了道路保护、环境保护和行人健康保护的目的。道路两侧的传感器结点可以实时监测道路破损、路面不平等情况，在暴雨时可以监测路面积水情况，并将这些数据通过无线传感网络实时的发送到相关部门，便于相关部门对道路进行检修或者发布道路积水警报及进行险情排除等工作。

无线传感网络在地铁、车站、机场、码头的环境监测中的应用。1)对人流量的监测和管理无线传感网络在公共场所的监测可以有效保证人们在这些场所活动的安全。在地铁、车站、机场、码头等公共场所安装了无线传感网络监控系统，可以对旅客流量等信息进行有效的监测，相关数据能够实时的通过无线网络传递到控制室。同时，具备诸如红外测温等功能的传感器能够对疾病的发现、控制与预防起到很大的作用，确保公共场所的安全。2) 反恐监控无线传感网络对公共场所的安全监测可以担任反恐的重要任务。放置于人流量大的交通枢纽的无线传感网络系统，可以通过特殊的传感器探测环境参数，当发生火灾等事故或有人释放有毒气体时，传感器产生报警，并把数据实时发送到控制室，以便于值班人员

迅速采取措施组织人员疏散。无线传感网络在铁路监测中的应用。1)无线传感网络对铁路环境的监测安装在铁路上的无线传感网络结点可以对铁路环境进行实时监测；无线传感网络系统可以对铁路沿线的情况进行监测，当铁路上有障碍物或者有人、车等其它物体靠近铁路及在铁路上滞留时，传感器产生报警，信号通过无线传感网络传到网关结点，再通过其它方式传递到相关部门，以便于故障的及时发现和排除。2)无线传感网络对列车环境的监测安装在列车上的无线传感网络系统可以对列车情况进行监测，无线传感网络安装在列车上，可以实时监测列车的运行情况、故障情况以及车厢内环境的舒适度等参数；无线传感网络在货运和物流系统中的应用无线传感网络与RFID技术相结合，在货运和物流领域具有更广阔的市场前景。无线传感网络用在货运系统中，监视货物在运输途中的状况，例如温度、湿度、光照、振动情况等，数据被实时的发送给监测中心，以便于货物的保存和安全。无线传感网络在高速公路系统中的应用无线传感网络应用于高速公路系统，可以方便的进行车辆和路面情况的监控；线传感网络与RFID相结合，可用于高速公路收费系统，可以进行车辆靠近报警与识别，并把数据实时的反馈给收费系统。尤其无线传感网络的长传输距离突破了RFID技术的局限，可真正实现不停车收费等自动功能，节省了人工。无线传感网络在智能停车场系统中的应用无线传感网络用于智能停车场可以有效的节省人工，实现停车场的智能化管理；无线传感网络用于智能停车场，主要可以实现以下三个功能：1)安装于停车场内的传感器结点可以感知是否有车停入相应车位，并把数据通过无线传感网络反馈至中央系统，便于整个停车场自动统计空闲车位的数量和位置;2)分布于停车场内的无线传输结点可以引导车辆进入空闲车位，并随时显示它附近的车辆运行情况，可以有效避免刮蹭等事故的发生;3)无线传感网络与RFID技术相结合，可以通过传感器结点感知车辆在停车场内的停留情况及停留时间，只在出口处设立一个收费结点，即可实现不停车收费。无线传感网络在无人驾驶汽车系统中的应用，无线传感网络用于无人驾驶汽车进行监测与控制，数据传递实时、准确。

传感技术与传感网与人们的生活联系日益紧密，随着微型计算机的普及、信息处理技术的飞速发展,形成了推动获得信息的传感器技术发展的动力，广阔的市场与社会需求是传感技术发展的又一强劲推动力.