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摘要
在科学技术高速发展的现代社会中人类已经入瞬息万变的信息时代人们
在日常生活生产过程中主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输来实
现制动控制自动调节目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。
由于微电子技术光电半导体技术光导纤维技术以及光栅技术的发展使得光
电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精
度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点在自动检测技术
中得到了广泛应用它一种是以光电效应为理论基础由光电材料构成的器件。
伴随着城市人口和建设规模的扩大各种用电设备的增多用电量越来越大城
市的供电设备经常超负荷运转用电环境变得越来越恶劣对电源的 考验 越来
越严重。据统计每天用电设备都要遭受120次左右各种的电源问题的侵扰
电子设备故障的60%来自电源.因此电源问题的重要性日益凸显出来。原先作
为配角资金投入较少的电源越来越受到厂商和研究人员的重视电源技术遂发
展成为一门崭新的技术。
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zui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。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。
2.1 智能化传感器的特点
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。如智能化压力传感器主传感器为压力传感器用来探测压
力参数辅助传感器通常为温度传感器和环境压力传感器。采用这种技术时可以
方便地调节和校正由于温度的变化而导致的测量误差而环境压力传感器测量工
作环境的压力变化并对测定结果进行校正而硬件系统除了能够对传感器的弱输
出信号进行放大、处理和存储外还执行与计算机之间的通信联络。
通常情况下一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量其信号调节是
由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的但智能化传感器却能够实现
所有的功能而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。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。此外还能够
利用软件实现非线性补偿或其它更复杂的环境补偿以改进测量精度。
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。当工
作环境临近其极限条件时它将发出告警信号并根据其分析器的输入信号给出
相关的诊断信息。当智能化传感器由于某些内部故障而不能正常工作时它能够
借助其内部检测链路找出异常现象或出了故障的部件。
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。此外其灵活的配置功能既能够使相同类型的传感器实现zui佳
的工作性能也能够使它们适合于各不相同的工作环境。
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。存储大量信息的目的主要是以备事后查询这一类信息
包括设备的历史信息以及有关探测分析结果的索引等
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。此外智能化传感器的信息管理程序也非常简
单方便譬如可以对探测系统进行远距离控制或者在锁定方式下工作也可以
将所测的数据发送给远程用户等。
2.2 智能化传感器的发展与应用现状
目前智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期具有代表意义的典型产品是
美国霍尼韦尔公司的ST-3000系列智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度
传感器以及另外一些含有微处理器MCU的单片集成压力传感器、具有多
维检测能力的智能传感器和固体图像传感器SSIS等。与此同时基于模糊
理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研究和发展中的
重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。
指出的一点是目前的智能化传感器系统本身尽管全都是数字式的但其通
信协议却仍需借助于420 mA的标准模拟信号来实现。一些国际性标准化研究
机构目前正在积极研究推出相关的通用现场总线数字信号传输标准不过在眼
下过渡阶段仍大多采用远距离总线寻址传感器HART协议即Highway
Addressable Remote Transducer。这是一种适用于智能化传感器的通信协议
与目前使用420mA模拟信号的系统完全兼容模拟信号和数字信号可以同时
进行通信从而使不同生产厂家的产品具有通用性。
能化传感器多用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量如美
国霍尼韦尔公司的ST3000系列全智能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度
传感器就属于这一类传感器。另外智能化传感器在空间技术研究领域亦有比较
成功的应用实例[6]。
发展中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。
3 多功能传感器Multifunction
如前所述通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量但在许多应用
领域中为了能够而准确地反映客观事物和环境往往需要同时测量大量的
物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼
备的新一代探测系统它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其
各不相同的表征方式用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随
着传感器技术和微机技术的飞速发展目前已经可以生产出来将若干种敏感元件
综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。
3.1 多功能传感器的执行规则和结构模式
概括来讲多功能传感器系统主要的执行规则和结构模式包括
1 多功能传感器系统由若干种各不相同的敏感元件组成可以用来同时
测量多种参数。譬如可以将一个温度探测器和一个湿度探测器配置在一起即
将热敏元件和湿敏元件分别配置在同一个传感器承载体上制造成一种新的传感
器这样这种新的传感器就能够同时测量温度和湿度。
2 将若干种不同的敏感元件精巧地制作在单独的一块硅片中从而构成
一种高度综合化和小型化的多功能传感器。由于这些敏感元件是被综装在同一块
硅片中的它们无论何时都工作在同一种条件下所以很容易对系统误差进行补
偿和校正。
3借助于同一个传感器的不同效应可以获得不同的信息。以线圈为例
它所表现出来的电容和电感是各不相同的。
4在不同的激励条件下同一个敏感元件将表现出来不同的特征。而在
电压、电流或温度等激励条件均不相同的情况下由若干种敏感元件组成的一个
多功能传感器的特征可想而知将会是多么的千差万别有时候简直就相当于是若
干个不同的传感器一样其多功能特征可谓名副其实。
3.2 多功能传感器的研制与应用现状
多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向日前有许
多学者正在积极从事于该领域的研究工作。如将某些类型的传感器进行适当组合
而使之成为新的传感器如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。又如
为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号微型数字式三端口传
感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件这种组配方式的传感器不但
能够输出模拟信号而且还能够输出频率信号和数字信号.
从目前的发展现状来看zui热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器
了而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有zui新研究成果问世。从实用的角
度考虑多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器譬如人造
皮肤触觉传感器就是其中之一这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏
感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。据悉美国
MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功其无触点超
声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器
等在美国本土应用甚广。
与其它方面的研究成果相比目前在人工嗅觉方面的研究还似乎远远不尽人
意。由于嗅觉元件接收到的判别信号是非常复杂的其中总是混合着成千上万种
化学物质这就使得嗅觉系统处理起这些信号来异常错综复杂。
人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的Electronic nose电子鼻近
10多年来该技术的发展很快目前已有数种商品化的产品在国际市场流通
美、法、德、英等国家均有比较先进的电子鼻产品问世。
电子鼻 系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技
术组成并配以恰当的模式识别系统具有识别简单和复杂气味的能力主要用
来解决一般情况下的气味探测问题。根据应用对象的不同 电子鼻 系统传感器
阵列中传感器的构成材料及配置数量亦有所不同其中构成材料包括金属氧化
物半导体、导电聚合物、石英晶振等配置数量则从几个到数十个不等。总之
电子鼻 系统是气体传感器技术和信息处理技术进行有效结合的高科技产物其
气体传感器的体积很小功耗也很低能够方便地捕获并处理气味信号。气流经
过气体传感器阵列进入到 电子鼻 系统的信号预处理元件中zui后由阵列响应模
式来确定其所测气体的特征。阵列响应模式采用关联法、zui小二乘法、群集法以
及主要元素分析法等方法对所测气体进行定性和定量鉴别。美国
Cyranosciences公司生产的Cyranose 320电子鼻是目前技术较为先进、适用范
围也比较广的嗅觉传感系统之一该系统主要由传感器阵列和数据分析算法两部
分组成其基本技术是将若干个独特的薄膜式碳-黑聚合物复合材料化学电阻器
配置成一个传感器阵列然后采用标准的数据分析技术通过分析由此传感器阵
列所收集到的输出值的办法来识别未知分析物。据称Cyranose 320电子鼻的
适用范围包括食品与饮料的生产与保鲜、环境保护、化学品分析与鉴定、疾病诊
断与医药分析以及工业生产过程控制与消费品的监控与管理等。
4 无线网络化wireless networked
无线网络对我们来说并不陌生比如手机无线上网电视机。传感器对我
们来说也不陌生比如温度传感器、压力传感器还有比较新颖的气味传感器。
但是把二者结合在起来提出无线传感器网络Wireless Sensor Networks
这个概念却是近几年才发生的事情。
这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。说它们可爱是因
为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的
增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是每一个节点都是一个可以进行快速运算
的微型计算机它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号进行编码然后
通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器
4.1 传感器网络
传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热
点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信
技术、分布式信息处理技术等能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监
测、感知和采集各种环境或监测对象的信息通过嵌入式系统对信息进行处理
并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。
从而真正实现 无处不在的计算 理念。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SOCsystem-on-chip
芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、计算机网络技术等融合
以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化特别是实现传感器网络
特有的超低功耗系统设计。传感器网络具有十分广阔的应用前景在军事国防、
工农业、城市管理、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和巨大实用价值已经引起了世界许多国家
军界、学术界和工业界的高度重视并成为进入2000 年以来公认的新兴前沿热
点研究领域被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。
4.2 传感器网络研究热点问题和关键技术
传感器网络以应用为目标其构建是一个庞大的系统工程涉及到的研究工
作和需要解决的问题在每一个层面上都很多。对无线传感器网络系统结构及界面
接口技术的研究意义重大。如果我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的
话将会包括基础层传感器集合、网络层通信网络、中间件层、数据处
理和管理层以及应用开发层。
其中基础层以研究新型传感器和传感系统为核心包括应用新的传感原理、
使用新的材料以及采用新的结构设计等以降低能耗、提高敏感性、选择性、响
应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力。
4.3 传感器网络的应用研究
传感器网络有着巨大的应用前景被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的
技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括军事侦察、环境监测、医疗、建
筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善
各种传感器网络将遍布我们生活环境从而真正实现 无处不在的计算 。以下简
要介绍传感器网络的一些应用。
1军事应用
传感器网络也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中通过
飞机撒播、特种**发射等手段可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不
便于到达的观察区域如敌方阵地内收集到有用的微观数据在一部分传感器因
为遭破坏等原因失效时传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。传
感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值可以应用于如下一些场景中
▉监测人员、装备等情况以及单兵系统通过在人员、装备上附带各种传感
器可以让各级指挥员比较准确、及时地掌握己方的保存状态。通过在敌方阵地
部署各种传感器可以了解敌方武器部署情况为己方确定进攻目标和进攻路线
提供依据。
▉监测敌军进攻在敌军驻地和可能的进攻路线上部署大量传感器从而及
时发现敌军的进攻行动、争取宝贵的应对时间。并可根据战况快速调整和部署新
的传感器网络。
▉评估战果在进攻前后在攻击目标附近部署传感器网络从而收集目标
被破坏程度的数据。
▉核能、生物、化学攻击的侦察借助于传感器网络可以及早发现己方阵地
上的生、化污染提供快速反应时间从而减少损失。不派人员就可以获取一些核、
生、化爆炸现场的详细数据。
2环境应用
应用于环境监测的传感器网络一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电
池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置可以观察到微观的环境因
素为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已
经有很多的实例。这些应用实例包括对海岛鸟类生活规律的观测气象现象的
观测和天气预报森林火警生物群落的微观观测等
▉洪灾的预警通过在水坝、山区中关键地点合理地布置一些水压、土壤湿
度等传感器可以在洪灾到来之前发布预警信息从而及时排除险情或者减少损
失。
▉农田管理通过在农田部署一定密度的空气温度、土壤湿度、土壤肥料含
量、光照强度、风速等传感器可以更好地对农田管理微观调控促进农作物生
长。
3家庭应用
建筑及城市管理各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内获取室内环境
参数从而为居室环境控制和危险报警提供依据。
▉ 智能家居通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传
感器感知居室不同部分的微观状况从而对空调、门窗以及其他家电进行自动
控制提供给人们智能、舒适的居住环境[16]。
▉建筑安全通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、
辐射等传感器发现异常事件及时报警自动启动应急措施。
▉智能交通通过布置于道路上的速度、识别传感器监测交通流量等信息
为出行者提供信息服务发现违章能及时报警和记录[17]。反恐和公共安全通过
特殊用途的传感器特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息zui大限
度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。
（4）结论
环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值在未来还将在许多新兴领域体现其
优越性如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见将来无线传感器网
络将无处不在将完全融入我们的生活。比如微型传感器网zui终可能将家用电器、
个人电脑和其他日常用品同互联网相连实现远距离跟踪家庭采用无线传感器
网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞
大的网络其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是
我们还应该清楚的认识到无线传感器网络才刚刚开始发展它的技术、应用都
还还远谈不上成熟国内企业应该抓住商机加大投入力度推动整个行业的发
展。
无线传感器网络是新兴的通信应用网络其应用可以涉及到人类生活和社会
活动的所有领域。因此无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的
网络需要各种技术支撑。目前成熟的通信技术都可能经过适当的改进和进一
步发展应用到无线传感器网络中形成新的市场增长点创造无线通信的新天
地。
5电流传感器
5.1电流传感器的工作原理
1、传感器供电电流
电流传感器可以测量各种类型的电流从直流电到
几十千赫兹的交流电其所依据的工作原理主要是霍尔效应原理。本文下面多
以以零磁通闭环产品原理为例
当原边导线经过电流传感器时原边电流IP会产生磁力线原边磁力线集中在
磁芯气隙周围内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的大
小仅为几毫伏的感应电压通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电
流IS并存在以下关系式 IS* NS= IP*NP
其中IS 副边电流
IP 原边电流
NP 原边线圈匝数
NS 副边线圈匝数
NP/NS 匝数比一般取NP=1。
电流传感器的输出信号是副边电流IS它与输入信号原边电流IP成正比
IS一般很小只有10~400mA。如果输出电流经过测量电阻RM则可以得到一
个与原边电流成正比的大小为几伏的电压输出信号。
2、传感器供电电压VA
VA指电流传感器的供电电压它必须在传感器所规定的范围内。超过此范围
传感器不能正常工作或可靠性降低另外传感器的供电电压VA又分为正极供
电电压VA+和负极供电电压VA-。要注意单相供电的传感器其供电电压VAmin
是双相供电电压VAmin的2倍所以其测量范围要相供高于双电的传感器。
3、测量范围Ipmax
测量范围指电流传感器可测量的zui大电流值测量范围一般高于标准额定值
5.2电流传感器主要特性参数
1、标准额定值IPN和额定输出电流ISNIPN指电流传感器所能测试的标准额定
值用有效值表示A.r.m.sIPN的大小与传感器产品的型号有关。 ISN指电
流传感器额定输出电流一般为10~400mA当然根据某些型号具体可能会有所
不同。
2、 偏移电流ISO
偏移电流也叫残余电流或剩余电流它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大
器工作状态不稳造成的。电流传感器在生产时在25℃IP=0时的情况下偏
移电流已调至zui小但传感器在离开生产线时都会产生一定大小的偏移电流。
产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。
3、 线性度
线性度决定了传感器输出信号副边电流IS与输入信号原边电流IP在测
量范围内成正比的程度南京中旭电子科技有限公司的电流传感器线性度要优于
0.5%。
4、 温度漂移
偏移电流ISO是在25℃时计算出来的当霍尔电极周边环境温度变化时ISO
会产生变化。因此考虑偏移电流ISO的zui大变化是很重要的其中IOT是指
电流传感器性能表中的温度漂移值。
5、 过载
电流传感器的过载能力是指发生电流过载时在测量范围之外原边电流仍会增
加而且过载电流的持续时间可能很短而过载值有可能超过传感器的允许值
过载电流值传感器一般测量不出来但不会对传感器造成损坏。
6、 精度
霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。在+25℃时传感器测量精度
与原边电流有一定影响同时评定传感器精度时还必须考虑偏移电流、线性度、
温度漂移的影响。
结语
当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化
的方向发展。今后随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的
继续向前发展未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智
能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会作为现代科
学 耳目 的传感器系统作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础必将
进一步得到社会各界的普遍关注。
微波传感器依靠微波的很多优点将广泛地用于微波通讯、卫星发送等无线
通讯和雷达、遥感、射电望远镜中。并且在一些非接触式的监测和
控制中也有很好的应用。
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