摘要：本文在介紹智能傳感器、微傳感器、多功能傳感器和多參數(shù)傳感器等倍受關(guān)注的新型傳感器原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，研究了新型傳感器在信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用，指出在信號(hào)檢測(cè)中存在的問(wèn)題，給出了未來(lái)新型傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)檢測(cè)；新型傳感器；微傳感器；智能傳感器；網(wǎng)絡(luò)化傳感器 一、前言 傳感器技術(shù)已發(fā)展成為一門新興的交叉科學(xué)。新型傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，其內(nèi)涵拓寬了許多。信息量的不斷增大、信息種類的不斷增加、信息傳輸速度的不斷提高，微弱信號(hào)的精確提取和處理，二維或三維圖像信號(hào)的獲取等都對(duì)傳感器在信號(hào)檢測(cè)方面的應(yīng)用提出了更新、更嚴(yán)格的要求。許多新型傳感器應(yīng)運(yùn)而生，例如：網(wǎng)絡(luò)化傳感器、多功能傳感器、多參數(shù)傳感器、智能傳感器、固態(tài)圖像傳感器、紫外熒光傳感器、生物傳感器、機(jī)器人傳感器、非晶態(tài)合金傳感器、微波傳感器、超導(dǎo)傳感器、液晶傳感器、射線式傳感器等，在信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。21世紀(jì)的傳感器必將朝著微型化、智能化和多功能化的方向前進(jìn)。 二、智能傳感器與信號(hào)檢測(cè) 自八十年代產(chǎn)生以來(lái)，智能傳感器一直是檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，現(xiàn)在在分布式實(shí)時(shí)檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)以及多信號(hào)檢測(cè)方面大顯身手。而光纖材料的實(shí)用化，由于其時(shí)分復(fù)用、分布傳感、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，光纖與智能傳感器的結(jié)合使智能檢測(cè)系統(tǒng)的性能大大提高。 所謂智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器，它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的所有功能，而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、自調(diào)整以及人機(jī)通訊等許多功能。它的產(chǎn)生是微型計(jì)算機(jī)和傳感器相結(jié)合的結(jié)果。 從組成上看，智能傳感器由主傳感器、輔助傳感器和微機(jī)硬件系統(tǒng)三部分構(gòu)成，以智能壓力傳感器為例，主傳感器是壓力傳感器，測(cè)量被測(cè)壓力參數(shù)，輔助傳感器是溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。溫度傳感器檢測(cè)主傳感器工作時(shí)，由于環(huán)境溫度變化或被測(cè)介質(zhì)溫度變化而使其壓力敏感元件溫度變化，以便根據(jù)其溫度變化修正與補(bǔ)償由于溫度變化對(duì)測(cè)量帶來(lái)的誤差。環(huán)境壓力傳感器則測(cè)量工作環(huán)境大氣壓變化，以修正其影響。微機(jī)硬件系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理、存儲(chǔ)和與計(jì)算機(jī)通信。 通常，一個(gè)傳統(tǒng)的檢測(cè)器件只能檢測(cè)一個(gè)物理量，其信號(hào)調(diào)節(jié)是由若干與主檢測(cè)單元連接的模擬電子電路實(shí)現(xiàn)的；而一個(gè)智能傳感器就能實(shí)現(xiàn)同樣所有這些功能，并且更加小巧、低成本和高性能。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對(duì)檢測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析、修正和誤差補(bǔ)償。智能傳感器可通過(guò)查表方式使非線性信號(hào)線性化可容易地通過(guò)用軟件研制的濾波器對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波，還能用軟件實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償或其它更復(fù)雜的環(huán)境因素補(bǔ)償，因而提高了測(cè)量準(zhǔn)確度； （2）有自診斷、自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性。智能傳感器可以檢測(cè)工作環(huán)境，并當(dāng)環(huán)境條件接近臨界極限時(shí)能給出報(bào)警信號(hào)，還能通過(guò)分析器輸入信號(hào)狀態(tài)給出診斷信息。當(dāng)智能傳感器因內(nèi)部故障不能正常工作時(shí)，通過(guò)內(nèi)部測(cè)試環(huán)節(jié)，可檢測(cè)出不正常現(xiàn)象或部分故障； （3）可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復(fù)合測(cè)量，擴(kuò)大了檢測(cè)與適用范圍。微處理器使智能傳感器很容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的運(yùn)算，其組態(tài)功能可使同一類型的傳感器工作在最佳狀態(tài)，并能在不同場(chǎng)合從事不同的工作； （4）檢測(cè)數(shù)據(jù)可以存取，使用方便。智能傳感器可以存儲(chǔ)大量的信息供查詢，包括裝置的歷史信息、目錄表、測(cè)試結(jié)果等； （5）有數(shù)字通信接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，便于信息管理，如可以對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遙控以及跟定測(cè)量工作方式，也可將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)方用戶等。 三、多功能傳感器與信號(hào)檢測(cè) 傳統(tǒng)的單一傳感器只能測(cè)量一個(gè)物理量，而在許多領(lǐng)域?yàn)榱巳鏈?zhǔn)確地反映對(duì)象及環(huán)境，常需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)物理量。多功能傳感器由數(shù)種敏感元件組成，不但體積小，而且功能強(qiáng)。根據(jù)一個(gè)敏感元件的不同物理或化學(xué)效應(yīng)及其不同的特性，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的多種功能。隨著傳感器和微加工技術(shù)的發(fā)展，人們可以在同一材料或硅片上制作幾種敏感元件，制成集成化多功能傳感器。多功能傳感器主要有以下幾種不同的實(shí)現(xiàn)原理及結(jié)構(gòu)形式： （1）幾種不同的敏感元件組合在一起形成一個(gè)傳感器，可以同時(shí)測(cè)量幾個(gè)參數(shù)。各敏感元件是獨(dú)立的。例如把測(cè)溫度和測(cè)濕度敏感元件組合在一起，可以同時(shí)測(cè)量溫度和濕度； （2）幾種不同的敏感元件制作在同一個(gè)硅片上，制成集成化多功能傳感器。這種傳感器的集成度高、體積小。由于集成在一個(gè)芯片上，各個(gè)敏感元件的工作條件相同，容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和校正，這是多功能傳感器的發(fā)展方向； （3）利用同一個(gè)敏感元件的不同效應(yīng)，得到不同的信息。如用線圈作為敏感元件，在具有不同磁導(dǎo)率或介質(zhì)常數(shù)物質(zhì)的作用下，表現(xiàn)出不同的電容和電感； （4）同一個(gè)敏感元件在不同激勵(lì)下表現(xiàn)出不同特性，例如傳感器施加不同的激勵(lì)電壓、電流，或工作在不同的溫度下，其特性不同，有時(shí)可相當(dāng)于幾個(gè)不同的傳感器。有的多功能傳感器檢測(cè)出的幾個(gè)信息混在一起，需要用信號(hào)處理的方法將各種信息進(jìn)行分離。 多功能傳感器是傳感器技術(shù)中的一個(gè)新的發(fā)展方向，許多學(xué)者正在這個(gè)領(lǐng)域積極探索。譬如，將幾種傳感器合理的組合在一起構(gòu)成新的傳感器（如由測(cè)量液壓和差壓的傳感器組成的復(fù)合傳感器）。微型三端數(shù)字傳感器就是一種采用z元件的由光敏元件、濕敏元件和磁敏元件構(gòu)成的，用于測(cè)量多種高精度和小尺寸的信號(hào)。它不僅能輸出模擬信號(hào)，還能輸出頻率信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。從模擬自然界生物的感覺(jué)入手，也已經(jīng)研制和應(yīng)用了一系列具有觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、熱覺(jué)和最新的成果—嗅覺(jué)多功能傳感器。僅在多功能觸覺(jué)傳感器方面，就已經(jīng)有利用PVDF材料制成的人工皮膚觸覺(jué)傳感器、非接觸式傳感皮膚系統(tǒng)、壓感導(dǎo)電橡膠觸覺(jué)傳感器等多功能傳感器。其中，由美國(guó)MERRITT系統(tǒng)公司研制的非接觸式傳感皮膚系統(tǒng)，采用非接觸式超聲波傳感器、紅外輻射接近傳感器、薄膜電容基金傳感器、溫度和氣體傳感器等。將多個(gè)智能傳感器插入到傳感皮膚的柔性電路中，即可滿足機(jī)器人探測(cè)物體的需要，避免不必要的接觸和碰撞。 在目前的人工感覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展中，人工嗅覺(jué)的開(kāi)發(fā)（即電子鼻），遠(yuǎn)不如其它感官那樣盡如人意。嗅覺(jué)接收的感知信號(hào)并不是單一的，通常是上百種至上千種化學(xué)物質(zhì)所組成，所以嗅覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的信號(hào)處理過(guò)程極其復(fù)雜。電子鼻采用了交叉選擇的傳感器陣列和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過(guò)組合氣體傳感器陣列和人工神經(jīng)為了解決了問(wèn)題。電子鼻是由具備部分去一性的氣敏傳感器構(gòu)成的陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別系統(tǒng)組成的，是氣敏傳感器技術(shù)與信息處理技術(shù)的有效結(jié)合。氣敏傳感器具有體積小、功耗低、便于信號(hào)的采集與處理等優(yōu)點(diǎn)。氣體或氣味經(jīng)過(guò)氣敏傳感器陣列，輸入到由電子鼻系統(tǒng)組成的信號(hào)預(yù)處理部分，完成對(duì)陣列響應(yīng)模式的預(yù)加工和特征提取。模式識(shí)別部分則運(yùn)用相關(guān)方法、最小二乘法、聚類法和主成份分析法等算法完成氣體/氣味的定性定量辨別。材料科學(xué)提供了原子、分子、超分子及仿生結(jié)構(gòu)，使得高性能的新型傳感器得以設(shè)計(jì)出來(lái);電子技術(shù)中微細(xì)結(jié)構(gòu)換能器與集成數(shù)據(jù)預(yù)處理電路系統(tǒng)使信號(hào)處理更容易;而信息理論則使電子鼻能更好地分析復(fù)雜數(shù)據(jù)，并能與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較鑒別。電子鼻具有廣闊的潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，如氣味鑒別，復(fù)雜環(huán)境中個(gè)別分子濃度的定量檢測(cè)，以及對(duì)空氣中混入的可燃?xì)怏w、有機(jī)揮發(fā)物或有毒混合物進(jìn)行全面參數(shù)測(cè)量等。 四、網(wǎng)絡(luò)化傳感器 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了將自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和它們相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)試，是信息時(shí)代測(cè)試的必然趨勢(shì)。在測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器是信息采集必不可少的裝置，它也必然順應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化這一潮流，便出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化傳感器的概念。網(wǎng)絡(luò)化傳感器是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化傳感器的目標(biāo)是采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)將傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。敏感元件輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理后，由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序的設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/ IP）將其封裝成數(shù)據(jù)幀，并加上目的地址，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。反過(guò)來(lái)，網(wǎng)絡(luò)處理器又能接受網(wǎng)絡(luò)上其它接點(diǎn)傳給自己的數(shù)據(jù)和命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)本接點(diǎn)的操作。這樣，傳感器就成為測(cè)控網(wǎng)中的一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。要使網(wǎng)絡(luò)化傳感器成為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組態(tài)性和互操作性，實(shí)現(xiàn)就近連到網(wǎng)上，甚至實(shí)現(xiàn)“即插即用”，其關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)接口的標(biāo)準(zhǔn)化。 1994年IEEE和NIST（the national institute of Standard and technology ）聯(lián)合發(fā)起、制定了“靈巧傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)（smart Sensor Interface Standard）IEEE1451?！皹?biāo)準(zhǔn)”采用通用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換裝置作為傳感器的I/O接口，將應(yīng)用的各種傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，連同一個(gè)小存儲(chǔ)器—傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS（transducer electronic data Sheet）與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理器目標(biāo)模型—網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP（network capable application process）連接，這樣，數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡(luò)。采用通常的處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，不限用于特定的傳感器，也不限用于特定的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)化接口的處理器，能使多種普通傳感器藉以登臨網(wǎng)絡(luò)，而成為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，并具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組態(tài)性和互操作性。 五、微傳感器與信號(hào)檢測(cè) 目前，傳感器正在從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以微機(jī)械加工技術(shù)為基礎(chǔ)、仿真程序?yàn)楣ぞ叩奈⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在信息急劇膨脹的時(shí)代里，需要采集和處理的信息量越來(lái)越大，對(duì)傳感器的性能（如精度、可靠性、靈敏度等）要求也越來(lái)越高。同時(shí)，為了便于和系統(tǒng)掛接，傳感器還應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)輸出形式。傳統(tǒng)的功能較弱、體積大的傳感器已很難滿足上述要求，并逐步被各種以硅材料為主的高性能的微傳感器所代替。 微傳感器的敏感元件的尺寸一般為微米級(jí)，是由微機(jī)械加工技術(shù)制作而成，包括光刻、腐蝕、淀積、鍵合和封裝等工藝。利用其中的各向異性腐蝕、犧牲層技術(shù)和LIGA工藝，可以制造出層與層之間有很大差別的三維微結(jié)構(gòu)，包括可活動(dòng)的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。 六、結(jié)論 隨著傳感器向微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化的方向發(fā)展，傳感器在信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用將更為廣泛且具有新的特色。不難看出，我們很難將這些新生的傳感器絕對(duì)地劃分成微傳感器、智能或用多功能傳感器。由此可見(jiàn)，綜合發(fā)展、多功能、小型化、智能型才是傳感器總的發(fā)展態(tài)勢(shì)。目前，傳感器技術(shù)正在向微型化、集成化、多功能化、智能化系統(tǒng)化、交互式、可視性等方向發(fā)展。對(duì)于交叉學(xué)科產(chǎn)生的邊緣傳感器檢測(cè)機(jī)理和技術(shù)，其檢測(cè)信號(hào)種類將越來(lái)越豐富，檢測(cè)功能將越來(lái)越強(qiáng)大，檢測(cè)精度也將越來(lái)越高，作為現(xiàn)代科學(xué)“眼睛”的傳感器必將幫助和指引科技人員以跨越式的步伐前進(jìn)。