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信号检测中的新型传感器摘要：本文在介绍智能传感器、微传感器、多功能传感器和多参数传感器等倍受关注的新型传感器原理的根底上，结合国内外最新动态，研究了新型传感器在信号检测中的应用，指出在信号检测中存在的问题，给出了将来新型传感器的开展趋势。关键词：微弱信号检测；新型传感器；微传感器；智能传感器；网络化传感器传感器技术已开展成为一门新兴的穿插科学。新型传感器与传统传感器相比，其内涵拓宽了很多。信息量的不断增大、信息种类的不断增加、信息传输速度的不断进步，微弱信号的准确提取和处理，二维或者三维图像信号的获取等都对传感器在信号检测方面的应用提出了更新、更严格的要求。很多新型传感器应运而生，例如：网络化传感器、多功能传感器、多参数传感器、智能传感器、固态图像传感器、紫外荧光传感器、生物传感器、机器人传感器、非晶态合金传感器、微波传感器、超导传感器、液晶传感器、射线式传感器等，在信号检测领域发挥着不可替换的作用。21世纪的传感器必将朝着微型化、智能化和多功能化的方向前进。二、智能传感器与信号检测自八十年代产生以来，智能传感器一直是检测领域的热门，如今在分布式实时检测、网络检测以及多信号检测方面大显身手。而光纤材料的实用化，由于其时分复用、分布传感、耐高温、耐腐蚀等特点，光纤与智能传感器的结合使智能检测系统的性能大大进步。所谓智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判定功能的传感器，它不仅具有传统传感器的所有功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正、自调整以及人机通讯等很多功能。它的产生是微型计算机和传感器相结合的结果。从组成上看，智能传感器由主传感器、辅助传感器和微机硬件系统三局部构成，以智能压力传感器为例，主传感器是压力传感器，测量被测压力参数，辅助传感器是温度传感器和环境压力传感器。温度传感器检测主传感器工作时，由于环境温度变化或者被测介质温度变化而使其压力敏感元件温度变化，以便根据其温度变化修正与补偿由于温度变化对测量带来的误差。环境压力传感器那么测量工作环境大气压变化，以修正其影响。微机硬件系统对传感器输出的微弱信号进展放大、处理、存储和与计算机通讯。通常，一个传统的检测器件只能检测一个物理量，其信号调节是由假设干与主检测单元连接的模拟电子电路实现的；而一个智能传感器就能实现同样所有这些功能，并且更加小巧、低本钱和高性能。与传统的传感器相比，智能传感用具有以下优点：1有逻辑思维与判定、信息处理功能，可对检测数值进展分析、修正和误差补偿。智能传感器可通过查表方式使非线性信号线性化可轻易地通过用软件研制的滤波器对数字信号滤波，还能用软件实现非线性补偿或者其它更复杂的环境因素补偿，因此进步了测量准确度；2有自诊断、自校准功能，进步了可靠性。智能传感器可以检测工作环境，并当环境条件接近临界极限时能给出报警信号，还能通过分析器输入信号状态给出诊断信息。当智能传感器因内部故障不能正常工作时，通过内部测试环节，可检测出不正常现象或者局部故障；3可实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测与适用范围。微处理器使智能传感器很轻易实现多个信号的运算，其组态功能可使同一类型的传感器工作在最正确状态，并能在不同场合从事不同的工作；4检测数据可以存取，使用方便。智能传感器可以存储大量的信息供查询，包括装置的历史信息、目录表、测试结果等；5有数字通讯接口，能与计算机直接联机，互相交换信息，便于信息治理，如可以对检测系统进展遥控以及跟定测量工作方式，也可将测量数据传送给远方用户等。三、多功能传感器与信号检测传统的单一传感器只能测量一个物理量，而在很多领域为了全面准确地反映对象及环境，常需要同时测量多个物理量。多功能传感器由数种敏感元件组成，不但体积小，而且功能强。根据一个敏感元件的不同物理或者化学效应及其不同的特性，可以实现传感器的多种功能。随着传感器和微加工技术的开展，人们可以在同一材料或者硅片上制作几种敏感元件，制成集成化多功能传感器。多功能传感器主要有以下几种不同的实现原理及构造形式：1几种不同的敏感元件组合在一起形成一个传感器，可以同时测量几个参数。各敏感元件是独立的。例如把测温度和测湿度敏感元件组合在一起，可以同时测量温度和湿度；2几种不同的敏感元件制作在同一个硅片上，制成集成化多功能传感器。这种传感器的集成度高、体积小。由于集成在一个芯片上，各个敏感元件的工作条件一样，轻易实现补偿和校正，这是多功能传感器的开展方向；3利用同一个敏感元件的不同效应，得到不同的信息。如用线圈作为敏感元件，在具有不同磁导率或者介质常数物质的作用下，表现出不同的电容和电感；4同一个敏感元件在不同鼓励下表现出不同特性，例如传感器施加不同的鼓励电压、电流，或者工作在不同的温度下，其特性不同，有时可相当于几个不同的传感器。有的多功能传感器检测出的几个信息混在一起，需要用信号处理的方法将各种信息进展别离。多功能传感器是传感器技术中的一个新的开展方向，很多学者正在这个领域积极探究。譬如，将几种传感器公道的组合在一起构成新的传感器如由测量液压和差压的传感器组成的复合传感器。微型三端数字传感器就是一种采用z元件的由光敏元件、湿敏元件和磁敏元件构成的，用于测量多种高精度和小尺寸的信号。它不仅能输出模拟信号，还能输出频率信号和数字信号。从模拟自然界生物的感觉入手，也已经研制和应用了一系列具有触觉、视觉、听觉、热觉和最新的成果嗅觉多功能传感器。仅在多功能触觉传感器方面，就已经有利用PVDF材料制成的人工皮肤触觉传感器、非接触式传感皮肤系统、压感导电橡胶触觉传感器等多功能传感器。其中，由美国MERRITT系统公司研制的非接触式传感皮肤系统，采用非接触式超声波传感器、红外辐射接近传感器、薄膜电容基金传感器、温度和气体传感器等。将多个智能传感器插入到传感皮肤的柔性电路中，即可知足机器人探测物体的需要，防止不必要的接触和碰撞。在目前的人工感觉系统的开展中，人工嗅觉的开发即电子鼻，远不如其它感官那样尽如人意。嗅觉接收的感悟信号并不是单一的，通常是上百种至上千种化学物质所组成，所以嗅觉系统内发生的信号处理经过极其复杂。电子鼻采用了穿插选择的传感器阵列和相关的数据处理技术，通过组合气体传感器阵列和人工神经为理解决了问题。电子鼻是由具备局部去一性的气敏传感器构成的阵列和适当的形式识别系统组成的，是气敏传感器技术与信息处理技术的有效结合。气敏传感用具有体积小、功耗低、便于信号的收集与处理等优点。气体或者气味经过气敏传感器阵列，输入到由电子鼻系统组成的信号预处理局部，完成对阵列响应形式的预加工和特征提取。形式识别局部那么运用相关方法、最小二乘法、聚类法和主成份分析法等算法完成气体/气味的定性定量区分。材料科学提供了原子、分子、超分子及仿生构造，使得高性能的新型传感器得以设计出来;电子技术中微细构造换能器与集成数据预处理电路系统使信号处理更轻易;而信息理论那么使电子鼻能更好地分析复杂数据，并能与标准进展比拟鉴别。电子鼻具有广阔的潜伏的应用领域，如气味鉴别，复杂环境中个别分子浓度的定量检测，以及对空气中混入的可燃气体、有机挥发物或者有毒混合物进展全面参数测量等。四、网络化传感器随着计算机技术、网络技术与通讯技术的高速开展与广泛应用，出现了将自动测试技术和它们相结合的网络化测试技术。网络化测试系统实现了大型复杂系统的远程测试，是信息时代测试的必然趋势。在测控系统中，传感器是信息收集必不可少的装置，它也必然顺应网络化这一潮流，便出现了网络化传感器的概念。网络化传感器是指传感器在现场级实现TCP/IP协议，使现场测控数据就近登临网络，在网络所能及的范围内实时发布和分享。设计网络化传感器的目的是采用标准的网络协议，同时采用模块化构造将传感器和网络技术有机地结合起来。敏感元件输出的模拟信号经A/D转换及数据处理后，由网络处理装置根据程序的设定和网络协议TCP/IP将其封装成数据帧，并加上目的地址，通过网络接口传输到网络上。反过来，网络处理器又能承受网络上其它接点传给自己的数据和命令，实现对本接点的操纵。这样，传感器就成为测控网中的一个独立节点。要使网络化传感器成为独立节点，具有网络节点的组态性和互操纵性，实现就近连到网上，甚至实现“即插即用，其关键是网络接口的标准化。1994年IEEE和NISTthenationalinstituteofStandardandtechnology结合提议、制定了“乖巧传感器接口标准smartSensorInterfaceStandardIEEE1451。“标准采用通用的A/D或者D/A转换装置作为传感器的I/O接口，将应用的各种传感器的模拟量转换成标准规定格式的数据，连同一个小存储器传感器电子数据表TEDStransducerelectronicdataSheet与标准规定的处理器目的模型网络适配器NCAPnetworkcapableapplicationprocess连接，这样，数据可以按网络规定的协议登临网络。采用通常的处理器和数模转换器，不限用于特定的传感器，也不限用于特定的网络，这个具有标准化接口的处理器，能使多种普通传感器藉以登临网络，而成为网络的一个独立的节点，并具有网络节点的组态性和互操纵性。五、微传感器与信号检测目前，传感器正在从传统的构造设计和消费转向以微机械加工技术为根底、仿真程序为工具的微构造设计。在信息急剧膨胀的时代里，需要收集和处理的信息量越来越大，对传感器的性能如精度、可靠性、灵敏度等要求也越来越高。同时，为了便于和系统挂接，传感器还应有标准输出形式。传统的功能较弱、体积大的传感器已很难知足上述要求，并逐步被各种以硅材料为主的高性能的微传感器所代替。微传感器的敏感元件的尺寸一般为微米级，是由微机械加工技术制作而成，包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。利用其中的各向异性腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺，可以制造出层与层之间有很大差异的三维微构造，包括可活动的膜片、悬臂梁、桥以及凹槽、孔隙、锥体等。随着传感器向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向开展，传感器在信号检测领域中的应用将更为广泛且具有新的特色。不难看出，我们很难将这些新生的传感器绝对地划分成微传感器、智能或者用多功能传感器。由此可见，综合开展、多功能、小型化、智能型才是传感器总的开展态势。目前，传感器技术正在向微型化、集成化、多功能化、智能化系统化、交互式、可视性等方向开展。对于穿插学科产生的边沿传感器检测机理和技术，其检测信号种类将越来越丰富，检测功能将越来越强大，检测精度也将越来越高，作为当代科学“眼睛的传感器必将帮助和指引科技人员以跨越式的步伐前进。0