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)傳感器等倍受關注的新型傳感器原理的基礎上，結合國內外最新動態(tài)，研究了新型傳感器在信號檢測中的應用，指出在信號檢測中存在的問題，給出了未來新型傳感器的發(fā)展趨勢。 關鍵詞：微弱信號檢測；新型傳感器；微傳感器；智能傳感器；網(wǎng)絡化傳感器 一、前言 傳感器技術已發(fā)展成為一門新興的交叉科學。新型傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，其內涵拓寬了許多。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，微弱信號的精確提取和處理，二維或三維圖像信號的獲取等都對傳感器在信號檢測方面的應用提出了更新、更嚴格的要求。許多新型傳感器應運而生，例如：網(wǎng)絡化傳感器、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、機器人傳感器、非晶態(tài)合金傳感器、微波傳感器、超導傳感器、液晶傳感器、射線式傳感器等，在信號檢測領域發(fā)揮著不可替代的作用。21世紀的傳感器必將朝著微型化、智能化和多功能化的方向前進。 二、智能傳感器與信號檢測 自八十年代產生以來，智能傳感器一直是檢測領域的熱點，現(xiàn)在在分布式實時檢測、網(wǎng)絡檢測以及多信號檢測方面大顯身手。而光纖材料的實用化，由于其時分復用、分布傳感、耐高溫、耐腐蝕等特點，光纖與智能傳感器的結合使智能檢測系統(tǒng)的性能大大提高。 所謂智能傳感器是指具有信息檢測、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、自調整以及人機通訊等許多功能。它的產生是微型計算機和傳感器相結合的結果。 從組成上看，智能傳感器由主傳感器、輔助傳感器和微機硬件系統(tǒng)三部分構成，以智能壓力傳感器為例，主傳感器是壓力傳感器，測量被測壓力參數(shù)，輔助傳感器是溫度傳感器和環(huán)境壓力傳感器。溫度傳感器檢測主傳感器工作時，由于環(huán)境溫度變化或被測介質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償由于溫度變化對測量帶來的誤差。環(huán)境壓力傳感器則測量工作環(huán)境大氣壓變化，以修正其影響。微機硬件系統(tǒng)對傳感器輸出的微弱信號進行放大、處理、存儲和與計算機通信。 通常，一個傳統(tǒng)的檢測器件只能檢測一個物理量，其信號調節(jié)是由若干與主檢測單元連接的模擬電子電路實現(xiàn)的；而一個智能傳感器就能實現(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： （1）有邏輯思維與判斷、信息處理功能，可對檢測數(shù)值進行分析、修正和誤差補償。智能傳感器可通過查表方式使非線性信號線性化可容易地通過用軟件研制的濾波器對數(shù)字信號濾波，還能用軟件實現(xiàn)非線性補償或其它更復雜的環(huán)境因素補償，因而提高了測量準確度； （2）有自診斷、自校準功能，提高了可靠性。智能傳感器可以檢測工作環(huán)境，并當環(huán)境條件接近臨界極限時能給出報警信號，還能通過分析器輸入信號狀態(tài)給出診斷信息。當智能傳感器因內部故障不能正常工作時，通過內部測試環(huán)節(jié)，可檢測出不正?，F(xiàn)象或部分故障； （3）可實現(xiàn)多傳感器多參數(shù)復合測量，擴大了檢測與適用范圍。微處理器使智能傳感器很容易實現(xiàn)多個信號的運算，其組態(tài)功能可使同一類型的傳感器工作在最佳狀態(tài)，并能在不同場合從事不同的工作； （4）檢測數(shù)據(jù)可以存取，使用方便。智能傳感器可以存儲大量的信息供查詢，包括裝置的歷史信息、目錄表、測試結果等； （5）有數(shù)字通信接口，能與計算機直接聯(lián)機，相互交換信息，便于信息管理，如可以對檢測系統(tǒng)進行遙控以及跟定測量工作方式，也可將測量數(shù)據(jù)傳送給遠方用戶等。 三、多功能傳感器與信號檢測 傳統(tǒng)的單一傳感器只能測量一個物理量，而在許多領域為了全面準確地反映對象及環(huán)境，常需要同時測量多個物理量。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。根據(jù)一個敏感元件的不同物理或化學效應及其不同的特性，可以實現(xiàn)傳感器的多種功能。隨著傳感器和微加工技術的發(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現(xiàn)原理及結構形式： （1）幾種不同的敏感元件組合在一起形成一個傳感器，可以同時測量幾個參數(shù)。各敏感元件是獨立的。例如把測溫度和測濕度敏感元件組合在一起，可以同時測量溫度和濕度； （2）幾種不同的敏感元件制作在同一個硅片上，制成集成化多功能傳感器。這種傳感器的集成度高、體積小。由于集成在一個芯片上，各個敏感元件的工作條件相同，容易實現(xiàn)補償和校正，這是多功能傳感器的發(fā)展方向； （3）利用同一個敏感元件的不同效應，得到不同的信息。如用線圈作為敏感元件，在具有不同磁導率或介質常數(shù)物質的作用下，表現(xiàn)出不同的電容和電感； （4）同一個敏感元件在不同激勵下表現(xiàn)出不同特性，例如傳感器施加不同的激勵電壓、電流，或工作在不同的溫度下，其特性不同，有時可相當于幾個不同的傳感器。有的多功能傳感器檢測出的幾個信息混在一起，需要用信號處理的方法將各種信息進行分離。 多功能傳感器是傳感器技術中的一個新的發(fā)展方向，許多學者正在這個領域積極探索。譬如，將幾種傳感器合理的組合在一起構成新的傳感器（如由測量液壓和差壓的傳感器組成的復合傳感器）。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成的，用于測量多種高精度和小尺寸的信號。它不僅能輸出模擬信號，還能輸出頻率信號和數(shù)字信號。從模擬自然界生物的感覺入手，也已經研制和應用了一系列具有觸覺、視覺、聽覺、熱覺和最新的成果—嗅覺多功能傳感器。僅在多功能觸覺傳感器方面，就已經有利用PVDF材料制成的人工皮膚觸覺傳感器、非接觸式傳感皮膚系統(tǒng)、壓感導電橡膠觸覺傳感器等多功能傳感器。其中，由美國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。將多個智能傳感器插入到傳感皮膚的柔性電路中，即可滿足機器人探測物體的需要，避免不必要的接觸和碰撞。 在目前的人工感覺系統(tǒng)的發(fā)展中，人工嗅覺的開發(fā)（即電子鼻），遠不如其它感官那樣盡如人意。嗅覺接收的感知信號并不是單一的，通常是上百種至上千種化學物質所組成，所以嗅覺系統(tǒng)內發(fā)生的信號處理過程極其復雜。電子鼻采用了交叉選擇的傳感器陣列和相關的數(shù)據(jù)處理技術，通過組合氣體傳感器陣列和人工神經為了解決了問題。電子鼻是由具備部分去一性的氣敏傳感器構成的陣列和適當?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)組成的，是氣敏傳感器技術與信息處理技術的有效結合。氣敏傳感器具有體積小、功耗低、便于信號的采集與處理等優(yōu)點。氣體或氣味經過氣敏傳感器陣列，輸入到由電子鼻系統(tǒng)組成的信號預處理部分，完成對陣列響應模式的預加工和特征提取。模式識別部分則運用相關方法、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。材料科學提供了原子、分子、超分子及仿生結構，使得高性能的新型傳感器得以設計出來;電子技術中微細結構換能器與集成數(shù)據(jù)預處理電路系統(tǒng)使信號處理更容易;而信息理論則使電子鼻能更好地分析復雜數(shù)據(jù)，并能與標準進行比較鑒別。電子鼻具有廣闊的潛在的應用領域，如氣味鑒別，復雜環(huán)境中個別分子濃度的定量檢測，以及對空氣中混入的可燃氣體、有機揮發(fā)物或有毒混合物進行全面參數(shù)測量等。 四、網(wǎng)絡化傳感器 隨著計算機技術、網(wǎng)絡技術與通信技術的高速發(fā)展與廣泛應用，出現(xiàn)了將自動測試技術和它們相結合的網(wǎng)絡化測試技術。網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)實現(xiàn)了大型復雜系統(tǒng)的遠程測試，是信息時代測試的必然趨勢。在測控系統(tǒng)中，傳感器是信息采集必不可少的裝置，它也必然順應網(wǎng)絡化這一潮流，便出現(xiàn)了網(wǎng)絡化傳感器的概念。網(wǎng)絡化傳感器是指傳感器在現(xiàn)場級實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，使現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)就近登臨網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡所能及的范圍內實時發(fā)布和共享。設計網(wǎng)絡化傳感器的目標是采用標準的網(wǎng)絡協(xié)議，同時采用模塊化結構將傳感器和網(wǎng)絡技術有機地結合起來。敏感元件輸出的模擬信號經A/D轉換及數(shù)據(jù)處理后，由網(wǎng)絡處理裝置根據(jù)程序的設定和網(wǎng)絡協(xié)議（TCP/ IP）將其封裝成數(shù)據(jù)幀，并加上目的地址，通過網(wǎng)絡接口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上。反過來，網(wǎng)絡處理器又能接受網(wǎng)絡上其它接點傳給自己的數(shù)據(jù)和命令，實現(xiàn)對本接點的操作。這樣，傳感器就成為測控網(wǎng)中的一個獨立節(jié)點。要使網(wǎng)絡化傳感器成為獨立節(jié)點，具有網(wǎng)絡節(jié)點的組態(tài)性和互操作性，實現(xiàn)就近連到網(wǎng)上，甚至實現(xiàn)“即插即用”，其關鍵是網(wǎng)絡接口的標準化。 1994年IEEE和NIST（the national institute of Standard and technology ）聯(lián)合發(fā)起、制定了“靈巧傳感器接口標準（smart Sensor Interface Standard）IEEE1451。“標準”采用通用的A/D或D/A轉換裝置作為傳感器的I/O接口，將應用的各種傳感器的模擬量轉換成標準規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，連同一個小存儲器—傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS（transducer electronic data Sheet）與標準規(guī)定的處理器目標模型—網(wǎng)絡適配器NCAP（network capable application process）連接，這樣，數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡規(guī)定的協(xié)議登臨網(wǎng)絡。采用通常的處理器和數(shù)模轉換器，不限用于特定的傳感器，也不限用于特定的網(wǎng)絡，這個具有標準化接口的處理器，能使多種普通傳感器藉以登臨網(wǎng)絡，而成為網(wǎng)絡的一個獨立的節(jié)點，并具有網(wǎng)絡節(jié)點的組態(tài)性和互操作性。 五、微傳感器與信號檢測 目前，傳感器正在從傳統(tǒng)的結構設計和生產轉向以微機械加工技術為基礎、仿真程序為工具的微結構設計。在信息急劇膨脹的時代里，需要采集和處理的信息量越來越大，對傳感器的性能（如精度、可靠性、靈敏度等）要求也越來越高。同時，為了便于和系統(tǒng)掛接，傳感器還應有標準輸出形式。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，是由微機械加工技術制作而成，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、犧牲層技術和LIGA工藝，可以制造出層與層之間有很大差別的三維微結構，包括可活動的膜片、懸臂梁、橋以及凹槽、孔隙、錐體等。 六、結論 隨著傳感器向微型化、智能化、網(wǎng)絡化和多功能化的方向發(fā)展，傳感器在信號檢測領域中的應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地劃分成微傳感器、智能或用多功能傳感器。由此可見，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。目前，傳感器技術正在向微型化、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。對于交叉學科產生的邊緣傳感器檢測機理和技術，其檢測信號種類將越來越豐富，檢測功能將越來越強大，檢測精度也將越來越高，作為現(xiàn)代科學“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。