感測器技術論文
感測器是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量並按一定規律將其轉化為有用訊號的器件或裝置。這是小編為大家整理的，僅供參考!
篇一
常用感測器技術淺析
感測器是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量並按一定規律將其轉化為有用訊號的器件或裝置。感測器的靜態特性主要指標有線性度、遲滯、重複性、靈敏度和準確度。本文將從這些方面對物理感測器、光纖感測器、仿生感測器、紅外感測器、電磁感測器等感測器件進行對比淺析，讓讀者對常用的感測器有簡單的認識。
【關鍵詞】感測器 器件 靜態特性
感測器是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種量並按一定規律將其轉換為有用訊號的器件或裝置。對於感測器來說，按照輸入的狀態，輸入可以分成靜態量和動態量。我們可以根據在各個值的穩定狀態下，輸出量和輸入量的關係得到感測器的靜態特性。
感測器的靜態特性的主要指標有線性度、遲滯、重複性、靈敏度和準確度等。感測器的動態特性則指的是對於輸入量隨著時間變化的響應特性。動態特性通常採用傳遞函式等自動控制的模型來描述。通常，感測器接收到的訊號都有微弱的低頻訊號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的訊號，因此消除串入的噪聲就成為了一項關鍵的感測器技術。
1 物理感測器
通過對作用過程中的物理反饋，如對電流的變化、壓力的增減、溫度的高低等物理量的檢測，然後把這些特定的物理量轉化為我們方便處理的訊號變數，就是我們所說的物理感測器。常用的物理感測器有光電式感測器、壓電感測器、壓阻式感測器、熱電式感測器、光導纖維感測器等。
我們以常用的光電式感測器為例，它可以把光訊號轉變成為電訊號，也可以把其他的物理訊號轉變成光訊號。它的原理是利用物質的光電效應：由於光照的作用，物質上的載流子會發生變化，從而導致物質的內部的電位發生變化，改變物質整體的導電性。
物理感測器在現實生活中有著非常廣泛的應用，舉個簡單的使用在生物醫學的研究領域的示例。在生病去醫院檢查的時候，血壓的檢測是非常常規的一種檢測。血壓測量儀就是利用了壓力感測器來實現對血壓的測量。血壓測量儀是通過血流與壓力之間的關係來換算出血壓的大小。在測量儀中，包含一個彈性膜片，它的作用就是將所受到的壓力而產生的形變，轉換成電訊號，最後通過檢測電訊號的峰值和谷值得到平均電訊號，也就是人體的平均壓。
以上舉了一個簡單的醫學上的例子，其實在其他領域，物理感測器的應用也是非常廣泛的。物理感測器不僅僅是變換成電訊號，也可以變換成影象訊號，影象訊號在某些領域的應用中會更加的直觀和簡便。
2 光纖感測器
隨著感測技術的發展，有些物理感測器檢測不到的訊號需要更精細的感測器來實現。最近幾年，光纖感測器走進了人們的視野。光纖感測器較物理感測器，它具有更靈敏、更精確、更小巧和更智慧化的特點。而且它還耐高溫、抗腐蝕，甚至可以接收人的感官所覺察不到的訊號。有著這麼多的優點，它以成為了各領域學者最青睞的感測器之一。
當光纖受到很小的外力作用，光纖就會發生變形，而光纖內部是光纖，光纖壁發生任何微笑的變化，都會引起測量臂長度、折射率等光學因素的變化。它對於外界的作用是非常敏感的，測量臂的變化，使得光纖內部光在振幅、相位和頻率等方面發生變化，這一變化最後以我們便於觀察的形式變現。它就是一種利用光纖自身的感測器。
光纖感測器在整個感測系統中有著重要的作用，憑藉著眾多的優點，在實際生產中應用廣泛，深受廠家的青睞。
3 仿生感測器
結合固定化的細胞、生物酶或者其他的生物活化物質與能量轉換器組成的感測器，我們稱之為仿生感測器。這是一種新興的感測器，是生物醫學、工程學和電子學的技術融合的成果。它具有壽命長和機能高的優勢。
這種感測器主要用於對生物體的檢測，在醫學領域有著重要的作用。比如尿素感測器、生體模擬感測器、微生物感測器等，它是利用生物體內特定的物質分解與合成來檢測生物體的健康情況。因為生物體各個部位發生變化的物質不一樣，所以它的侷限性在於要針對性的開發各種仿生感測器，現階段仿生感測器還只是小規模的應用於醫學研究等領域，並沒有實現批量生產。在感測器發展的道路上，仿生感測器任重而道遠。
4 紅外感測器
紅外技術是為人所熟知的技術，它廣泛的應用於國防、監控等領域，給生活帶來了極大的方便。紅外技術按照功能區分，可以分為四種：
***1***輻射計。
***2***追蹤器。
***3***熱成像。
***4***紅外測距。
當然，我們也可以把這四種功能設計在一起使用。它具有使用簡單、感測精確和成本低的特點。紅外技術的核心是紅外探測頭。
探測頭分為熱探測頭和光子探測頭兩種。已熱探頭為例，它是利用物質的熱輻射來感知周圍情況的變化，比如大廈裡的消防器，有些就是利用搞到熱探頭來監控。當大火燃燒，室內溫度升高，消防裝置就會做出相應的反應，或報警、或噴水等。
5 電磁感測器
從最早的指南針到現代大型的磁感測器都是將接受到的磁訊號變換成我們可觀察的訊號表示。電磁感測器主要應用於工業領域中，為世界工業的發展作出了不可磨滅的貢獻。
電磁感測器由四相感測器和單項感測器構成，在工作的時候，它的四相感測器一對將會對被檢查的單元進行差動檢測，另一對倒差檢測，從而實現電磁轉換。電磁感測器具有抗環境影響和抗噪聲、生產成本低廉等優點，因此在市場上，它是非常受歡迎的感測器件。
另外，電磁感測器在我們日常家電中也在大力開發使用，比如盒式錄音機、洗衣機等家電，都含有電磁感測器。電磁感測器在各個領域的應用，還處於開發的階段，相信不久的將來，它將會有著更大的應用前景。
隨著科技的發展，感測器在生產生活中的地位日益提升。有些感測器技術發展成熟，有些感測器還處於發展階段。不同的感測器有著不同的原理和不同的使用規則，我們要掌握感測器的特定，才可以很好的這些感測技術造福社會。
作者單位
1.江西科技師範大學 江西省南昌市 330013
2.南昌理工學院 江西省南昌市 330044
篇二
無線感測器網路技術
【摘要】 感測器被越來越多地佈置到實際的網路環境中，用於實現某些應用。無線感測器網路已經成為了科學研究領域最前沿的課題之一，引起了工業界和學術界眾多研究者的關注。通過總結相關方面的工作，綜述在不同領域中無線感測器網路的實際應用，並對具體應用的一些重要特性進行分析，在此基礎上提出若干值得繼續研究的方面。
【關鍵詞】 無線感測器 網路應用
隨著近距離、低功耗無線通訊技術的發展，無線感測器網路***WirelessSensorNetwork，WSN***應運而生。WSN是由具有感知、計算和通訊能力的微型感測器以Adhoc方式構成的無線網路，通過大量節點間的分工協作，實時監測、感知和採集網路分佈區域內的各種環境或監測物件的資料，並對這些資料進行處理，獲得詳盡而準確的資訊，最終傳送到需要這些資訊的使用者。WSN可廣泛應用於國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、製造業、反恐抗災乃至商業和家庭等諸多領域，正受到政府、軍隊、研究機構、商業界的廣泛關注和高度重視，具有十分廣闊的應用前景，是目前非常活躍的一個領域。WSN是在移動AdHoc網路的基礎上發展起來的，在自組織的組網方式和多跳通訊等方面與移動Adhoc網路具有相似性，但WSN在組網方式和具體應用上存在一些新的特點，主要表現為：與Adhoc網路中節點的動態移動相比，WSN的節點位置相對固定，網路拓撲會因節點能量耗盡而發生變化;由於節點體積較小，感測器網路具有許多資源上的限制，比如有限的電池功率和有限的網路通訊頻寬等;感測器節點間更多的是一種協作而非競爭的關係，為了完成共同目標而相互協作;不同節點採集的資料間具有一定相關性，需要進行資料會聚以減小冗餘資訊的轉發，降低通訊負荷;WSN中的應用多為多對一的情形，即存在一個Sink節點來收集資料並與外界通訊等等。無線感測器網路是新一代的感測器網路，具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。發達國家，非常重視無線感測器網路的研究和發展，如美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場情報的感知能力、資訊的綜合能力和資訊的利用能力，把WSN作為一個重要研究領域，設立了一系列的軍事感測器網路研究專案。美國自然科學基金委員會***NSF***2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支援相關基礎理論的研究。在NSF的推動下，美國的加州大學伯克利分校、麻省理工學院、洛克維爾研究中心、加州大學洛杉磯分校等機構開始了WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。英國、日本、義大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。學術界的研究主要集中在感測器網路技術和通訊協議的研究上，也開展了一些感知資料查詢處理技術的研究，取得了一些初步研究結果。
IEEE正在努力推進無線感測器網路的應用和發展，美國的《技術評論》雜誌在論述未來新興十大技術時，更是將無線感測器網路列為第一項未來新興技術，《商業週刊》預測的未來四大新技術中，無線感測器網路也列入其中。可以預計，無線感測器網路的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。
一、無線感測器網路的組成
一個完整的無線感測器網路的體系結構主要由感測器節點、匯聚節點、使用者節點三部
分組成。大量感測器節點被放置在監測區域***雲圖包圍部分***，假定感測器節點A有監測資料要上報到使用者節點，則通過自組織路由協議建立A，B，C，D之間的無線鏈路，D再通過與之連線的匯聚節點將資料經由衛星、網際網路或行動通訊網等傳輸網路送達使用者節點。由於被監測區域往往不方便建立固定設施及有線鏈路，因此感測器節點之間的資料傳輸通常採取無線方式，而匯聚節點與使用者節點之間的傳輸既可採用有線方式，也可採用無線方式。
在無線感測器網路中，感測器節點是整個網路的基礎，它們擔負著感知資料、處理資料、儲存資料及傳輸資料的功能。
感測器節點主要由感測器、模數轉換模組、計算模組、儲存模組、通訊模組、電源模組幾部分組成，並在嵌人式軟體系統的支援下完成感測器節點的各項功能。感測器負責各種監測資料的獲取，將感知物件轉變成電訊號。模數轉換模組將非數字監測訊號轉變成數字訊號，方便後期處理。計算模組和儲存模組主要處理感測器和模數轉換送來的監測資料。通訊模組將計算模組的處理結果通過無線方式傳輸到下一個節點。
二、無線感測網的熱點研究問題
2.1 安全問題
2.1.1 安全路由
通常，在無線感測器網路中，大量的感測器節點密集分佈在一個區域裡，訊息可能需要經過若干節點才能到達目的地，而且感測器網路具有動態性和多跳結構，要求每個節點都應具有路由功能。由於每個節點都是潛在的路由節點，因此更易受到攻擊，使網路不安全。網路層路由協議為整個無線感測器網路提供了關鍵的路由服務，安全的路由演算法會直接影響無線感測器網路的安全性和可用性。安全路由協議一般採用鏈路層加密和認證、多路徑路由、身份認證、雙向連線認證和認證廣播等機制，有效提高網路抵禦外部攻擊的能力，增強路由的安全性。
2.1.2 安全協議
在安全保障方面主要有金鑰管理和安全組播兩種方式。1***金鑰管理：無線感測器網路有諸多限制，例如節點能力限制，使其只能使用對稱金鑰和Hash技術;電源能力限制，應使其在無限感測器網路中儘量減少通訊，因為通訊的耗電將大於計算的耗電;感測器網路還應考慮匯聚等減少資料冗餘的問題。在部署節點前，將金鑰預先配置在節點中，通常，預配置的金鑰方案通過預存的祕密資訊計算會話金鑰，由於節點儲存和能量的限制，預配置金鑰管理方案必須考慮節省儲存空間和減少通訊開銷。2***安全組播：無線感測器網路可能設定在敵對環境中，為了防止供給者向網路注入偽造資訊，需要在無線感測器網路中實現基於源端認證的安全組播。
2.2 能量問題
感測器的節點分佈眾多，並且需要進行監測、資料處理等活動，而無線感測器網路中的節點一般用電池供電，可使用的電量非常有限，並且對於有成千上萬節點的無線感測器網路來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的，但是卻要求無線感測器網路的生存時間長達數月甚至數年，因此，如何在不影響功能的前提下，儘可能節約無線感測器網路的電池能量成為無線感測器網路軟硬體設計中的核心問題。現在已有一些解決方法，在大多數網路應用中，由於感測器節點監測事件的偶發性，沒有必要讓所有單元均工作在正常狀態下，可採用休眠模式，能自適應的休眠和喚醒，進行突發工作，節省能量。還可將所有功耗單元有機組合，形成不同狀態，讓感測器節點能根據需要在不同狀態間切換，這樣既可以滿足系統需要，又節省了能源。還可以動態調節電壓以節省能量，根據負載狀態動態調節供電電壓，形成一個閉環控制系統，節省能量。總之，在滿足系統要求的情況下，採用各種方法降低耗電量非常必要。
三、總結
本文總結了當前制約無線感測器網路實際應用的因素及目前的研究熱點。無線感測網路最終將成為聯絡資訊世界和客觀物理實際的介面，從而人類可以通過感測器網路獲得客觀物理世界的資訊並採取相應措施。
參考文獻
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