21世纪传感器发展展望.docx

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21世纪传感器发展展望

下一世纪传感器的发展趋势

高桥清

（帝京科学大学，日本山梨县）

庄庆德（河北科技大学信息学院，石家庄，050054）

关键词传感器智能模糊识别

摘要：

本文首先回顾了传感器在人类文明发展过程中的作用，比较了人体感官与工程传感器的各自的长处后，指出今后传感器的发展趋势是智能化,模糊识别与量子化。

人类的文明史与传感器

人类的文明发展历史过程并不是等速发展的，而是每到一定的阶段爆发一场产业革命，从而跳跃式地推动文明的进程。

首先爆发的是大约在公元前8千年发生于非洲尼罗河流域的农业革命，它的结果是带来了粮食产量的急剧增加，完成了令现代人也为之惊叹的金字塔等大工程。

大约在公元前500年，爆发了以铁的冶炼和应用为标志的材料革命，其中心地在中国及印度，其结果是带来了农业生产效率的极大提高。

18世纪，以欧洲为中心爆发了工业革命，其标志是蒸汽机等新型机械的使用，带来了工业生产的突飞猛进。

以上3次产业革命虽然时间跨度达数千年，但是一个共同特点是提高体力劳动的效率。

最近的一次产业革命爆发在20世纪末，其标志是电子技术和信息技术的革命，中心地是美国和日本。

与以往的产业革命不同的是，最后这两次革命之间的间隔更加缩短：

距前一次产业革命的时间只有2个世纪，而且它的目的是提高脑力劳动的效率。

按时间推算，下一个世纪将爆发另一场产业革命，它的目标将是生活环境的革命。

以往的各次革命着眼点在于追求劳动效率，其代价是人类日益加剧了对自然的破坏，使得生活环境日益恶化，这在很大程度上削弱了增加的财富对于改善人类生活的价值。

下一世纪的生活革命主要课题是人与机械、人与自然的协调。

它将以已经完成信息革命的美欧日为中心，联合地球上所有成员的合作来共同完成。

在人类文明史的历次产业革命中，感受外部信息并加以处理的传感技术扮演着一个重要的角色。

在产业革命以前，传感技术主要是由人的感官完成的。

例如人观天象而仕农耕，察颜色以冶铜铁。

但是产业革命以来，特别是20世纪信息革命中，传感技术更多的由人造感官，即工程传感器来完成了。

目前，工程传感器应用是如此广泛，以至可以说任何机械电气系统都离不开它。

以下将讨论一下工程传感器的现状及发展趋势。

工程传感器与人体感官的比较

现代技术的发展，创造了多种多样的工程传感器，在以下几方面的特性凌驾于人的感官。

首先，人体感官意外地对许多物理量无法感知，对电磁波只能感受到波长在0.4-0.8微米的可见光范围。

人类曾经梦想具有能感受到紫外线，红外线，超声波，磁场等特异功能。

对于工程传感器，上述量能轻而易举地测量，而且具有很高的精度和灵敏度。

不妨说，工程传感器是“特异功能感官”。

其次，人的感官能够检测的量，在许多情况下，工程传感器测量得更快，更精确。

虽然人眼和光传感器都能够对可见光反应，进行判断物体有无和测距，但是光晶体管的响应时间可在ns以下；光栅测距的精确度可达0.1微米；激光定位的精度在月球距离（38万公里）范围达到10厘米。

这方面都比人的感官优越。

最后、工程传感器可以把人所不能看到的物体加以图象处理变为视觉图象。

CT技术就是一个例子，它把人体的内部用断层图象显示出来。

其他的例子还有遥感技术。

尽管工程传感器有以上的优势，但是在以下几方面人的感官比起与工程传感器优越得多。

（一）零维与多维

当我们进入某个房间时，我们一瞬间就可以判断出房间的大小、明暗、天花板的高低，房间内人多人少等信息。

但是我们如果用测距型工程传感器来检测，则只能判断某一指定点到传感器的距离。

对于某一时刻而言，工程传感器的动作模式是测量某一点信息的零维检测；而人体感官的工作模式是多维检测。

（二）单功能与多功能

当我们进入这个房间后，除了大小等几何尺寸外，我们还能感受到墙壁的颜色，房间的冷热，空气流通情况，人多人少等多种信息。

而工程传感器，例如温度传感器，只能测出温度单一功能。

工程传感器只能进行单功能检测而人的感官可以进行多功能检测。

（三）积分与微分

设想有一个房间，温度随时间保持不变。

显然用温度传感器检测的话，温度指示是一个常数。

人对房间温度如何判断呢？

当人从凉爽的户外进入房间时，瞬间觉得闷热，过一会感觉逐渐迟钝、逐渐习惯。

人们对闷热的感觉既包含温度高的意义、也有环境温度变高的意义。

这个例子说明人不仅能感受到量的绝对值还能感到量的变动值。

工程传感器只能测量积分型变量，而人的感官能测量微分型变量。

（四）非智能型与智能型

工程传感器是非智能型，而人的感官是智能型。

对这一点可以用归纳为以下几个效应。

（1）宴会效应——选择功能

当我们出席一个嘈杂的宴会时，对于周围人的高谈阔论充耳不闻，可是如果别人讲到你的名字，你会异常敏锐地捕捉到这个声音。

也就是说人在背景噪声很高的情况下能选择地提高对于特定信号的接受灵敏度。

工程传感器没有这个能力，它对所有信号不加区分地以同样的灵敏度接受。

这是人的感知能力的一个特点：

选择功能。

（2）咖啡桌效应——学习功能

当你已知桌子上摆了一杯咖啡，并且发现在它的旁边放有一个装着白色粉末的盘子，你会立刻判断出那是糖。

这是因为人能够根据经验判断出咖啡旁边的白色粉末是糖、不可能是食盐或某种化学药品。

而用工程传感器来判断盘子中的白色粉末是何物时，它毫不理会周围的条件，要老老实实地判断成分、粒度之后才能得到是糖的结论。

这个例子说明了人的感官具有的应用以往经验的功能即学习功能。

（3）高桥效应——联想功能

设想我们在地面上放一块20厘米宽，十几米长的木板，不用说谁都可以心平气和地、毫不胆怯地从上面走过去，并且也不会有人从木板上掉下来。

可是如果我们把同样的木板架在几百米的深渊之上，变成一个高桥，相信绝大多数人不敢走过桥去。

如果让工程传感器驱动的机器人来过桥的话，则机器人将忠实地按着桥的方向走过，不论平地或深渊。

同样的木板桥因为架设高度不同而产生迥然不同的效果，是因为人在观察到木板的同时还同时观察木板所处的周围环境。

人能联想到万一从木板上掉下的不同后果。

也就是说人既有瞬时多元观测的能力，又有联想与预见能力。

这是人的感官的又一个特长。

工程传感器缺乏洞察危险的能力也并不完全是坏事。

我们可以把危险的、环境恶劣的工作交给工程传感器控制的机器人去老老实实地完成。

（4）模糊效应：

确定量与模拟量

许多人能感知并且为他人认同的事物，虽然看起来简单但是用工程传感器来测量，意外地困难。

比如判断某人是老王而不是老李，我们可以根据情况从他的面貌、动作、衣着、姿态、话语等各方面来判断。

而且不管他的表情如何变化、面貌是认不错的。

用工程传感器研究这些问题时，非常困难。

它只能对某个量值，如两瞳孔的间距等加以测量。

从这个意义讲，工程传感器检测确定量人的感官检测模糊量。

（5）森林效应：

全局与部分

只见树木、不见森林，可以说是工程传感器的写照。

也就是说工程传感器研究个体性质。

而人的感官则不同，既可以观察整体的森林又可以观察个体的树木。

这说明人的感官的空间上的广延性。

现代科技是否过多地关注微观的事物而无视宏观事物呢。

人则不然，通过对于个体的观察，升华为对于全局的把握，从而深刻地揭示出全局的本质。

我们用森林效应来描述这个区别。

之所以人的感官与工程传感器有上述的不同，是因为人脑的作用，人脑具有学习功能、也就是说不仅能学习新知识还能把过去的学过的知识加以组织利用、人脑的分析判断能力是过去无数经验的综合。

人脑可以处理不完全的、暧昧的情报。

人的左右脑的各有所长：

左脑是逻辑的、微观的处理问题、而右脑是感觉的、宏观地处理问题。

因此，单纯用左脑处理问题很类似于工程传感器，可以说人独到的认知能力归功于右脑的贡献。

也许正是右脑的作用使得人可以处理不完全的、暧昧的情报。

同时人的感觉在某些情况下也会受到欺骗，比如大家熟知的视觉欺骗就是如此。

传感器的发展方向

今后的传感器的发展方向是什么呢？

我认为有以下几方面：

第一，传感器的多功能化

多功能经历了以下几个阶段，最初是孤立的传感器件，只能测量单一的量；在第二阶段，把多个不同功能的传感器集成在一起、可以测量多个量；在第三阶段，把电子线路和传感器集成在一起，能够实现信号处理；在第四阶段，加上机械结构，使之具有了执行功能；在第五阶段将把能源也集成在一起，实现有源、智能、多功能传感器系统。

目前的进展还停留在第三、四阶段。

第二，向模糊识别方向发展

从传感的模式看，微观信息由人工智能完成，感觉的信息由神经元完成；宏观信息由模糊识别完成。

以往传感器的局限性在于它的只见树木不见森林，只见微观不见宏观。

未来的神经元加模糊识别传感器将既见森林又见树木。

第三、传感器将由经典型向量子型转化

以往的传感器由于尺寸大，可以用经典物理很好地描述。

将来随着传感器尺寸的微小型化，量子效应将越来越起支配作用。

从波动理论来看，起初是光波发挥作用，在量子效应起支配作用的范围内，电子波（得布罗意波）将发挥作用。

在将来，把两种波统一在一起的联合波（unionwave）将用来揭示传感器的工作规律。

第四、由数字传感器向模拟传感器发展

目前的传感器的转换原理是模拟方式工作的，即输出量输入量都连续变化。

但是它只能测某瞬间的，空间上一点（零维），单一量。

从这个意义上讲，它的识别方式是数字的。

未来的传感器将能测时间广延，3维空间，多元量，模糊识别。

从这个意义上讲，传感器的识别方式是模拟的。

传感器将从具有单纯判断功能到具有学习功能，最终将发展到具有创造能力的传感器。

但是我们不必担心将来安装上最新型传感器的机器人会打败人类，因为我们发展传感器的目的是克服它的弱点，发挥它的长处，为我们服务，以便在21世纪实现建立一个人与自然，人与机械调和的美好社会。

作者简介：

高桥清（Takahashikiyoshi）,1934年生于日本静冈县，1962年在东京工业大学取得博士学位，先后任东京工业大学教授，帝京科学大学教授。

1999年被聘为河北科技大学客座教授。

主要研究领域为传感器，光电子学。

庄庆德（ZhuangQingde）,1944年生，１９６７年吉林大学本科毕业，１９８２年东南大学硕士毕业，１９８５-１９８６年在日本东京工业大学，１９９１-１９９８年在日本安立公司从事传感器研究。

现为河北科技大学教授，从事传感器系统研究。

Thetrendofengineeringsensorinthenextcentury

TakahashiKiyoshi

（TeikyoUniversityofScience,Yamanashi,Japan）

ZhuangQingde

（DepartmentofinformationofHebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang,050054）

Keyword:

sensor,intelligent,fuzzy

Abstract:

Inthispaper,actionofsensingtechniqueinhumancivilizationhistorywasreviewed.Comparingwithhumansense,multifunction,fuzzyidentifies,andquantumtheory,thedevelopmenttrendofengineeringsensorinnextcenturywasmentioned.