傳感器的應(yīng)用及發(fā)展研究

王洪燕 李高杰 張崇軍

摘 要：傳感器可以把化工、土木、機(jī)械和自然科學(xué)中的費(fèi)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，屬于一種關(guān)鍵的換能器。從多個(gè)角度進(jìn)行區(qū)分，傳感器有許多類型，包括醫(yī)學(xué)量、生物參數(shù)、聲學(xué)量、光學(xué)量、熱工量及幾何機(jī)械量等。如果從輸出信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，可以將傳感器分成電流、電壓、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)（脈沖波和連續(xù)波）等。本文分析了傳感器的發(fā)展歷程、具體應(yīng)用、發(fā)展趨勢(shì)，希望能為相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：傳感器；發(fā)展歷程；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）17-0022-02

Research on Application and Development of Sensor

WANG Hongyan LI Gaojie ZHANG Chongjun

Abstract： Sensors can convert electrical signals from chemical， civil， mechanical and natural science to electrical signals， which is a key transducer. There are many types of sensors， including medical quantities， biological parameters， acoustic quantities， optical quantities， thermal quantities and geometric mechanical quantities. If the output signal is distinguished， it can be divided into types of current， voltage， digital signal and analog signal （pulse wave and continuous wave）. This paper analyzed the development process， specific application and development trend of sensors， hoped to provide reference for related research.

Keywords： sensors； development course；development trend

傳感器技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間，是一種發(fā)展前景較好的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，和通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同形成當(dāng)前現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱，具體發(fā)展趨勢(shì)包括便攜式、無(wú)線、低功耗、系統(tǒng)化、多功能化、智能化、集成化和小型化等。傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)，直接影響我國(guó)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

1 傳感技術(shù)的發(fā)展歷程

傳感技術(shù)主要包括三代，第一代屬于結(jié)構(gòu)性傳感器，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)參量的變化來(lái)轉(zhuǎn)化和感受信號(hào)。例如，電阻應(yīng)變式傳感器，是一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)，將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。第二代傳感器屬于固體傳感器。這種傳感器包括磁性材料、電介質(zhì)及半導(dǎo)體等固體元件，可以利用材料的特別性質(zhì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)化。例如，利用光敏效應(yīng)、霍爾效應(yīng)以及熱電效應(yīng)等，可以制作光敏傳感器、霍爾傳感器以及熱電偶傳感器等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及分子合成技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成傳感器。這種傳感器還可以分成兩種，包括傳感器后續(xù)電路集成化及傳感器自身集成化。例如，集成霍爾傳感器、集成溫度傳感器及電荷耦合器件。這種傳感器的特點(diǎn)是性能良好、可靠性高以及成本低。這種集成傳感器的發(fā)展速度比較快，而且向著系列化、多功能化及低價(jià)格的方向發(fā)展。第三代傳感器是智能傳感器，對(duì)周邊的信息有著一定的數(shù)據(jù)處理、自診斷、檢測(cè)及自適應(yīng)能力，是檢測(cè)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。智能化測(cè)量主要以微處理器為核心，把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微計(jì)算機(jī)、存貯器及接口集成到一塊芯片上，使傳感器具有一定的人工智能。后續(xù)的傳感器在功能上有所提升，具備聯(lián)網(wǎng)通信及多參量測(cè)量的能力。

2 傳感器的具體應(yīng)用

第一，在非電量測(cè)量中的應(yīng)用。許多物理規(guī)律和現(xiàn)象，如溫度、壓力等都屬于非電量。在傳統(tǒng)測(cè)量中，一般都是使用非電量方法測(cè)量這些參數(shù)。在傳感器發(fā)展過(guò)程中，使用傳感器電測(cè)技術(shù)測(cè)量這些參數(shù)，可以確保測(cè)量的速度以及準(zhǔn)確度，能夠把非電量信息轉(zhuǎn)化為電量信息。第二，在自動(dòng)化和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。在當(dāng)前現(xiàn)代化生產(chǎn)中，需要使用多種傳感器控制和監(jiān)視各生產(chǎn)的具體過(guò)程，進(jìn)而獲得相關(guān)信息，這可以確保相關(guān)設(shè)備處于正?；蛘咦罴褷顟B(tài)，特別是計(jì)算機(jī)和傳感器的結(jié)合，使自動(dòng)化過(guò)程變得高效率、快捷以及準(zhǔn)確，如果缺少傳感器，就會(huì)降低工業(yè)化程度。第三，在當(dāng)前基礎(chǔ)學(xué)科研究中的應(yīng)用。在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，需要研究微觀粒子以及茫茫宇宙，許多未知規(guī)律和現(xiàn)象的觀察都需要使用傳感器。在軍事研究方面，需要使用傳感器制造軍用電子系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通信、監(jiān)視、控制以及作戰(zhàn)指揮的智能化。傳感器在導(dǎo)彈系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和防空系統(tǒng)等方面的應(yīng)用，可以顯著提升軍事戰(zhàn)斗力。第四，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。當(dāng)前，人們的醫(yī)療需求較高，傳感器被廣泛應(yīng)用到家庭護(hù)理、醫(yī)院療養(yǎng)、加護(hù)病房和外科手術(shù)設(shè)備等方面[2]。其中，加速傳感器可以檢測(cè)多種人體的行為，包括爬行、行走、站和坐等。使用這種傳感器節(jié)點(diǎn)，可以檢測(cè)人體特征部位的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以分析處理具體的三維加速信息，進(jìn)而在監(jiān)控界面檢測(cè)人的具體行為，相關(guān)的系統(tǒng)是老年人以及相關(guān)病人的可靠助手。在殘障人士的康復(fù)中也可以使用這種傳感器，其可以精確測(cè)量肢體的具體恢復(fù)情況，為康復(fù)方案的制訂提供有效數(shù)據(jù)。通過(guò)結(jié)合聲音、紅外、濕度和溫度等，傳感器可以準(zhǔn)確檢測(cè)人的行為，包括淋浴、看電視、睡覺(jué)和做飯等，精確檢測(cè)老年人的健康狀況，還可以測(cè)量手腕動(dòng)脈的壓力、測(cè)量睡眠呼吸情況、計(jì)算肺活量等[3]。

3 傳感器的發(fā)展趨勢(shì)分析

目前，人們對(duì)傳感器的要求越來(lái)越高，這是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，將?lái)的傳感器也需要突破信息能力的限制，應(yīng)用新的協(xié)議以及原理。在能力消耗方面，硬件隨著能源技術(shù)和材料技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種低功耗的元件，同時(shí)出現(xiàn)了使用太陽(yáng)能作為輔助能源的元件[4]。在軟件技術(shù)方面，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸屬于重要能耗部分，可以利用優(yōu)化算法以及媒體介入控制法，也可以選擇最佳路徑實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以顯著提升工作效率。同時(shí)，相關(guān)節(jié)點(diǎn)要易于定位。相關(guān)定位必須整合具體的測(cè)量坐標(biāo)才能發(fā)揮作用，受價(jià)格以及衛(wèi)星定位因素的限制，需要利用已知位置信息進(jìn)行測(cè)量，但相關(guān)精度并不高。如果解決了定位的問(wèn)題，便可以有效管理相關(guān)傳感器。傳感器的多功能化以及智能化方面，將來(lái)的傳感器具有多方面的功能，可以處理多種數(shù)據(jù)并且給出相應(yīng)的邏輯判斷，這可以提取對(duì)用戶有利的數(shù)據(jù)內(nèi)容，判斷環(huán)境情況，從而控制數(shù)據(jù)的輸出和輸入等。如果使用智能材料，可以有效提升自適應(yīng)能力，從而提升自增強(qiáng)、自修復(fù)以及自診斷的能力。在發(fā)展的過(guò)程中，必須解決電源能量問(wèn)題、通信能力問(wèn)題以及計(jì)算能力問(wèn)題，這三個(gè)方面是傳感器發(fā)展的突破口[5]。

4 結(jié)論

傳感器的發(fā)展具有廣泛的前景，不僅在醫(yī)療、環(huán)境、軍事、工業(yè)及農(nóng)業(yè)方面有著廣泛應(yīng)用，在交通、保健、家居等方面也有一定的優(yōu)越性。在將來(lái)的生活中，傳感器會(huì)逐漸融入生活的方方面面。但目前，傳感器的發(fā)展還處于初級(jí)階段，在工程建設(shè)以及技術(shù)應(yīng)用方面并不成熟，因此，必須推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，制定相關(guān)規(guī)范，加大各個(gè)方面的投入，從而促進(jìn)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈雯杰，柴煒，張聰.光電式傳感器在自動(dòng)控制窗上的應(yīng)用[J].科技傳播，2011（8）：133.

[2]黎粵華，王述洋.家居安防遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（9）：117-124.

[3]盧偉佳.用于高速交通監(jiān)控系統(tǒng)的圖像傳感器選擇[J].世界電子元器件，2007（10）：19-20.

[4]傅和平，王愛(ài)芳，張栓記，等.調(diào)制式紅外光汽車速度識(shí)別系統(tǒng)的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007（8）：1531-1534.

[5]林凌，韓曉斌，丁茹，等.微型感應(yīng)線圈車輛傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（4）：994-996.