王健 熊福敏

(沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110142)

0 引言

傳感器是當(dāng)前較為先進(jìn)的一種儀器設(shè)備,其實(shí)質(zhì)是測(cè)量系統(tǒng)之中前置測(cè)量轉(zhuǎn)換設(shè)備,其可以將被測(cè)對(duì)象的非電變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y(cè)量的電信號(hào)。傳感器技術(shù)是當(dāng)前世界各個(gè)國(guó)家測(cè)控領(lǐng)域中受到人們側(cè)重關(guān)注的高新技術(shù),其與計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)共同組成了電信產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果將計(jì)算機(jī)比作是人體的大腦,通信網(wǎng)絡(luò)是人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)系統(tǒng),那么傳感器的作用就是人體的五官。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢(shì)下,傳感器技術(shù)整體水平顯得較為落后,但傳感器技術(shù)融合了諸多先進(jìn)科學(xué)技術(shù),且因其具有良好的優(yōu)越性能,因此運(yùn)用到了諸多領(lǐng)域之中并取得了良好的成績(jī)。從某種層面上來(lái)看,傳感器技術(shù)也是判斷一個(gè)國(guó)家整體綜合實(shí)力的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。在當(dāng)前新的歷史時(shí)期中,科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展為傳感器及相關(guān)測(cè)試專業(yè)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了諸多機(jī)遇,高精度的傳感器與測(cè)量技術(shù)對(duì)科學(xué)技術(shù)的穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展可起到重要推動(dòng)作用。

1 概述

1.1 傳感器的定義

傳感器主要作用是將被測(cè)量某些物理、化學(xué)及生物等各方面信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯舆M(jìn)行測(cè)量、顯示與處理的信息。因?yàn)殡娦判盘?hào)在處理過(guò)程中較為方便,所以傳感器可被看做是將各類外界信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一種設(shè)備。傳感器不單是人體各個(gè)感官的一種延伸,并且也能夠打破人類生理的限制,獲取人體感官無(wú)法獲得的信息,從而促使人類對(duì)自然界事物綜合情況加以了解。在經(jīng)過(guò)對(duì)“阿波羅10號(hào)”測(cè)量參數(shù)數(shù)目表進(jìn)行綜合分析之后,研究人員確定了宇宙飛船就是一種綜合性較強(qiáng)的傳感器。這也表示物理檢測(cè)技術(shù)與傳感器技術(shù)在社會(huì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起到了重要影響作用,能保證良好的效率和準(zhǔn)確性,可將被測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之相對(duì)應(yīng)的關(guān)系,從而為后續(xù)實(shí)踐運(yùn)用提供良好的輔助測(cè)量裝置。對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō),從字面上對(duì)其進(jìn)行分析涉及兩個(gè)功能:測(cè)量和傳輸,也就是獲取被測(cè)量的信息,并將其傳遞給指定使用者。

1.2 傳感器的基本組成原理

就傳感器實(shí)際情況來(lái)看,通常都是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其中,敏感元件作用主要是對(duì)被測(cè)量物質(zhì)進(jìn)行感受,并且將獲得的信息進(jìn)行傳遞。轉(zhuǎn)換元件所輸出的信息與敏感元件是相同的,其能夠?qū)⑤斎朕D(zhuǎn)變?yōu)殡娐穮⒘?。將以上電路參?shù)輸入到系統(tǒng)之中進(jìn)行轉(zhuǎn)換,即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵觥鞲衅骺蓪⒈粶y(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?隨后傳遞到測(cè)控電路之中,完成放大、計(jì)算和處理,這樣就可獲得被測(cè)物體的各項(xiàng)準(zhǔn)確參數(shù)并利用有效的方法來(lái)完成控制。傳感器因其融合了大量先進(jìn)科學(xué)知識(shí),因此涉及專業(yè)知識(shí)較多,且需要運(yùn)用大量專業(yè)技術(shù)。當(dāng)前使用最為頻繁的傳感器為:力敏傳感器、熱敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、加速度傳感器及生物傳感器等。各種不同類型傳感器技術(shù)指標(biāo)盡管不完全相同,但要求卻是一致的[1]。

2 高精度傳感器檢測(cè)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向分析

2.1 測(cè)量?jī)x器的高精度和功能多元化發(fā)展

某個(gè)測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性或測(cè)量系統(tǒng)的性能提升,可有效促進(jìn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。在實(shí)施產(chǎn)品研制工作時(shí),務(wù)必要做好相應(yīng)實(shí)驗(yàn)工作,針對(duì)物體性能參數(shù)加以有效的測(cè)量,隨后針對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集和分析。在不同環(huán)境下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),所得到的最終測(cè)量參數(shù)才具有良好實(shí)用性。儀器精準(zhǔn)度的提升,可有效降低實(shí)驗(yàn)的次數(shù),控制實(shí)驗(yàn)的成本。在提升測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確性的同時(shí),儀器的功能也在不斷的擴(kuò)展和提升,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了傳感和測(cè)量技術(shù)的良好發(fā)展,在一些測(cè)試系統(tǒng)之中,合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)可極大提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。

2.2 參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化發(fā)展

在實(shí)施產(chǎn)品綜合試驗(yàn)時(shí),通常前期準(zhǔn)備工作較為復(fù)雜,持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),需要測(cè)量的參數(shù)相對(duì)較多,所以需要進(jìn)行前期的工作安排,并且設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)通道。所有的通道狀態(tài)如果單純依賴人工操作進(jìn)行檢查,那么就會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,且檢查準(zhǔn)確性相對(duì)較低。在當(dāng)前新的歷史時(shí)期中,傳感與測(cè)量技術(shù)通常都是借助計(jì)算機(jī)來(lái)輔助完成各項(xiàng)工作,這樣所形成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可更高效完成故障的診斷、自主教研、信號(hào)調(diào)整、多路采集及信息處理,并可將輸出測(cè)試結(jié)果打印出來(lái)[2]。

2.3 傳感器向智能化、集成化、微型化、量子化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

傳感器具有信號(hào)檢測(cè)功能,在科技快速發(fā)展的推動(dòng)下,正朝著高精度和高靈敏性方向邁進(jìn)。新型材料尤其是新型半導(dǎo)體材料方面的發(fā)展,有效推動(dòng)了相關(guān)物理量及氣體化學(xué)成分敏感器件的發(fā)展,例如光導(dǎo)纖維不但可以實(shí)踐運(yùn)用到信號(hào)的傳輸,且可用作傳感器。其次,另一個(gè)受到人們關(guān)注的方面是,因?yàn)槲㈦娮影l(fā)展而使部分電路或微處理器與傳感測(cè)量部分能融合為一個(gè)整體,但傳感器擁有放大、矯正與分析信號(hào)功能,因此會(huì)形成智能傳感器系統(tǒng)。智能傳感器技術(shù)是多種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的融合體,在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展推動(dòng)下,其未來(lái)發(fā)展形勢(shì)可觀,與以往老舊模式傳感器相較,智能傳感器在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和分辨率等方面都更具優(yōu)勢(shì)。例如,軍事領(lǐng)域智能傳感器運(yùn)用了并行處理技術(shù)與模擬識(shí)別信息處理技術(shù),其為傳感器綜合性能的擴(kuò)展提供了重要基礎(chǔ)。模糊處理器實(shí)質(zhì)是在以往老舊模式的數(shù)據(jù)集檢測(cè)方式基礎(chǔ)上,利用模糊推理方法將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,將學(xué)習(xí)功能單元與符號(hào)處理單元融合,模擬人類語(yǔ)言符號(hào),最終將測(cè)量結(jié)果輸出,從而實(shí)現(xiàn)在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)下將學(xué)習(xí)和符號(hào)推理進(jìn)行切實(shí)運(yùn)用,進(jìn)而促進(jìn)模糊傳感器可訓(xùn)練性不斷提升,這也是該傳感器與其他普通傳感器最為明顯差別,且通過(guò)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和模擬訓(xùn)練,可滿足不同環(huán)境和條件對(duì)傳感器性能需求。集成化其實(shí)質(zhì)是將敏感元件、信號(hào)調(diào)節(jié)電路及電源整合在一個(gè)芯片上,并將檢測(cè)和信號(hào)處理集中在一起或?qū)⒍鄠€(gè)同類型傳感器安設(shè)在某個(gè)平面上形成陣列,可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)物體性能信息。微型化傳感器其實(shí)質(zhì)是在新型技術(shù)上演變出來(lái)的一種先進(jìn)儀器設(shè)備,當(dāng)前我國(guó)研發(fā)出了多種不同類型微型傳感器,在實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)結(jié)合各方面實(shí)際情況進(jìn)行挑選使用。量子化其實(shí)質(zhì)是運(yùn)用量子學(xué)原理檢測(cè)與計(jì)算微弱信號(hào)的傳感器。例如,運(yùn)用核磁共振形成磁敏感傳感器,可將量程擴(kuò)展到磁場(chǎng)之外。借助傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)有效促進(jìn)了傳感器技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,從而也形成了網(wǎng)絡(luò)傳感器,最終提升了信息收集、傳輸和處理的一體化水平。網(wǎng)絡(luò)傳感器其實(shí)質(zhì)是利用傳感器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)中,借助網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行對(duì)外公布和共享。網(wǎng)絡(luò)傳感器的出現(xiàn)使傳感器的功能得到良好擴(kuò)展,促使其功能從被動(dòng)檢測(cè)朝主動(dòng)實(shí)施信息處理的方向邁進(jìn),推動(dòng)了傳感器從實(shí)地測(cè)量朝遠(yuǎn)距離在線測(cè)量方向過(guò)度,有效提升了資源利用效率,并為系統(tǒng)維護(hù)工作的實(shí)施提供了良好協(xié)助,從而促使系統(tǒng)得到了良好擴(kuò)展。另外,在機(jī)器人工程發(fā)展中,需研發(fā)出高性能與小微型傳感器,因此還需從多個(gè)功能方面對(duì)傳感器傳感器進(jìn)行不斷優(yōu)化與創(chuàng)新。

2.4 極端測(cè)量

當(dāng)前,普通測(cè)量技術(shù)已達(dá)較為成熟狀態(tài),而那些計(jì)算狀況下測(cè)量,例如高溫或低溫測(cè)量與大尺度測(cè)量等整體專業(yè)技術(shù)水平較差,還需進(jìn)行優(yōu)化和提升。以壓力測(cè)量為例,在火炮膛壓測(cè)試技術(shù)中,常規(guī)火炮膛壓小于600MPa測(cè)試運(yùn)用銅柱測(cè)壓器或電測(cè)傳感器均可實(shí)現(xiàn)。為進(jìn)一步延長(zhǎng)火炮射程,提升設(shè)計(jì)精準(zhǔn)性,增強(qiáng)炮彈威力,可在高膛壓火炮實(shí)施研究時(shí),將膛壓進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整使沖擊力提升,進(jìn)而促使速度加快,因此所研發(fā)的測(cè)壓傳感器與測(cè)溫傳感器需保證在較強(qiáng)沖擊力下可穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

3 高精度傳感器檢測(cè)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用探究

在當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域快速發(fā)展形勢(shì)下,合理運(yùn)用各種不同類型傳感器可有效促進(jìn)在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),從而提高生產(chǎn)效率。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展影響下,傳感器綜合性能得到了良好提升,并被廣泛運(yùn)用到諸多領(lǐng)域,取得了優(yōu)異成績(jī)。

3.1 光纖間距傳感器在機(jī)床監(jiān)控中的應(yīng)用

針對(duì)當(dāng)代高精度生產(chǎn)工作務(wù)必要全面的落實(shí)各個(gè)細(xì)節(jié)的監(jiān)控工作,并且對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中涉及到的所有信息數(shù)據(jù)加以嚴(yán)格的把控,隨后這來(lái)信息數(shù)據(jù)可以利用基樁中安設(shè)的傳感器來(lái)加以獲取并且完成傳送。如果在生產(chǎn)過(guò)程中使用這類傳感器通常都是光纖傳感器,其檢測(cè)準(zhǔn)確性較高,其實(shí)質(zhì)就是利用微型化光纖傳感器,將其安設(shè)在檢測(cè)儀器設(shè)備和機(jī)床設(shè)備之中,在將需要的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集之后,按照既定的線路進(jìn)行傳遞。一般來(lái)說(shuō),光纖光纜外徑需要達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),并且應(yīng)當(dāng)將其運(yùn)用到精準(zhǔn)度相對(duì)較高的機(jī)床之中加以實(shí)踐運(yùn)用。

3.2 壓力傳感器在石化行業(yè)的應(yīng)用

目前,各個(gè)行業(yè)都具有連續(xù)性生產(chǎn)特征,在生產(chǎn)過(guò)程中可利用壓力變送器為穩(wěn)定與高效進(jìn)行生產(chǎn)工作提供輔助。測(cè)量活動(dòng)往往在壓力環(huán)境或運(yùn)行環(huán)境變化時(shí)發(fā)生移動(dòng)情況,該移動(dòng)對(duì)生產(chǎn)工作的有序進(jìn)行會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此,在多種環(huán)境下應(yīng)全面進(jìn)行測(cè)量工作,促使工業(yè)生產(chǎn)能保證良好穩(wěn)定性,且與工業(yè)技術(shù)的運(yùn)用保證統(tǒng)一性。

3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行主要是利用AdHoc方式組成專門(mén)網(wǎng)絡(luò),其組成方式與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)。該網(wǎng)絡(luò)最為重要作用是收集各項(xiàng)信息數(shù)據(jù),并獲取網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍信息,隨后在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行對(duì)外公布與共享,從而為傳感器與觀察者進(jìn)行信息傳遞提供良好輔助。當(dāng)前,社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)場(chǎng)所具有一定固定性,應(yīng)重視實(shí)施環(huán)境安全性檢測(cè)工作,發(fā)現(xiàn)任何異常情況,系統(tǒng)可自行發(fā)出警報(bào),從而可保證工作人員充分結(jié)合各方面實(shí)際情況選擇適當(dāng)方并及時(shí)解決問(wèn)題,盡可能避免各類危險(xiǎn)事故發(fā)生[4]。

4 新型傳感器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)向

4.1 新納米管傳感器能檢測(cè)單個(gè)爆炸物分子

經(jīng)大量研究人員不懈努力,麻省理工大學(xué)發(fā)明了一種超靈敏新型探測(cè)儀器設(shè)備,可檢測(cè)到單個(gè)爆炸物分子,將檢測(cè)爆炸物性能提升了一個(gè)高度,并廣泛用于與各個(gè)領(lǐng)域,例如當(dāng)前被大范圍加以運(yùn)用的機(jī)場(chǎng)爆炸檢測(cè)儀器。

4.2 視覺(jué)傳感器和單層傳感器的問(wèn)世

美國(guó)邦納研制了新款iVu系列視覺(jué)傳感器,通過(guò)使用邦納常規(guī)P3/P4型相機(jī),對(duì)不同的視野和物距可選擇不同鏡頭,其由于C-mount鏡頭光圈大,進(jìn)光量多,因而可滿足快速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。賽普拉斯推出了首款單層傳感器(SLIM),其是一款單基底單層ITO觸摸屏傳感器,無(wú)需額外絕緣層或橋接器,與多點(diǎn)觸摸傳感器相較,可有效降低成本且能顯著減少傳感器模塊厚度[5],大大提高了傳感器性能。

5 結(jié)語(yǔ)

在社會(huì)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展推動(dòng)下,傳感器技術(shù)水平得到了明顯提升,且傳感器技術(shù)水平能反映出一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。當(dāng)前,我國(guó)傳感器研發(fā)工作正朝綜合化方向邁進(jìn),并將各種不同類型的材料進(jìn)行了實(shí)踐運(yùn)用,從而使傳感器技術(shù)運(yùn)用范圍得到了全面擴(kuò)展,并在高精端領(lǐng)、現(xiàn)代化環(huán)境工程檢測(cè)與工程系統(tǒng)配套等領(lǐng)域中發(fā)揮了重要影響。另外,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及工業(yè)化全面發(fā)展中,利用高精度傳感器可對(duì)壓力、氣體、溫度、濕度與流量等進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量,可獲取較大綜合效益。