淺談傳感器的應(yīng)用及發(fā)展

摘 要：現(xiàn)代測量技術(shù)、自動控制和人工智能等現(xiàn)代科技高速發(fā)展，作為技術(shù)領(lǐng)域的核心元部件，傳感器的地位和作用越來越重要。本文就傳感器的定義、組成及傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了淺析，并展望了現(xiàn)代傳感器的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：傳感器；應(yīng)用；發(fā)展

Discussion on Sensor's Application and Development

ZHAI Mei-qing

（Harbin Ninth Middle School ， Harbin 150001， China）

Abstract： With the rapid development of modern measurement technology， automatic control technology and artificial intelligence， Sensors play increasingly important roles in people's production and lives。In this paper， the definition，composition and application of sensors are analyzed. The development prospect of modern sensor technology is also prospected.

Key words： Sensor； application； development trend

1引言

近日風(fēng)靡一時的電影《毒液》帶給我們是極具想象力和特效設(shè)計上的視覺沖擊，神秘外星元素，精彩的附身特效，華麗的特技鏡頭使觀眾熱血沸騰。這背后隱藏的“黑科技”就是逐漸走進(jìn)人們視野，融入人們生活的傳感器。作為現(xiàn)代信息技術(shù)的“主角”，了解傳感器的應(yīng)用與發(fā)展非常重要。

2. 傳感器組成及其工作原理

傳感器作為信息檢測、采集元器件，能夠感知如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等被測物理量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為另一個物理量（通常是電壓、電流等電學(xué)量），或轉(zhuǎn)換為電路通斷[1]。

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路三部分組成，有時還需要加輔助電源[2]。首先傳感器的敏感元件感知到被測對象的非電學(xué)物理量，然后由轉(zhuǎn)換元件將其轉(zhuǎn)換成有用的電學(xué)量，通過信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電學(xué)量進(jìn)行放大、調(diào)制，并轉(zhuǎn)換成可以顯示和記錄的信號傳輸出來，完成信息的測量、轉(zhuǎn)換、放大和傳輸功能[3]。傳感器的工作原理如圖1所示。

3.傳感器的應(yīng)用

傳感器的應(yīng)用很廣，已經(jīng)滲透到人們的生產(chǎn)、生活的幾乎所有領(lǐng)域，無所不在，廣泛影響著我們的生活，有著舉足輕重的地位。

在我國核電站、石油化工、汽車制造、鋼鐵、水泥、玻璃等大型生產(chǎn)企業(yè)中，自動控制占據(jù)極其重要的位置。生產(chǎn)過程中溫度、壓力、液位等過程參數(shù)的測量及自動控制，對于生產(chǎn)裝置安全、平穩(wěn)、高效運行，確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，同時節(jié)約原材料和使用能源極為重要。傳感器作為生產(chǎn)參數(shù)自動檢測和生產(chǎn)過程自動控制的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵部件，它的性能如何，先進(jìn)與否決定著企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

一個簡單的單回路自動控制系統(tǒng)一般由被控對象、控制器、執(zhí)行機構(gòu)和測量元件（傳感器）等環(huán)節(jié)組成，如圖2所示。由于干擾等外界環(huán)境因素的影響，被控參數(shù)偏離給定值?？刂苹芈返淖饔镁褪窃诳刂仆ǖ郎贤ㄟ^執(zhí)行機構(gòu)對被控對象施加影響，來抵消外界干擾，使被控參數(shù)控制在給定值上。這里傳感器的任務(wù)是為控制系統(tǒng)提供信息源，即對原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、轉(zhuǎn)換和處理，然后反饋給控制器。如果沒有精確可靠的傳感器，就沒有生產(chǎn)參數(shù)的精確控制，更沒有生產(chǎn)平穩(wěn)、安全、高效、節(jié)能的運行，因此傳感器十分重要。

中國建設(shè)史上里程最長、施工難度最大、技術(shù)最復(fù)雜的跨海橋梁港珠澳大橋正式通車了[4]，據(jù)不完全統(tǒng)計，在港珠澳大橋橋段的關(guān)鍵位置布設(shè)了上千種傳感器，構(gòu)成大橋精密的感知系統(tǒng)，實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測著大橋的運行狀態(tài)，以便能及時處理大橋出現(xiàn)的各種問題和故障，確保大橋安全正常投用。其中金屬應(yīng)變片式傳感器是一種力傳感器，它是利用敏感元件將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號的儀器[5]。其工作機理如圖3所示，彈簧鋼制成的梁形試件右端固定，在梁形試件的上下表面各貼一個同樣的應(yīng)變片，若在梁形試件的自由端施力F，則梁形試件發(fā)生形變，上表面拉伸，應(yīng)變片的電阻變大[6]；下表面壓縮，應(yīng)變片的電阻變小。外力F越大，形變越大，應(yīng)變片的阻值變化越大。如果應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓U1變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓U2變小，傳感器將這兩個電壓的差值輸出，進(jìn)而將使物體形變的力信號F轉(zhuǎn)化為電壓信號[7]。

金屬應(yīng)變片式傳感器將測量信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸出給顯示單元，供監(jiān)測人員使用；同時還可以輸出執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生某種自保動作，或者輸出給計算機系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和相關(guān)處理。

4傳感技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，時代的快速進(jìn)步，人們對傳感器的功能多樣化，精度、靈敏度、穩(wěn)定性、抗干擾能力等性能提出了越來越高的要求，致使傳感器的發(fā)展越來越先進(jìn)，越來越復(fù)雜[8]。

智能手機是現(xiàn)代人生活中不可或缺的通信工具。最初期的手機只能用來通話和互發(fā)短信，而且體積較大、重量較沉。后來魅力無窮，讓人愛不釋手的智能手機出現(xiàn)了，人們使用手機不但可以照相、上網(wǎng)購物、瀏覽網(wǎng)頁、搜索信息、看視頻、發(fā)抖音、聽音樂、玩游戲、閱讀小說等，而且還可以設(shè)定時鐘、手電筒、指南針、錄音、地圖導(dǎo)航定位等功能。智能手機已不再是一個簡單的通信工具，而是具有綜合功能的便攜式電子設(shè)備。一個小巧的智能手機能夠完成如此復(fù)雜、多樣的功能，主要是因為其內(nèi)部安有各種先進(jìn)的傳感器，比如重力傳感器、旋轉(zhuǎn)矢量傳感器和距離傳感器等。這些傳感器功能強大、體積微小，集成度高，具有高精度、高靈敏度等多種優(yōu)點。正是由于傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，才使得手機的功能越來越強大，越來越智能。

隨著新理論、新效應(yīng)、新材料、新工藝、新技術(shù)層出不窮，技術(shù)推動和需求牽引使得大量高效、先進(jìn)的新型傳感器被研制出來[9]。未來傳感器技術(shù)發(fā)展整體將呈現(xiàn)高精度、高可靠性、高靈敏度、寬溫度范圍、微功耗、精巧便攜、適應(yīng)性強等特點，同時傳感器從單個元件、單一功能向固態(tài)化、微型化、多維化、集成化、數(shù)字化、圖像化、系統(tǒng)化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

5 結(jié)束語

如今，傳感器技術(shù)已融入到人類社會生活的方方面面，在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測、節(jié)約能源、交通運輸、災(zāi)害預(yù)測、安全防衛(wèi)、生活娛樂、家用電器、氣象研究、智能樓宇、航天技術(shù)、軍事工程、工農(nóng)業(yè)自動化、智能汽車、資源開發(fā)、海洋探測、通信電子、機器人技術(shù)等領(lǐng)域都有著極為廣泛的應(yīng)用[10]，在人們的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。作為先進(jìn)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器技術(shù)將在現(xiàn)代科技和智能汽車、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、無人機、人工智能等產(chǎn)業(yè)需求的拉動下，更快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]高中物理選修3-2[M].北京：人民教育出版社，2017

[2]周志 張啟業(yè). 傳感器的應(yīng)用分類探析[D]. 江蘇海州高級中學(xué)， 2009.

[3] 曹文杰. 高中物理教材傳感器內(nèi)容的教學(xué)研究[D]. 蘇州大學(xué)， 2011.

[4] 孟凡超，劉曉東，徐國平.港珠澳大橋主體工程總體設(shè)計[A].第十九屆全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集（上冊），2010

[5] 名師一號選修3-2[M].河北：河北教育出版社，2017

[6]王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2018

[7]黃芳琳. 《在高中物理新課程中開展STS教育的實踐研究》. 2007

[8]馬須敬，朱義彪.傳感器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.青島科技大學(xué)學(xué)報，2017第38卷增刊1：11-13

[9]谷有臣 孔英 陳若輝. 傳感器技術(shù)的發(fā)展和趨勢綜述[D]. 物理實驗， 2002.

[10]鄭筱莉. 淺談傳感器技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[D]. 烏魯木齊成人教育學(xué)院學(xué)報， 2004.

作者簡介：

翟美卿（2001-），女，黑龍江青岡縣人，哈爾濱市第九中學(xué)，學(xué)生。