傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

劉振宇

摘要：近期隨著人工智能和5G通信等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)也隨之迎來(lái)的新的發(fā)展方向和機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，新的技術(shù)也給傳感器的定義和功能帶來(lái)國(guó)突破和創(chuàng)新。在此，展開敘述了各類傳感器的相關(guān)技術(shù)，并介紹了傳感器與當(dāng)下生活相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景。討論結(jié)合了新技術(shù)后，未來(lái)傳感器發(fā)展的新的方向。

關(guān)鍵字：傳感器;機(jī)械傳感器;光學(xué)傳感器;生物醫(yī)學(xué)器;智能傳感器

1引言：

傳感器是所有設(shè)備和測(cè)量系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的組件。它們已廣泛應(yīng)用于科學(xué)，醫(yī)學(xué)，自動(dòng)化制造，環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。技術(shù)上已經(jīng)成熟在傳感器正在尋找從兒童玩具，洗碗機(jī)到汽車等消費(fèi)領(lǐng)域各種產(chǎn)品適用的方法。在某種程度上，傳感器是多學(xué)科和跨學(xué)科領(lǐng)域的努力方向。美國(guó)儀器學(xué)會(huì)（ANSI MC 1，1975）定義電傳感器為：“傳感器是響應(yīng)于指定的被測(cè)量，提供可用輸出的裝置?！睆倪@個(gè)定義出發(fā)，信息化的21世紀(jì)，傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，生產(chǎn)自動(dòng)化、手機(jī)、軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、天空開發(fā)、宇宙探索等等都愈發(fā)依賴傳感器的創(chuàng)新與發(fā)展。

2各類傳感器的分類介紹及應(yīng)用：

2.1 機(jī)械類傳感器

機(jī)械類傳感器是一類用來(lái)測(cè)量機(jī)械類活動(dòng)的傳感器，其中用到的主要傳感技術(shù)有：壓阻效應(yīng)、電容技術(shù)、壓電效應(yīng)、電感技術(shù)、共振技術(shù)。常見(jiàn)傳感器類型有：壓阻式傳感器，電容式壓力傳感器、扭矩傳感器等等。

壓阻效應(yīng)是當(dāng)壓阻材料在受到力時(shí)就會(huì)相應(yīng)的改變其材料本身的電阻率。以此效應(yīng)為基礎(chǔ)所研發(fā)的傳感器稱之為壓阻式傳感器。該類傳感器被廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械裝備、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。

電容式壓力傳感技術(shù)利用電容與電容器電極之間的距離成正比。電容式壓力傳感器的傳感元件僅僅是電容器電極之間的距離基于壓力而變化。電容器的底部電極固定到傳感器的基座結(jié)構(gòu)，頂部電極安裝在隔膜的中心，隔膜隨著壓力的變化而彎曲。這減小了電極之間的距離，從而增加了傳感元件的電容。在飛行器環(huán)境中當(dāng)大氣壓力降低時(shí)，膜片向外彎曲，導(dǎo)致電極之間的距離增加，導(dǎo)致傳感元件上的電容降低，反之增加。電容式壓力傳感器比壓電式壓力傳感器更容易獲得。這可能是制造工藝對(duì)電容式傳感器更便宜的結(jié)果。然而，它們的響應(yīng)時(shí)間往往比當(dāng)今市場(chǎng)上的壓電式壓力傳感器慢。

壓電效應(yīng)，可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。而在傳感器領(lǐng)域主要應(yīng)用到的是正壓電效應(yīng)，即當(dāng)壓電材料產(chǎn)生形變時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生電極化效應(yīng)，當(dāng)形變消失，材料又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。壓電傳感器的應(yīng)用同樣廣泛，在航天，核工程和醫(yī)學(xué)上有應(yīng)用，但是與我們?nèi)粘Ｉ钭钕⑾⑾嚓P(guān)的應(yīng)該就是在手機(jī)和觸屏的產(chǎn)品上的應(yīng)用。例如，手機(jī)上的重力傳感器，就是一種壓電傳感器，在手機(jī)橫豎屏切換時(shí)，傳感器內(nèi)部的一塊重物和壓電片整合，通過(guò)計(jì)算和測(cè)量正交兩個(gè)方向產(chǎn)生的電壓大小，來(lái)判斷方向。

扭矩類傳感器，是一種應(yīng)用于測(cè)量和記錄轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)中扭力的裝置，在引擎，變速箱等設(shè)備上都有應(yīng)用。該類傳感器分為兩種，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)，靜態(tài)類相對(duì)測(cè)量簡(jiǎn)單，而動(dòng)態(tài)類測(cè)量就會(huì)涉及到較多的其他干擾（電感，電磁等效應(yīng)）。總體上而言，扭矩傳感器比較成熟的檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用與壓阻效應(yīng)想的應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變扭片所搭成的應(yīng)變電橋，就可以測(cè)試出相應(yīng)的電信號(hào)。還有一種測(cè)量扭矩的方式是通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角或者叫相位偏移來(lái)測(cè)量應(yīng)用的扭矩大小的。

2.2 光學(xué)類傳感器：

光伏傳感器，俗稱太陽(yáng)能電池。光伏傳感單元是一種能對(duì)不同程度的光做感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電流或電壓的裝置。在低光照條件下，光伏傳感器不會(huì)產(chǎn)生電流。光伏單元很小并且產(chǎn)生電能的瓦數(shù)也很低，但是通常被用于大量的光伏單元組成的感應(yīng)面板，就能產(chǎn)生很大的電流。光伏單元所感應(yīng)的光僅限于可見(jiàn)光范圍。

光學(xué)傳感器是指當(dāng)光落在傳感器表面上時(shí)會(huì)產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成比例的電輸出。光學(xué)傳感器僅響應(yīng)電磁波譜中的一段很窄的頻率范圍，我們將其定義為“光”。這些頻率范圍從紅外到可見(jiàn)光，并持續(xù)到光譜的紫外區(qū)域。大多數(shù)光傳感器是用于將光譜段的光能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的無(wú)源裝置。光傳感器也稱為光傳感器或光電器件，因?yàn)樗鼈儗⒐庾愚D(zhuǎn)換成電子。我們可以將光電器件分為兩大類。一個(gè)在受光照時(shí)發(fā)電，例如光伏或光發(fā)射等;另一個(gè)在某種程度上改變它們的電特性，例如光電阻器或光導(dǎo)體等。因此，出現(xiàn)以下分類。

（1）光電發(fā)射單元

它們由諸如銫的光敏材料形成。當(dāng)被足夠能量的光子撞擊時(shí)，光敏材料釋放出自由電子。當(dāng)具有更高頻率、包含更高能量的光子撞擊時(shí)，它們更有可能產(chǎn)生更多的電能。

（2）光導(dǎo)電池單元

這些電池的電阻在受光照時(shí)會(huì)發(fā)生變化。它們由半導(dǎo)體材料制成，并且擊中它的光引起光電導(dǎo)性，其控制流過(guò)材料的電流。硫化鎘是制造光導(dǎo)電池的最常用材料，例如光敏電阻器或LDR。

（3）光伏電池單元

這些產(chǎn)生與輻射光能量下降成比例的電磁場(chǎng)或電動(dòng)勢(shì)。雖然在效果上類似于光電發(fā)射單元，但它們由夾在一起的兩種半導(dǎo)體材料構(gòu)成。太陽(yáng)能電池是現(xiàn)存最常見(jiàn)的光伏電池。

2.3 生命科學(xué)類傳感器：

生命科學(xué)類傳感器可以被分為兩大類：①為生物傳感器;②為生物醫(yī)學(xué)類傳感器;生物傳感器是一類比較特殊的傳感器，與傳統(tǒng)意義上的“器”不同，它所感受的是生物材料及其濃度的結(jié)構(gòu)，并可以將生物信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其它可輸出信號(hào)。通常意義上，生物傳感器具有受體和轉(zhuǎn)換器，類似于酶的工作原理，在受體感受到不同物質(zhì)及其濃度時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換單元的不同表現(xiàn)形式，輸出信號(hào)。這類傳感器主要包括：酶、細(xì)胞、抗體、DNA、化學(xué)電極，微生物和其他生物活性劑。目前應(yīng)用的技術(shù)主要有DNA測(cè)序、PH傳感器和生物探針等。

3各類傳感器未來(lái)與發(fā)展

傳感器的發(fā)展一直以來(lái)都是刺激著生產(chǎn)力進(jìn)步的核心動(dòng)力之一，傳感器的技術(shù)有多少進(jìn)步，一定程度上決定了有多少工作是可以替代人的參與的。因此，隨著目前人工智能、5G通訊、MEMS和半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器的發(fā)展方向也隨之明晰。

1.智能化：智能化對(duì)于傳感器而言是一次功能的升級(jí)，隨著傳感器可感知的參數(shù)越來(lái)越多，傳感系統(tǒng)的集成度提升，在傳感器端即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理、計(jì)算和通信的一系列環(huán)節(jié)，甚至可以配合其它的傳感器完成校準(zhǔn)，自適應(yīng)等提高精度的功能，不斷地提高自動(dòng)化水平，解放勞動(dòng)力。

2.無(wú)線化：伴隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線傳感器技術(shù)的能力也會(huì)得到質(zhì)的飛躍，這其中將會(huì)逐步解決動(dòng)力供給、遠(yuǎn)距離通信、云存儲(chǔ)等問(wèn)題，同時(shí)隨著通信能力的增強(qiáng)，對(duì)無(wú)線傳感控制的精確度也會(huì)隨之提升。這一方向技術(shù)的提升，對(duì)未來(lái)無(wú)論是軍事、智能家庭、農(nóng)林業(yè)、交通業(yè)和航空航天領(lǐng)域都會(huì)帶來(lái)一次技術(shù)的革新。

3.微觀化：MEMS技術(shù)的發(fā)展一直是近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)，無(wú)論是工藝、材料的進(jìn)步，還是設(shè)計(jì)的優(yōu)化都為傳感器進(jìn)入微觀領(lǐng)域提供了重要的技術(shù)支撐。這些技術(shù)提供了大批量可批量生產(chǎn)的技術(shù)系統(tǒng)，具有更小的尺寸、更低的功耗和更高的可靠性。在未來(lái)，汽車、移動(dòng)設(shè)備和醫(yī)療系統(tǒng)中都會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

4結(jié)論

傳感器技術(shù)的發(fā)展得益于制造技術(shù)和信號(hào)處理能力的協(xié)同提高。新的傳感器在很多的行業(yè)領(lǐng)域都是一股新鮮的血液，可顯著提高技術(shù)產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、穩(wěn)定性和效率。未來(lái)傳感器系統(tǒng)的智能化、小型化和集成化必然會(huì)不斷發(fā)展。對(duì)于當(dāng)下新技術(shù)的涌現(xiàn)，新型傳感器的開發(fā)需要給予更多的關(guān)注，這是工業(yè)與學(xué)術(shù)界需要共同努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張愛(ài)芹，王嫚，張輝，等.免標(biāo)記光學(xué)生物傳感器研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)通報(bào)，2017，81（1）：21-28.

[2]陳軍，安瑋，鄧新蒲，等.天基光學(xué)傳感器視線指向確定與校正[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2016（7）：296-302.

[3]陳露.金屬氧化物納米材料氣敏光學(xué)傳感器研究進(jìn)展[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（19）.