高精度傳感器檢測技術的發(fā)展動向及應用

王健 熊福敏

(沈陽化工大學信息工程學院,遼寧沈陽 110142)

0 引言

傳感器是當前較為先進的一種儀器設備,其實質(zhì)是測量系統(tǒng)之中前置測量轉(zhuǎn)換設備,其可以將被測對象的非電變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒y量的電信號。傳感器技術是當前世界各個國家測控領域中受到人們側(cè)重關注的高新技術,其與計算機技術及通信技術共同組成了電信產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果將計算機比作是人體的大腦,通信網(wǎng)絡是人體結構中的神經(jīng)系統(tǒng),那么傳感器的作用就是人體的五官。在科學技術飛速發(fā)展的形勢下,傳感器技術整體水平顯得較為落后,但傳感器技術融合了諸多先進科學技術,且因其具有良好的優(yōu)越性能,因此運用到了諸多領域之中并取得了良好的成績。從某種層面上來看,傳感器技術也是判斷一個國家整體綜合實力的主要標準之一。在當前新的歷史時期中,科學技術的不斷發(fā)展為傳感器及相關測試專業(yè)技術的發(fā)展帶來了諸多機遇,高精度的傳感器與測量技術對科學技術的穩(wěn)步持續(xù)發(fā)展可起到重要推動作用。

1 概述

1.1 傳感器的定義

傳感器主要作用是將被測量某些物理、化學及生物等各方面信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯舆M行測量、顯示與處理的信息。因為電信信號在處理過程中較為方便,所以傳感器可被看做是將各類外界信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N設備。傳感器不單是人體各個感官的一種延伸,并且也能夠打破人類生理的限制,獲取人體感官無法獲得的信息,從而促使人類對自然界事物綜合情況加以了解。在經(jīng)過對“阿波羅10號”測量參數(shù)數(shù)目表進行綜合分析之后,研究人員確定了宇宙飛船就是一種綜合性較強的傳感器。這也表示物理檢測技術與傳感器技術在社會科學技術發(fā)展中起到了重要影響作用,能保證良好的效率和準確性,可將被測量轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之相對應的關系,從而為后續(xù)實踐運用提供良好的輔助測量裝置。對于傳感器來說,從字面上對其進行分析涉及兩個功能:測量和傳輸,也就是獲取被測量的信息,并將其傳遞給指定使用者。

1.2 傳感器的基本組成原理

就傳感器實際情況來看,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被測量物質(zhì)進行感受,并且將獲得的信息進行傳遞。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)之中進行轉(zhuǎn)換,即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵觥鞲衅骺蓪⒈粶y參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?隨后傳遞到測控電路之中,完成放大、計算和處理,這樣就可獲得被測物體的各項準確參數(shù)并利用有效的方法來完成控制。傳感器因其融合了大量先進科學知識,因此涉及專業(yè)知識較多,且需要運用大量專業(yè)技術。當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指標盡管不完全相同,但要求卻是一致的[1]。

2 高精度傳感器檢測技術發(fā)展動向分析

2.1 測量儀器的高精度和功能多元化發(fā)展

某個測量儀器的準確性或測量系統(tǒng)的性能提升,可有效促進數(shù)據(jù)精準性。在實施產(chǎn)品研制工作時,務必要做好相應實驗工作,針對物體性能參數(shù)加以有效的測量,隨后針對測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一收集和分析。在不同環(huán)境下進行多次實驗,所得到的最終測量參數(shù)才具有良好實用性。儀器精準度的提升,可有效降低實驗的次數(shù),控制實驗的成本。在提升測量儀器準確性的同時,儀器的功能也在不斷的擴展和提升,特別是計算機技術的發(fā)展促進了傳感和測量技術的良好發(fā)展,在一些測試系統(tǒng)之中,合理運用計算機技術可極大提高測量結果準確性。

2.2 參數(shù)測量與數(shù)據(jù)處理的自動化發(fā)展

在實施產(chǎn)品綜合試驗時,通常前期準備工作較為復雜,持續(xù)時間相對較長,需要測量的參數(shù)相對較多,所以需要進行前期的工作安排,并且設置多個數(shù)據(jù)通道。所有的通道狀態(tài)如果單純依賴人工操作進行檢查,那么就會花費較長時間,且檢查準確性相對較低。在當前新的歷史時期中,傳感與測量技術通常都是借助計算機來輔助完成各項工作,這樣所形成的自動測試系統(tǒng)可更高效完成故障的診斷、自主教研、信號調(diào)整、多路采集及信息處理,并可將輸出測試結果打印出來[2]。

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

傳感器具有信號檢測功能,在科技快速發(fā)展的推動下,正朝著高精度和高靈敏性方向邁進。新型材料尤其是新型半導體材料方面的發(fā)展,有效推動了相關物理量及氣體化學成分敏感器件的發(fā)展,例如光導纖維不但可以實踐運用到信號的傳輸,且可用作傳感器。其次,另一個受到人們關注的方面是,因為微電子發(fā)展而使部分電路或微處理器與傳感測量部分能融合為一個整體,但傳感器擁有放大、矯正與分析信號功能,因此會形成智能傳感器系統(tǒng)。智能傳感器技術是多種先進科學技術的融合體,在科學技術飛速發(fā)展推動下,其未來發(fā)展形勢可觀,與以往老舊模式傳感器相較,智能傳感器在準確性、穩(wěn)定性和分辨率等方面都更具優(yōu)勢。例如,軍事領域智能傳感器運用了并行處理技術與模擬識別信息處理技術,其為傳感器綜合性能的擴展提供了重要基礎。模糊處理器實質(zhì)是在以往老舊模式的數(shù)據(jù)集檢測方式基礎上,利用模糊推理方法將信息數(shù)據(jù)進行整合,將學習功能單元與符號處理單元融合,模擬人類語言符號,最終將測量結果輸出,從而實現(xiàn)在規(guī)定標準下將學習和符號推理進行切實運用,進而促進模糊傳感器可訓練性不斷提升,這也是該傳感器與其他普通傳感器最為明顯差別,且通過精準設計和模擬訓練,可滿足不同環(huán)境和條件對傳感器性能需求。集成化其實質(zhì)是將敏感元件、信號調(diào)節(jié)電路及電源整合在一個芯片上,并將檢測和信號處理集中在一起或?qū)⒍鄠€同類型傳感器安設在某個平面上形成陣列,可同時檢測多個物體性能信息。微型化傳感器其實質(zhì)是在新型技術上演變出來的一種先進儀器設備,當前我國研發(fā)出了多種不同類型微型傳感器,在實際運用時應結合各方面實際情況進行挑選使用。量子化其實質(zhì)是運用量子學原理檢測與計算微弱信號的傳感器。例如,運用核磁共振形成磁敏感傳感器,可將量程擴展到磁場之外。借助傳感器技術、通信技術及計算機技術有效促進了傳感器技術網(wǎng)絡化發(fā)展,從而也形成了網(wǎng)絡傳感器,最終提升了信息收集、傳輸和處理的一體化水平。網(wǎng)絡傳感器其實質(zhì)是利用傳感器進行網(wǎng)絡協(xié)議,將現(xiàn)場測控數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡中,借助網(wǎng)絡來進行對外公布和共享。網(wǎng)絡傳感器的出現(xiàn)使傳感器的功能得到良好擴展,促使其功能從被動檢測朝主動實施信息處理的方向邁進,推動了傳感器從實地測量朝遠距離在線測量方向過度,有效提升了資源利用效率,并為系統(tǒng)維護工作的實施提供了良好協(xié)助,從而促使系統(tǒng)得到了良好擴展。另外,在機器人工程發(fā)展中,需研發(fā)出高性能與小微型傳感器,因此還需從多個功能方面對傳感器傳感器進行不斷優(yōu)化與創(chuàng)新。

2.4 極端測量

當前,普通測量技術已達較為成熟狀態(tài),而那些計算狀況下測量,例如高溫或低溫測量與大尺度測量等整體專業(yè)技術水平較差,還需進行優(yōu)化和提升。以壓力測量為例,在火炮膛壓測試技術中,常規(guī)火炮膛壓小于600MPa測試運用銅柱測壓器或電測傳感器均可實現(xiàn)。為進一步延長火炮射程,提升設計精準性,增強炮彈威力,可在高膛壓火炮實施研究時,將膛壓進行適當調(diào)整使沖擊力提升,進而促使速度加快,因此所研發(fā)的測壓傳感器與測溫傳感器需保證在較強沖擊力下可穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[3]。

3 高精度傳感器檢測技術實際應用探究

在當前工業(yè)化生產(chǎn)領域快速發(fā)展形勢下,合理運用各種不同類型傳感器可有效促進在生產(chǎn)過程中設備能持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),從而提高生產(chǎn)效率。在科學技術快速發(fā)展影響下,傳感器綜合性能得到了良好提升,并被廣泛運用到諸多領域,取得了優(yōu)異成績。

3.1 光纖間距傳感器在機床監(jiān)控中的應用

針對當代高精度生產(chǎn)工作務必要全面的落實各個細節(jié)的監(jiān)控工作,并且對生產(chǎn)過程中涉及到的所有信息數(shù)據(jù)加以嚴格的把控,隨后這來信息數(shù)據(jù)可以利用基樁中安設的傳感器來加以獲取并且完成傳送。如果在生產(chǎn)過程中使用這類傳感器通常都是光纖傳感器,其檢測準確性較高,其實質(zhì)就是利用微型化光纖傳感器,將其安設在檢測儀器設備和機床設備之中,在將需要的信息數(shù)據(jù)進行收集之后,按照既定的線路進行傳遞。一般來說,光纖光纜外徑需要達到規(guī)定的標準,并且應當將其運用到精準度相對較高的機床之中加以實踐運用。

3.2 壓力傳感器在石化行業(yè)的應用

目前,各個行業(yè)都具有連續(xù)性生產(chǎn)特征,在生產(chǎn)過程中可利用壓力變送器為穩(wěn)定與高效進行生產(chǎn)工作提供輔助。測量活動往往在壓力環(huán)境或運行環(huán)境變化時發(fā)生移動情況,該移動對生產(chǎn)工作的有序進行會產(chǎn)生不利影響。因此,在多種環(huán)境下應全面進行測量工作,促使工業(yè)生產(chǎn)能保證良好穩(wěn)定性,且與工業(yè)技術的運用保證統(tǒng)一性。

3.3 傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測中的應用

傳感器網(wǎng)絡的運行主要是利用AdHoc方式組成專門網(wǎng)絡,其組成方式與無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡密切相關。該網(wǎng)絡最為重要作用是收集各項信息數(shù)據(jù),并獲取網(wǎng)絡覆蓋的范圍信息,隨后在網(wǎng)絡中進行對外公布與共享,從而為傳感器與觀察者進行信息傳遞提供良好輔助。當前,社會生產(chǎn)活動場所具有一定固定性,應重視實施環(huán)境安全性檢測工作,發(fā)現(xiàn)任何異常情況,系統(tǒng)可自行發(fā)出警報,從而可保證工作人員充分結合各方面實際情況選擇適當方并及時解決問題,盡可能避免各類危險事故發(fā)生[4]。

4 新型傳感器技術及產(chǎn)業(yè)發(fā)展動向

4.1 新納米管傳感器能檢測單個爆炸物分子

經(jīng)大量研究人員不懈努力,麻省理工大學發(fā)明了一種超靈敏新型探測儀器設備,可檢測到單個爆炸物分子,將檢測爆炸物性能提升了一個高度,并廣泛用于與各個領域,例如當前被大范圍加以運用的機場爆炸檢測儀器。

4.2 視覺傳感器和單層傳感器的問世

美國邦納研制了新款iVu系列視覺傳感器,通過使用邦納常規(guī)P3/P4型相機,對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,進光量多,因而可滿足快速運動場合。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,無需額外絕緣層或橋接器,與多點觸摸傳感器相較,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 結語

在社會科學技術快速發(fā)展推動下,傳感器技術水平得到了明顯提升,且傳感器技術水平能反映出一個國家科學技術發(fā)展狀態(tài)。當前,我國傳感器研發(fā)工作正朝綜合化方向邁進,并將各種不同類型的材料進行了實踐運用,從而使傳感器技術運用范圍得到了全面擴展,并在高精端領、現(xiàn)代化環(huán)境工程檢測與工程系統(tǒng)配套等領域中發(fā)揮了重要影響。另外,在物聯(lián)網(wǎng)技術及工業(yè)化全面發(fā)展中,利用高精度傳感器可對壓力、氣體、溫度、濕度與流量等進行精準測量,可獲取較大綜合效益。