淺談傳感器的應用及發展

摘 要：現代測量技術、自動控制和人工智能等現代科技高速發展，作為技術領域的核心元部件，傳感器的地位和作用越來越重要。本文就傳感器的定義、組成及傳感器的應用進行了淺析，并展望了現代傳感器的發展前景。

關鍵詞：傳感器；應用；發展

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

近日風靡一時的電影《毒液》帶給我們是極具想象力和特效設計上的視覺沖擊，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”就是逐漸走進人們視野，融入人們生活的傳感器。作為現代信息技術的“主角”，了解傳感器的應用與發展非常重要。

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、化學成分等被測物理量，并按照一定的規律將其轉換為另一個物理量（通常是電壓、電流等電學量），或轉換為電路通斷[1]。

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和信號調節轉換電路三部分組成，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物理量，然后由轉換元件將其轉換成有用的電學量，通過信號調節轉換電路將轉換元件輸出的電學量進行放大、調制，并轉換成可以顯示和記錄的信號傳輸出來，完成信息的測量、轉換、放大和傳輸功能[3]。傳感器的工作原理如圖1所示。

3.傳感器的應用

傳感器的應用很廣，已經滲透到人們的生產、生活的幾乎所有領域，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、玻璃等大型生產企業中，自動控制占據極其重要的位置。生產過程中溫度、壓力、液位等過程參數的測量及自動控制，對于生產裝置安全、平穩、高效運行，確保產品質量和產量，同時節約原材料和使用能源極為重要。傳感器作為生產參數自動檢測和生產過程自動控制的首要環節和關鍵部件，它的性能如何，先進與否決定著企業的生產效率和產能。

一個簡單的單回路自動控制系統一般由被控對象、控制器、執行機構和測量元件（傳感器）等環節組成，如圖2所示。由于干擾等外界環境因素的影響，被控參數偏離給定值。控制回路的作用就是在控制通道上通過執行機構對被控對象施加影響，來抵消外界干擾，使被控參數控制在給定值上。這里傳感器的任務是為控制系統提供信息源，即對原始生產數據進行測量、轉換和處理，然后反饋給控制器。如果沒有精確可靠的傳感器，就沒有生產參數的精確控制，更沒有生產平穩、安全、高效、節能的運行，因此傳感器十分重要。

中國建設史上里程最長、施工難度最大、技術最復雜的跨海橋梁港珠澳大橋正式通車了[4]，據不完全統計，在港珠澳大橋橋段的關鍵位置布設了上千種傳感器，構成大橋精密的感知系統，實時、準確地監測著大橋的運行狀態，以便能及時處理大橋出現的各種問題和故障，確保大橋安全正常投用。其中金屬應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變變化轉化為電學信號的儀器[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變片，若在梁形試件的自由端施力F，則梁形試件發生形變，上表面拉伸，應變片的電阻變大[6]；下表面壓縮，應變片的電阻變小。外力F越大，形變越大，應變片的阻值變化越大。如果應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓U1變大，下面應變片兩端的電壓U2變小，傳感器將這兩個電壓的差值輸出，進而將使物體形變的力信號F轉化為電壓信號[7]。

金屬應變片式傳感器將測量信號轉換成電信號，輸出給顯示單元，供監測人員使用；同時還可以輸出執行機構產生某種自保動作，或者輸出給計算機系統，進行數據保存和相關處理。

4傳感技術發展趨勢

隨著現代科技的高速發展，時代的快速進步，人們對傳感器的功能多樣化，精度、靈敏度、穩定性、抗干擾能力等性能提出了越來越高的要求，致使傳感器的發展越來越先進，越來越復雜[8]。

智能手機是現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了，人們使用手機不但可以照相、上網購物、瀏覽網頁、搜索信息、看視頻、發抖音、聽音樂、玩游戲、閱讀小說等，而且還可以設定時鐘、手電筒、指南針、錄音、地圖導航定位等功能。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備。一個小巧的智能手機能夠完成如此復雜、多樣的功能，主要是因為其內部安有各種先進的傳感器，比如重力傳感器、旋轉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、高靈敏度等多種優點。正是由于傳感器技術的快速發展，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、新材料、新工藝、新技術層出不窮，技術推動和需求牽引使得大量高效、先進的新型傳感器被研制出來[9]。未來傳感器技術發展整體將呈現高精度、高可靠性、高靈敏度、寬溫度范圍、微功耗、精巧便攜、適應性強等特點，同時傳感器從單個元件、單一功能向固態化、微型化、多維化、集成化、數字化、圖像化、系統化、多功能化、智能化、網絡化方向發展。

5 結束語

如今，傳感器技術已融入到人類社會生活的方方面面，在醫療診斷、環境監測、節約能源、交通運輸、災害預測、安全防衛、生活娛樂、家用電器、氣象研究、智能樓宇、航天技術、軍事工程、工農業自動化、智能汽車、資源開發、海洋探測、通信電子、機器人技術等領域都有著極為廣泛的應用[10]，在人們的生產、生活中發揮著至關重要的作用。作為先進制造領域的關鍵技術之一，傳感器技術將在現代科技和智能汽車、物聯網、機器人、無人機、人工智能等產業需求的拉動下，更快速發展。

參考文獻：

[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. 傳感器的應用分類探析[D]. 江蘇海州高級中學， 2009.

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[4] 孟凡超，劉曉東，徐國平.港珠澳大橋主體工程總體設計[A].第十九屆全國橋梁學術會議論文集（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.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，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.傳感器的研究現狀與發展趨勢.青島科技大學學報，2017第38卷增刊1：11-13

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

[10]鄭筱莉. 淺談傳感器技術在教學中的應用[D]. 烏魯木齊成人教育學院學報， 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，學生。