國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是:“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

一、主要特點

傳感器的特點包括:微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化,它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和更新?lián)Q代,而且還可能建立新型工業(yè),從而成為21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點。微型化是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)基礎(chǔ)上的,已成功應(yīng)用在硅器件上做成硅壓力傳感器。

二、組成

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)理電路和輔助電路組成。但并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。

如果敏感元件直接輸出的是電量,它就同時兼為轉(zhuǎn)換元件,因此,敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者合一的傳感器是很多的。例如:壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。

1.敏感元件(預(yù)變換器):是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量(非電量)并輸出與之成確定關(guān)系的其他量(非電量)的部分。

(在完成非電量到電量的變換時,并非所有的非電量都能利用現(xiàn)有手段直接變換為電量,往往是將被測非電量預(yù)先變換為另一種易于變換成電量的非電量,然后再變換為電量。能夠完成預(yù)變換的器件稱為敏感元件)。

2.轉(zhuǎn)換元件:是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)到的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的可用輸出信號(一般為電信號)的部分。

3.信號調(diào)理電路:是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。

類型視轉(zhuǎn)換元件的分類而定,經(jīng)常采用的有電橋電路、放大器、振蕩器、阻抗變換、補(bǔ)償及其它特殊電路,如高阻抗輸入電路、脈沖調(diào)寬電路等。

4.輔助電路:通常指電源,即交、直流供電系統(tǒng)。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

1.環(huán)境保護(hù)

目前,地球的大氣污染、水質(zhì)污濁及噪聲已嚴(yán)重地破壞了地球的生態(tài)平衡和我們賴以生存的環(huán)境,這一現(xiàn)狀已引起了世界各國的重視。為保護(hù)環(huán)境,利用傳感器制成的各種環(huán)境監(jiān)測儀器正在發(fā)揮著積極的作用。

中國現(xiàn)在的環(huán)境受到了極大的污染,主要是工業(yè)的發(fā)展造成了嚴(yán)重的污染。長江、黃河等水域都有不同程度的污染;空氣現(xiàn)在的空氣也不新鮮,特別是在有工業(yè)的地方,比如說PM2.5等超標(biāo);這些都是通過傳感器檢測出來的。

2.機(jī)器人

目前,在勞動強(qiáng)度大或危險作業(yè)的場所,已逐步使用機(jī)器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作,由機(jī)器人來承擔(dān)也是非常合適的。但這些機(jī)器人多數(shù)是用來進(jìn)行加工、組裝、檢驗等工作,屑于生產(chǎn)用的自動機(jī)械式的單能機(jī)器人。在這些機(jī)器人身上僅采用了檢測臂的位置和角度的傳感器。

要使機(jī)器人和人的功能更為接近,以便從事更高級的工作,要求機(jī)器人能有判斷能力,這就要給機(jī)器人安裝物體檢口傳感器,特別是視覺傳感器和觸覺傳感器,使機(jī)器人通過視覺對物體進(jìn)行識別和檢測,通過觸覺對物體產(chǎn)生壓覺、力覺、滑動感覺和重量感覺。這類機(jī)器人被稱為智能機(jī)器人,它不僅可以從事特殊的作業(yè),而且一般的生產(chǎn)、事務(wù)和家務(wù),全部可由智能機(jī)器人去處理,這是現(xiàn)在發(fā)展機(jī)器人的主要研究對象之一。

3.家用電器

現(xiàn)代家用電器中普遍應(yīng)用著傳感器。傳感器在電子爐灶、自動電飯鍋、吸塵器、空調(diào)器、電子熱水器、熱風(fēng)取暖器、風(fēng)干器、報警器、電樊斗、電風(fēng)扇、游戲機(jī)、電子驅(qū)蚊器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、照像機(jī)、電冰箱、彩色及平板電視機(jī)、錄像機(jī)、錄音機(jī)、收音機(jī)、影碟機(jī)及家庭影院等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

4.物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)指的是將無處不在(Ubiquitous)的末端設(shè)備(Devices)和設(shè)施(Facilities),包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、移動終端、工業(yè)系統(tǒng)、樓控系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”(Enabled)的,如貼上RFID的各種資產(chǎn)(Assets)、攜帶無線終端的個人與車輛等“智能化物件或動物”或“智能塵埃”(Mote),通過各種無線/有線的長距離/短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通(M2M)、應(yīng)用大集成(Grand Integration)、以及基于云計算的SaaS營運(yùn)等模式,提供安全可控乃至個性化的實時在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級、統(tǒng)計報表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面(集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服務(wù)功能,實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化。簡單的講,物聯(lián)網(wǎng)是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制,在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有三項關(guān)鍵技術(shù)其中就包括傳感器技術(shù)。

5.醫(yī)學(xué)

隨著醫(yī)用電子學(xué)的發(fā)展,僅憑醫(yī)生的經(jīng)驗和感覺進(jìn)行診斷的時代將會結(jié)束。現(xiàn)在,應(yīng)用醫(yī)用傳感器可以對人體的表面和內(nèi)部溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液及呼吸流量、腫瘤、血液的分析、脈波及心音、心腦電波等進(jìn)行高難度的診斷。顯然,傳感器對促進(jìn)醫(yī)療技術(shù)的高度發(fā)展起著非常重要的作用。

6.遙感技術(shù)

衛(wèi)星遙感(satellite remote sensing)是航天遙感的組成部分,以人造地球衛(wèi)星作為遙感平臺,主要利用衛(wèi)星對地球和低層大氣進(jìn)行光學(xué)和電子觀測。即從遠(yuǎn)離地面的不同工作平臺上(如高塔、氣球、飛機(jī)、火箭、人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)等)通過傳感器,對地球表面的電磁波(輻射)信息進(jìn)行探測,并經(jīng)信息的傳輸、處理和判讀分析,對地球的資源與環(huán)境進(jìn)行探測和監(jiān)測的綜合性技術(shù)。

在飛機(jī)及航天飛行器上裝用的傳感器是近紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線及微波等傳感器。在船舶上向水下觀測時多采用超聲波傳感器。例如,要探測一些礦產(chǎn)資源埋藏在什么地區(qū),就可以利用人造衛(wèi)星上的紅外接受傳感器從地面發(fā)出的紅外線的量進(jìn)行測量,然后由人造衛(wèi)星通過微波再發(fā)送到地面站,經(jīng)地面站計算機(jī)處理,便可根據(jù)紅外線分布的差異判斷出埋有礦藏的地區(qū)。

7.軍事領(lǐng)域

現(xiàn)在的戰(zhàn)場都是信息化戰(zhàn)場,而信息化是絕對離不開傳感器的。可以說無時不用、無處不用,大到星體、兩彈、飛機(jī)、艦船、坦克、火炮等裝備系統(tǒng),小到單兵作戰(zhàn)武器;從參戰(zhàn)的武器系統(tǒng)到后勤保障;從軍事科學(xué)試驗到軍事裝備工程;從戰(zhàn)場作戰(zhàn)到戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)指揮;從戰(zhàn)爭準(zhǔn)備、戰(zhàn)略決策到戰(zhàn)爭實施,遍及整個作戰(zhàn)系統(tǒng)及戰(zhàn)爭的全過程,而且必將在未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭中促使作戰(zhàn)的時域、空域和頻域更加擴(kuò)大,更加影響和改變作戰(zhàn)的方式和效率,大幅度提高武器的威力和作戰(zhàn)指揮及戰(zhàn)場管理能力。


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