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| 传感器的应用 |
| 来源：中国仪器仪表大市场信息中心 时间：2008/7/24 浏览数：1957 【我要关闭】 |
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一、前言
人类首先必需从各类自然物质中提取信息，来达到了解自然与改造自然的目的。传感器作为人类从自然界提取信息的工具，自然地就承担起这一时代赋予的使命。
传感器区别于其它产品的主要特征是：
1. 品种的繁杂
这是因为各行业在发展过程中，都有提取信息的需求。而为了获取信息，各学科也都在研究着传感器。传感器种类之多，是可以想像得到的。
传感器品种之繁多还在于利用某一原理可以做出检测各种不同对象的传感器来，如利用光传感器不但可以检测光强、光位、颜色等光学参量，同时还可用它来测量转速、距离、温度等非光学量。而对于同一物理量又可利用很多不同原理的传感器来实现检测。如对于压力的测量，人们可用金属应变式、谐振式、半导体压阻式、电容式、压电式等原理来实现。正是这么众多的传感器品种，反映出传感器在当今科学技术中活跃的程度。所以用户在选型时要注意结合自身使用的具体情况来选用。
2. 使用面广
凡是人类活动所能涉及的地方，都有获取信息的需求，因此，传感器的应用已渗透到国民经济的每个角落。随着科技的发展，对信息采集量就会越来越多，传感器应用就越广泛。
二、在科学技术中的应用
科学技术可以说是由测量开始到测量结束。其测量目的是要获得关于研究对象的物理或化学性质的信息。
目前传感器的四个科研方向如下：
1.更高精度的测量
许多基础科学研究的障碍，首先就在于信息的获取存在着困难，而一些新机理和高灵敏度检测传感器的出现，就会导致该领域内技术上的突破。如利用约瑟夫逊效应器件，不仅解决了10－13T的超弱磁场的检测，同时还解决了对10－13T、10－17V、10－12A、10－23J等物理量的高精度测量。这对于多种基础科学研究和精密计量产生了巨大的影响。
2.高速度的测量
在某些传统的科学研究中要使用专用设备，经过一定物理，化学过程才能检测到数据。传感器正越来越多在取代着这些设备，不但使用方便，而且获取数据的速度更快了，特别对于某些在室外试验的课题，更是迫切需要传感器来解决他们的检测需求。
3.分布参量的测量
在传统的研究中，要对电场、磁场、温度场、流速分布等进行描绘是极为复杂的。现在可以利用在场中分布的一些微小型传感器取出信息，通过计算机方便迅速地将各类场的状态直观地显示在研究者的面前，这样就可使实验结果或工程计算更精确、省时。
4.难以涉及区域的测量
利用传感器可以获取人类无法涉足的区域的各种信息。如人类利用宇宙飞船上的传感器采集宇宙及外星球上的各种信息。也可利用传感器去采集深海底部的各种信息，以及采集各种危害人类生命或健康的区域的各种信息。
三、工业过程控制中的应用
人类要改造自然，首先就遇到要控制、操纵及管理某些物质过程的问题。为了提高效率，并将自己从重复性活动中解放出来，深入到自己无法接触的环境中去，人们一直在为制造自行控制的机器而奋斗着。要实现控制过程就离不开信息的获取，也就离不开传感器。以冶金工业过程控制为例，其自动化水平关键
取决于计算机与传感器，而当前计算机已具备了足够的承担能力。因此，是否能获取准确信息的传感器对冶金工业自动化系统，就显得更为重要了。
在冶金工业操作过程中需检测的信息，大约有如下四类：
1.操作控制所需信息
燃结设备中烧结层内的温度及其分布；
燃烧室及碳化室温度；
铁水、钢水温度及其成分；
炼焦中成焦过程的逸出气体；
炼铁过程中入炉粒度；
焦矿层厚；
风口支管煤量；
炼钢过程带渣出钢；
连铸过程的结壳厚度；
板、带轧机的钢带头部形状、钢板全部形状及轧辊形状。
2.设备诊断类信息
烧结台风量分布；
焦炉废气、煤尘浓度；
高炉炉墙及炉底侵蚀状态；
连铸的辊间距；
结晶器的倒锥度。
3.安全及自动化信息
原料场堆取料机的防撞；
对地距离及方位。
4.质量信息
烧结矿成分；
碱度；
硅、硫含量；
钢水中的碳、磷、氧、氮含量；
炉外精炼的全元素分析；
型钢尺寸；
钢板涂油层厚；
钢板缺陷；
线材椭圆度。
可以看出，一个产品在制造过程中所需检测的信息量是极为丰富的，而对应于一个信息就需有一种若干个传感器去采集。由此看出在工业过程控制中，传感器是有着举足轻重的地位的。
四、工业监测中的应用
对于各种工业产品，要想在技术和质量上大幅度提高，必须发展计测技术。如要制造一台高级精密机械，就必需对它们的零部件进行高精度加工。如一根钢料零件，要求尺寸误差达到0.01mm以下。因为料坯经车刀高速切削，立即达到高温，使零件产生热膨胀，当加工完成后，由于对每个工件检测的时间有误差，零件冷却程度不一，所以零件温度不完全相同。这就使加工精度失去意义。当利用传感器及微机进行动态监控，零件温度设定在20℃作为基准，把加工时测出的零件的温度输入计算机，则计算机将给出在该温度下合格的尺寸数据，，利用这种在线检测程控，就可保证加工精度。同样还可对车刀受力大小、振动状态、受冲击力大小进行控制。又例如在农业工厂中，要研制一种能够在较小面积上高速培育和收获某种作物的系统，那么这种系统就应该具有种子或幼苗进入系统后，能够提供最适宜的温度、水分、肥料、光照、湿度、空气成分等功能。为此就必须采用便于测量温度、水分、肥料、CO2、O2等种种参数的传感器。
五、医疗诊断技术中的应用
在人类的活动中，医疗工作是最普及的活动之一，因为它与每一个人的健康相联系。以往的医疗工作在促进健康、早期发现、早期治疗疾病等方面发挥了巨大作用。对一个病人的治疗，首先必须掌握病人健康状况的各种信息，信息越全面、越准确，则对诊断越有利。
目前，电子技术已经进入医学领域。医学与电子学的结合，称为医用电子学（ME）。目前已实用化的ME机器主要有：
心电图机；
电子血压计；
脑电图机；
肌电图机；
血液分析装置；
医用体温记录器；
超声波CT装置；
X线CT装置；
人工脏器；假肢等。
在以上各种装置中，传感器都起着重要作用。当前已使用的各种医用传感器实例列于下表。
测定量传感器测定对象例子
温度热敏电阻器半导体红外线检测仪体温身体表面温度分布消化器官内部温度
压力椭圆计差动变压器半导体椭圆计光导纤维传感器静脉血压胸腔内压膀胱内压动脉血压分娩时子宫内腔压
速度及流量电磁流量计探针超声波探测器热敏电阻器差压型气流速计热线型气流速计超声波气流速计动静脉内血流速度心跳动量体腔内血管流量呼气吸气速度吸气流量
振动半导体椭圆计压电传感器光传感器脉波心脏跳动波心音胎儿心音
电位差银－卤化银电极心电肌电脑电
成分呼出气体传感器呼出气体
随着医用电子学的进步，医生们靠经验判断的时代已将成为过去。最明显的以中医为例。中医的诊断，主要依靠“望、闻、问、切”四种方法获取患者的信息，进行综合、丰富的临床经验予以诊断。那么这四种经验可否量化呢？按照目前科技水平是有望做到的。如
“切”，医生靠号脉，而按目前传感技术水平，完全可以制做出一台高分辨率的脉象仪来。利用脉象仪可以对每类病理不同的脉搏形态（脉强、脉频、脉搏波形）进行归类，找出特征，存入专家系统，今后就可将每一位病人的脉象通过专家系统予以识别，对于“望”，则可将病人脸部病态（眼球光泽、脸部血色、嘴角、眉梢、眼角的位移）归类，找出特征，亦输入专家系统，这可通过光传感器及计算机成像技术予以实现。“闻”与“问”则可通过规范化的问答由传感器输入专家系统予以识别，这样一来，一台中医诊断机器就可将信息综合，给病人以确诊。
六、汽车行业中的应用
现代的“汽车”观念正发生着巨大的变化，正向着能满足人类需求的安全、舒适、方便、无污染的方向发展。
汽车由人驾驶并在道路上行驶。这样，人－车－道路三位一体，便构成了一个有机的、完整的汽车交通系统。为了适应现代观念的要求，就必须使汽车及其使用环境智能化、高科技化。而高科技对该系统的支持技术之一就是传感器技术。
汽车所需求的信息都是依靠传感器来获取的。那么，汽车对信息的需求目前都有哪些呢？
车辆本身所需的信息包括检测车辆运动状态的信息、检测驾驶操纵状态所需的信息、车辆控制所需的信息、运动环境检测所需的信息、异常状态监控所需的信息等。
1.车辆运动状态的信息
这类信息包括车速、加速度、回转角速度等参数。它们不仅是各种车辆控制基础，且对驾驶员的心理状态和驾驶操纵等都有影响，同时也是驾驶支持系统和各种情报提供系统的重要组成部分。
2.驾驶操纵状态的信息
这类信息包括转向、加速、制动等参数。它是检测驾驶员操纵意志以及操纵状态的重要数据。
3.车辆控制的信息
其中包括发动机的控制、变速器的控制、驱动力矩控制、悬架控制、转向控制等各种参数。
4.运动环境检测的信息
这里包括行驶环境识别、空调器功效等参数。
5.异常状态监控的信息
包括单侧车轮制动状态、燃油残留量、轮胎气压等参数。
外界传感器检测车辆周围的其它车辆、步行者、障碍物、路面形状和路面湿润状况、气象、外来光等各种各样的信息，通常利用超声波、电波、光波等进行检测。其中，检测车辆周围和障碍物的光学参数占有极重要位置，它是图形处理技术的基础。
驾驶员处于过度疲劳、瞌睡、饮酒、急病等状态时，危险时刻会随时发生。其中瞌睡直接导致的交通事故比率很高，所以即时检测出驾驶员的异常状况是非常重要的。通常可通过检测驾驶员的脑电波、眼球运动、皮肤电位、心跳及呼出气体等方法来确定驾驶员的生理状态。也可通过驾驶操纵动作来判别。
位置测量是向车辆提供交通情报服务以及实现自动驾驶的基础。它包括利用车载传感器测量绝对位置和利用激光、超声波、红外线等传感器进行近距离的相对位置测量，如车间距、与障碍物间距等。
综上所述，关于汽车所需求的信息量如表2所列，大致分汽车本身所需求信息及汽车相关的信息。
类别信息内容
本身信息温度、压力、加速度、旋转角、转速、流量、湿度、振动、气体
相关信息流通量、持续长度、定点速度、区间速度、车间距、空间密度、时间密度、行驶时间、噪声、大气污染
七、环境监测中的应用
随着科学技术的不断进步，人们创造经济繁荣局面和增加财富的同时，也大量地消耗着石化燃料及产生出新的污染物质。这些物质对人体有着明显的毒性和致癌性。因此，国际上工业发达的国家都制订了相应的环境保护法规，加强了对环境的控制和监测，我国也不例外。对环境的监控主要包括大气污染、水质污染及噪声等几个方面。
1.传感器用于水质的监测
水是人类生存环境的重要组成部分，是生活和生产必不可少的重要资源。本世纪下半叶，随着各种自然资源的滥开滥用，环境污染越加严重，生产和生活排出大量污水，含有诸多有害因素，正严重危害着人类的健康。因此，对水质的监控已受到人类的足够重视，水质监测用传感器正在迅速被推广应用。
按有关标准,目前对水质监测的指标约有四十多项，其中约有90％的项目都可或将可以用传感器
来实现监测。在传统的监测方法中常使用天平、离子选择电极及PH计、电导仪、紫外－可见光光度计、原子吸收分光光度计、冷原子吸收测汞仪、气相色谱仪等。其中除离子选择电极外，其余都不适合于携带，所以通常对水质的监测都使用采样－保存－测定的过程，因此，我国对水质的检测绝大部分是定期定点进行。由于监测手段成本高，操作者要有较高的技能，并且应具有丰富的经验。因此，迫切需要使用方便、价廉的监测用传感器。从目前的进展看，光纤传感器、生物传感器、原膜微型电极这三类传感器正在或将要在水质监测中发挥应有的作用。其中，已实用的光纤传感器有光纤PH传感器、光纤离子传感器、光纤化合物检测器、光纤浊度传感器等；生物传感器有免疫传感器、酶传感器、微生物传感器、药物传感器等；厚膜微型电极有检测氨、氯和溶解氧的微型电极和检测重金属（Cu、Pb、Cd、Hg、Ag等）的微型电极。
2.传感器用于大气检测与控制
目前检测大气中主要的有毒有害气体的方法是：①使用适当的吸收液试样与大气中的被测成分发生反应，根据反应结果产生的电导率的变化（SO2）、色彩程度（NOX、氧化剂）、离子浓度（氟化合物）的增加等来测定；②根据红外线吸收的程度来测量（CO）；③利用气体色层分离法，分离各种成分后，根据氢焰的电导率增加程度来进行测量（碳化氢）等。上述这些方法都需采用大型分析设备，不但造价高，而且操作复杂。目前在线检测装置及一系列新的检测任务，都需要采用大量新式传感器。这些传感器的应用可分两类：一类作为测量用，该类目前多数采用光纤传感器及电化学传感器来定量检测大气中有毒有害气体；一类作为控制与报警，目前一般采用光传感器及半导体氧化物传感器，用来进行报警与控制。
八、生态控制及其相关行业中的应用
中国是一个农业大国，大部分人口还工作和散住在农村。目前，一个用科技改造传统农业的高潮正在兴起，畜牧业、渔业、林业也在迅速发展，并提高科技含量。由于农、林、牧、渔业的发展，随之而来的农产品储存、保鲜、深加工业也会有较大的发展，在这些行业的发展中，离不开动植物的生态控制及加工业的产品质量与生产效率的控制。这些控制都离不开传感器，如大棚作物生态监控需测养料PH值、CO与O2含量、温度、湿度等参数及进行农药检验。畜牧养殖圈棚及渔塘环境监控需测温度、湿度、CO、O2及其它有毒害的气体的含量。林区火警系统需检测温度、烟雾、风速、风向等参数。粮食仓储又需测温度、湿度、空气流量等参数，这是未来传感器的又一潜在市场。
九、传感器在国防建设中的应用
高技术武器发展的主要特征是电子化，其核心技术则是传感器技术和计算机技术。在战场上一方面靠外部传感器快速发现与精确测定敌方目标，并通过计算机控制火炮，快速精确地击中目标；另一方面，靠各种内部传感器，测定火控系统、发动机系统等各部位的各类参数，通过计算机控制，用以保证武器本身处于最佳状态，发挥最大效能。
1.传感器在航天航空方面的应用
传感器在航天方面有四种用途，即：提供航天器工作信息，起诊断作用；判断各分系统间工作的协调性，验证设计方案；提供全系统自检所需信息，为指挥员提供依据；提供各分系统和整机内部的检测数据，验证设计的正确性。
美国航天飞机上使用的传感器约有100多种4000多个。俄罗斯大型运载火箭、载人飞船所需的传感器也相应迅速增长。其品种多样，如压力、压差、绝对压力、温度、热流、耗量、燃气浓度、介质成分、密度、湿度、应变、摩擦电场、磁场、生物电势等各类信息的传感器。欧洲航天局的阿里安娜火箭在试验阶段所需测量的参数，常规型达到1100个，低温型达到600个。
在军用航空方面，各国都强调空中优势与防御。目前每架军用飞机需20多种力学量传感器对操纵杆推拉力、起着陆冲击力、发动机推动力、救生装置弹射力、进气管压力场的分布及动态中各种压力、振动、加速度、角加速度、位移等参量进行测量，还需要测量过载和燃油、飞行员呼吸气流量等参数，检测机舱内含氧量、舱内烟雾报警，机械火控系统的红外、隐形用的传感器等。
2.传感器在主战坦克中的应用
坦克的电子化是衡量坦克先进性的一个重要标志，其传感器主要有：①发动机系统中使用的有绝对压力、速度、流量、温度、氧分压传感器等，用来监测、控制发动机，从而使坦克达到加速快、控制自如，以
最少能耗保证最大的动力；②火力系统中使用的有倾斜、药温及环境温度、压力、风向、风速传感器等，以保证火力系统自动瞄准目标，并根据火炮及外界环境条件及时修正；③故障诊断系统主要需要温度、压力、压差、转速、扭矩等传感器，对战车整体进行故障诊断；④红外传感器是主战坦克中保证全天候作战能力的热成像仪的关键部件。
⒊传感器在舰船上的应用
现代舰船装备的传感器群中包括压力、位置、速度、扭矩、流量、偏航速率等。每万吨级使用温度传感器达150多个，压力传感器150多个。吨位越大，用量越多。在猎雷灭雷武器技术装备中使用声、磁、光、电传感器。另外，为了解自然环境对系统性能的影响，需要配备监测自然环境参数的各种传感器。以主动声纳为重点的舰艇传感器，是保障武器实施有效攻击的先决条件之一。因此，由压电材料制成的声纳在舰艇上也是不可缺少的。
⒋地面战场警戒系统的应用
该系统能及时准确检测、定位、分类识别和实时报告所有入侵人员和武器装备、车辆的活动情况。如美国的REMBASS系统由三个分系统组成：传感器分系统、传输分系统（转发器）如监测分系统（监测仪），该系统采用了地震/声、红外、磁、压力、应变等传感器采集信息。
⒌军用机器人方面的应用
在未来的战场上，机器人将会代替士兵去做许多困难的工作。它可以在沙漠和丛林中行走，可以穿越战线到敌后进行侦察、布雷及运送物资的工作。机器人能够在人难以忍受的环境中，或在危险的情况下去执行任务。军用机器人需配备的传感器见图1。
⒍在军事化学器材方面的应用
一些国家为了对付可能使用的化学武器，准备了大量的防毒面具、防护服、防护帐篷。同时也准备了大量的化学侦察器材。如美国已有了微型毒剂报警器、微型芥子气报警器，还有XM21型遥感式毒剂报警器等。
十、结束语
由于篇幅所限，本文仅就当今传感器在我国国民经济及国防建设中影响较显著的应用领域加以宏观介绍。当前传感器还广泛被采用在气象、衡器、消防器材、家电等行业之中。传感器应用分布实在太广，已渗透到国民经济每个角落，它对人类活动所能涉及的所有方面都在发挥着作用。因为只要有信息，就需要利用传感器去采集。所以很难用一两篇文章去概括。至于传感器在每个领域中是如何应用的，将另撰专文予以介绍。 |
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