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传感器技术在现代科学方面的主要应用

时间:2009年12月31日 作者:

传感器的应用领域相当广阔,从宇宙开发到科学测量,从工业交通到家用电器,还有环保气象、土木建筑、农林水产、医疗保健、金融流通、海洋及资源开发(如用速度传感器测定海水的流速及探测鱼群) 、信息处理及电视广播等都要应用传感器来获取信息、测量参数、调节控制。如用红外传感器进行图像处理和光通信,用光传感器、射线传感器分别检测紫外光、X射线及其它射线的存含量,在高温、高压、有毒及窄小等一切人所不能到达或不愿去的环境下均可应用传感器获取多种信息。
1、机械制造业
     在机械制造中,通过距离传感器可以识别物体的形状及其位置;在工业机器人中,要求它能从事越来越复杂的工作,对变化的环境能有更强的适应能力,要求能进行更精确的定位和控制,一个工业机器人用到的传感器,有位置、加速度、速度及压力等内部控测传感器,还有触觉、视觉、接近觉、听觉、嗅觉、味觉等外界控测传感器。例如,为了提高生产水平﹑保证生产质量,将视觉传感器引入到汽车零部件的装配线中(见图二视觉传感器的构成),从而实现对汽车零部件生产过程的严格监控,是一个非常灵活﹑高效﹑可靠的办法。
 


图7-1  视觉传感器的构成



又如,在制药包装行业中,利用视觉传感器检测药品包装情况(见图三检测药品贴标是否歪斜)。
 


图7-2 检测药品贴标

 

2、国防工业
     在国防工业中,传感器是决定武器的性能和实战能力的重要因素,使用传感器技术和计算机技术可发展智能化电子武器。如在远方战场监视系统、防空系统、雷达系统、导弹系统、飞机上都使用了许多传感器。如图四基于传感器的歼10战机珠海超猛起飞。
 


图7-3 基于传感器的歼10战机珠海超猛起飞

J-10采用线传控制系统。所谓飞机线传系统,它的设计原理简单的讲就是一个闭环负反馈控制系统,通俗地将就是在飞机上安装多个传感器用以检测飞机的飞行姿态,这些传感器把采集到的飞行姿态数据适时传输到飞机上的飞行控制电脑,电脑给这些数据一个负增益(就是乘以一个负数)并加入到飞机操控系统给出的控制数据中去,以产生一个最终的控制信号。
      传感器技术在军用电子系统中的运用,促进了武器、作战指挥、控制、监视和通信方面的智能化,提高了军事战斗力(如图五所示是建立我军网络化战场感知系统中大范围战场感知网络)。在宇航中,利用加速度传感器测量人造卫星的加速度。
 


图7-4 大范围战场感知网络


3、电力、石油、化学工业
     在电力、石油、化学工业中,为了保证生产过程能正常有效的进行,对工艺参数(如温度、压力、流量等)进行检测和控制,必须采用传感器检测出这些量,以便进行自动控制和集中管理。如冶金工业中的连续铸造生产过程中,钢包液体的检测和高炉铁水硫磷含量分析等,就需要多种多样的传感器为操作人员提供可靠的数据。
4、环保安全方面
     在环保、安全方面,传感器用于控测易燃、有毒、易爆气体的报警等。如制成的气体成分控测仪、气体报警器(见图六有毒/氧气气体检测报警器)、空气净化器等,可用于工厂、矿山、家庭、宾馆、娱乐场所等,对这些地方进行气体监测,以防火灾、爆炸等事故发生,确保环境清新、安全;利用超声波制成超声波汽车尾部防撞探测器和超声波实用探测电路探测器等;用于气囊系统的加速度传感器,能可靠地控测到汽车意外碰撞时加速度的变化信号,通过气囊完成对驾驶人员的人身保护;采用汽车尾气传感器和尾气催化剂(国际上已采用的汽车尾气传感器,为用掺杂的ZrO2做的电解质电池型或用TiO2做的金属氧化物半导体电阻型) ,解决了以汽油为燃料的汽车尾气污染问题;由于热释电红外探测器,对人体发出的微弱红外线能量最为敏感,它广泛用于对人体移动的探测,对仓库、商场等场地进行防盗报警和安全防范。
 


图7-5 有毒/氧气气体检测报警器示意图


5、医疗方面
     在医疗卫生方面,生物医学是传感器新的应用领域,通过离子敏感器件,能实现对种体液的综合检测;用DNA 生物传感器能将目的DNA 的存在转变为可检测的光、电、声等信号,它与传统的标记基因技术方法相比,具有快速、灵敏、操作简便、无污染、并具有分子识别、分离纯化基因等功能;应用约瑟夫逊效应制成的超导量子干涉器,就能检测到连人体自身都感受不到的———人脑及人体心脏所产生的极其微弱的磁场信号;可以用检测Na+ 、K+ 和H+ 离子传感器,同时检测出血液中的Na+ 、K+ 和H+ 离子浓度,对诊断心血管疾病有很大的适用价值。如图七脉搏传感器,可以进行脉率检测、无创心血管功能检测、妊高征检测、中医脉象诊断等。


 

图7-6 脉搏传感器


6、生活方面
     在生活方面,传感器应用也很广泛。如新一代高清晰度皮肤图像仪,采用目前最先进的硅指纹传感器技术,通过仪器与皮肤的短暂接触,即可绘制出分辨率为50 微米的高清晰度皮肤图像,迅速判断肌肤干湿状况。在家庭生活自动化中,利用多种传感器设计烹饪灶,还有洗衣机、空调机、毒气报警器也分别用到湿度、温度、气体等传感器。
      总之,传感器技术的重要性越来越为世界各国所认识,世界上许多国家在努力研究各种新型传感器系统,开发各种新型传感器已成为当前发展科学技术的主要课题之一。
 

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