高精度传感器检测技术的发展动向及应用

王健 熊福敏

(沈阳化工大学信息工程学院,辽宁沈阳 110142)

0 引言

传感器是当前较为先进的一种仪器设备,其实质是测量系统之中前置测量转换设备,其可以将被测对象的非电变量转变为可供测量的电信号。传感器技术是当前世界各个国家测控领域中受到人们侧重关注的高新技术,其与计算机技术及通信技术共同组成了电信产业的三大支柱。如果将计算机比作是人体的大脑,通信网络是人体结构中的神经系统,那么传感器的作用就是人体的五官。在科学技术飞速发展的形势下,传感器技术整体水平显得较为落后,但传感器技术融合了诸多先进科学技术,且因其具有良好的优越性能,因此运用到了诸多领域之中并取得了良好的成绩。从某种层面上来看,传感器技术也是判断一个国家整体综合实力的主要标准之一。在当前新的历史时期中,科学技术的不断发展为传感器及相关测试专业技术的发展带来了诸多机遇,高精度的传感器与测量技术对科学技术的稳步持续发展可起到重要推动作用。

1 概述

1.1 传感器的定义

传感器主要作用是将被测量某些物理、化学及生物等各方面信息转变为可直接进行测量、显示与处理的信息。因为电信信号在处理过程中较为方便,所以传感器可被看做是将各类外界信息转变为电信号的一种设备。传感器不单是人体各个感官的一种延伸,并且也能够打破人类生理的限制,获取人体感官无法获得的信息,从而促使人类对自然界事物综合情况加以了解。在经过对“阿波罗10号”测量参数数目表进行综合分析之后,研究人员确定了宇宙飞船就是一种综合性较强的传感器。这也表示物理检测技术与传感器技术在社会科学技术发展中起到了重要影响作用,能保证良好的效率和准确性,可将被测量转变为与之相对应的关系,从而为后续实践运用提供良好的辅助测量装置。对于传感器来说,从字面上对其进行分析涉及两个功能:测量和传输,也就是获取被测量的信息,并将其传递给指定使用者。

1.2 传感器的基本组成原理

就传感器实际情况来看,通常都是由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成。其中,敏感元件作用主要是对被测量物质进行感受,并且将获得的信息进行传递。转换元件所输出的信息与敏感元件是相同的,其能够将输入转变为电路参量。将以上电路参数输入到系统之中进行转换,即可转变为电量输出。传感器可将被测参数转变为电量,随后传递到测控电路之中,完成放大、计算和处理,这样就可获得被测物体的各项准确参数并利用有效的方法来完成控制。传感器因其融合了大量先进科学知识,因此涉及专业知识较多,且需要运用大量专业技术。当前使用最为频繁的传感器为:力敏传感器、热敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、加速度传感器及生物传感器等。各种不同类型传感器技术指标尽管不完全相同,但要求却是一致的[1]。

2 高精度传感器检测技术发展动向分析

2.1 测量仪器的高精度和功能多元化发展

某个测量仪器的准确性或测量系统的性能提升,可有效促进数据精准性。在实施产品研制工作时,务必要做好相应实验工作,针对物体性能参数加以有效的测量,随后针对测量的数据进行统一收集和分析。在不同环境下进行多次实验,所得到的最终测量参数才具有良好实用性。仪器精准度的提升,可有效降低实验的次数,控制实验的成本。在提升测量仪器准确性的同时,仪器的功能也在不断的扩展和提升,特别是计算机技术的发展促进了传感和测量技术的良好发展,在一些测试系统之中,合理运用计算机技术可极大提高测量结果准确性。

2.2 参数测量与数据处理的自动化发展

在实施产品综合试验时,通常前期准备工作较为复杂,持续时间相对较长,需要测量的参数相对较多,所以需要进行前期的工作安排,并且设置多个数据通道。所有的通道状态如果单纯依赖人工操作进行检查,那么就会花费较长时间,且检查准确性相对较低。在当前新的历史时期中,传感与测量技术通常都是借助计算机来辅助完成各项工作,这样所形成的自动测试系统可更高效完成故障的诊断、自主教研、信号调整、多路采集及信息处理,并可将输出测试结果打印出来[2]。

2.3 传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化发展

传感器具有信号检测功能,在科技快速发展的推动下,正朝着高精度和高灵敏性方向迈进。新型材料尤其是新型半导体材料方面的发展,有效推动了相关物理量及气体化学成分敏感器件的发展,例如光导纤维不但可以实践运用到信号的传输,且可用作传感器。其次,另一个受到人们关注的方面是,因为微电子发展而使部分电路或微处理器与传感测量部分能融合为一个整体,但传感器拥有放大、矫正与分析信号功能,因此会形成智能传感器系统。智能传感器技术是多种先进科学技术的融合体,在科学技术飞速发展推动下,其未来发展形势可观,与以往老旧模式传感器相较,智能传感器在准确性、稳定性和分辨率等方面都更具优势。例如,军事领域智能传感器运用了并行处理技术与模拟识别信息处理技术,其为传感器综合性能的扩展提供了重要基础。模糊处理器实质是在以往老旧模式的数据集检测方式基础上,利用模糊推理方法将信息数据进行整合,将学习功能单元与符号处理单元融合,模拟人类语言符号,最终将测量结果输出,从而实现在规定标准下将学习和符号推理进行切实运用,进而促进模糊传感器可训练性不断提升,这也是该传感器与其他普通传感器最为明显差别,且通过精准设计和模拟训练,可满足不同环境和条件对传感器性能需求。集成化其实质是将敏感元件、信号调节电路及电源整合在一个芯片上,并将检测和信号处理集中在一起或将多个同类型传感器安设在某个平面上形成阵列,可同时检测多个物体性能信息。微型化传感器其实质是在新型技术上演变出来的一种先进仪器设备,当前我国研发出了多种不同类型微型传感器,在实际运用时应结合各方面实际情况进行挑选使用。量子化其实质是运用量子学原理检测与计算微弱信号的传感器。例如,运用核磁共振形成磁敏感传感器,可将量程扩展到磁场之外。借助传感器技术、通信技术及计算机技术有效促进了传感器技术网络化发展,从而也形成了网络传感器,最终提升了信息收集、传输和处理的一体化水平。网络传感器其实质是利用传感器进行网络协议,将现场测控数据输入网络中,借助网络来进行对外公布和共享。网络传感器的出现使传感器的功能得到良好扩展,促使其功能从被动检测朝主动实施信息处理的方向迈进,推动了传感器从实地测量朝远距离在线测量方向过度,有效提升了资源利用效率,并为系统维护工作的实施提供了良好协助,从而促使系统得到了良好扩展。另外,在机器人工程发展中,需研发出高性能与小微型传感器,因此还需从多个功能方面对传感器传感器进行不断优化与创新。

2.4 极端测量

当前,普通测量技术已达较为成熟状态,而那些计算状况下测量,例如高温或低温测量与大尺度测量等整体专业技术水平较差,还需进行优化和提升。以压力测量为例,在火炮膛压测试技术中,常规火炮膛压小于600MPa测试运用铜柱测压器或电测传感器均可实现。为进一步延长火炮射程,提升设计精准性,增强炮弹威力,可在高膛压火炮实施研究时,将膛压进行适当调整使冲击力提升,进而促使速度加快,因此所研发的测压传感器与测温传感器需保证在较强冲击力下可稳定运转[3]。

3 高精度传感器检测技术实际应用探究

在当前工业化生产领域快速发展形势下,合理运用各种不同类型传感器可有效促进在生产过程中设备能持续稳定运转,从而提高生产效率。在科学技术快速发展影响下,传感器综合性能得到了良好提升,并被广泛运用到诸多领域,取得了优异成绩。

3.1 光纤间距传感器在机床监控中的应用

针对当代高精度生产工作务必要全面的落实各个细节的监控工作,并且对生产过程中涉及到的所有信息数据加以严格的把控,随后这来信息数据可以利用基桩中安设的传感器来加以获取并且完成传送。如果在生产过程中使用这类传感器通常都是光纤传感器,其检测准确性较高,其实质就是利用微型化光纤传感器,将其安设在检测仪器设备和机床设备之中,在将需要的信息数据进行收集之后,按照既定的线路进行传递。一般来说,光纤光缆外径需要达到规定的标准,并且应当将其运用到精准度相对较高的机床之中加以实践运用。

3.2 压力传感器在石化行业的应用

目前,各个行业都具有连续性生产特征,在生产过程中可利用压力变送器为稳定与高效进行生产工作提供辅助。测量活动往往在压力环境或运行环境变化时发生移动情况,该移动对生产工作的有序进行会产生不利影响。因此,在多种环境下应全面进行测量工作,促使工业生产能保证良好稳定性,且与工业技术的运用保证统一性。

3.3 传感器网络在环境监测中的应用

传感器网络的运行主要是利用AdHoc方式组成专门网络,其组成方式与无线网络和有线网络密切相关。该网络最为重要作用是收集各项信息数据,并获取网络覆盖的范围信息,随后在网络中进行对外公布与共享,从而为传感器与观察者进行信息传递提供良好辅助。当前,社会生产活动场所具有一定固定性,应重视实施环境安全性检测工作,发现任何异常情况,系统可自行发出警报,从而可保证工作人员充分结合各方面实际情况选择适当方并及时解决问题,尽可能避免各类危险事故发生[4]。

4 新型传感器技术及产业发展动向

4.1 新纳米管传感器能检测单个爆炸物分子

经大量研究人员不懈努力,麻省理工大学发明了一种超灵敏新型探测仪器设备,可检测到单个爆炸物分子,将检测爆炸物性能提升了一个高度,并广泛用于与各个领域,例如当前被大范围加以运用的机场爆炸检测仪器。

4.2 视觉传感器和单层传感器的问世

美国邦纳研制了新款iVu系列视觉传感器,通过使用邦纳常规P3/P4型相机,对不同的视野和物距可选择不同镜头,其由于C-mount镜头光圈大,进光量多,因而可满足快速运动场合。赛普拉斯推出了首款单层传感器(SLIM),其是一款单基底单层ITO触摸屏传感器,无需额外绝缘层或桥接器,与多点触摸传感器相较,可有效降低成本且能显著减少传感器模块厚度[5],大大提高了传感器性能。

5 结语

在社会科学技术快速发展推动下,传感器技术水平得到了明显提升,且传感器技术水平能反映出一个国家科学技术发展状态。当前,我国传感器研发工作正朝综合化方向迈进,并将各种不同类型的材料进行了实践运用,从而使传感器技术运用范围得到了全面扩展,并在高精端领、现代化环境工程检测与工程系统配套等领域中发挥了重要影响。另外,在物联网技术及工业化全面发展中,利用高精度传感器可对压力、气体、温度、湿度与流量等进行精准测量,可获取较大综合效益。