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摘 要：现代测量技术、自动控制和人工智能等现代科技高速发展，作为技术领域的核心元部件，传感器的地位和作用越来越重要。本文就传感器的定义、组成及传感器的应用进行了浅析，并展望了现代传感器的发展前景。
关键词：传感器；应用；发展
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
近日风靡一时的电影《毒液》带给我们是极具想象力和特效设计上的视觉冲击，神秘外星元素，精彩的附身特效，华丽的特技镜头使观众热血沸腾。这背后隐藏的“黑科技”就是逐渐走进人们视野，融入人们生活的传感器。作为现代信息技术的“主角”，了解传感器的应用与发展非常重要。
2. 传感器组成及其工作原理
传感器作为信息检测、采集元器件，能够感知如力、温度、光、声、化学成分等被测物理量，并按照一定的规律将其转换为另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路通断[1]。
传感器一般由敏感元件、转换元件和信号调节转换电路三部分组成，有时还需要加辅助电源[2]。首先传感器的敏感元件感知到被测对象的非电学物理量，然后由转换元件将其转换成有用的电学量，通过信号调节转换电路将转换元件输出的电学量进行放大、调制，并转换成可以显示和记录的信号传输出来，完成信息的测量、转换、放大和传输功能[3]。传感器的工作原理如图1所示。
3.传感器的应用
传感器的应用很广，已经渗透到人们的生产、生活的几乎所有领域，无所不在，广泛影响着我们的生活，有着举足轻重的地位。
在我国核电站、石油化工、汽车制造、钢铁、水泥、玻璃等大型生产企业中，自动控制占据极其重要的位置。生产过程中温度、压力、液位等过程参数的测量及自动控制，对于生产装置安全、平稳、高效运行，确保产品质量和产量，同时节约原材料和使用能源极为重要。传感器作为生产参数自动检测和生产过程自动控制的首要环节和关键部件，它的性能如何，先进与否决定着企业的生产效率和产能。
一个简单的单回路自动控制系统一般由被控对象、控制器、执行机构和测量元件（传感器）等环节组成，如图2所示。由于干扰等外界环境因素的影响，被控参数偏离给定值。控制回路的作用就是在控制通道上通过执行机构对被控对象施加影响，来抵消外界干扰，使被控参数控制在给定值上。这里传感器的任务是为控制系统提供信息源，即对原始生产数据进行测量、转换和处理，然后反馈给控制器。如果没有精确可靠的传感器，就没有生产参数的精确控制，更没有生产平穩、安全、高效、节能的运行，因此传感器十分重要。
中国建设史上里程最长、施工难度最大、技术最复杂的跨海桥梁港珠澳大桥正式通车了[4]，据不完全统计，在港珠澳大桥桥段的关键位置布设了上千种传感器，构成大桥精密的感知系统，实时、准确地监测着大桥的运行状态，以便能及时处理大桥出现的各种问题和故障，确保大桥安全正常投用。其中金属应变片式传感器是一种力传感器，它是利用敏感元件将试件上的应变变化转化为电学信号的仪器[5]。其工作机理如图3所示，弹簧钢制成的梁形试件右端固定，在梁形试件的上下表面各贴一个同样的应变片，若在梁形试件的自由端施力F，则梁形试件发生形变，上表面拉伸，应变片的电阻变大[6]；下表面压缩，应变片的电阻变小。外力F越大，形变越大，应变片的阻值变化越大。如果应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压U1变大，下面应变片两端的电压U2变小，传感器将这两个电压的差值输出，进而将使物体形变的力信号F转化为电压信号[7]。
金属应变片式传感器将测量信号转换成电信号，输出给显示单元，供监测人员使用；同时还可以输出执行机构产生某种自保动作，或者输出给计算机系统，进行数据保存和相关处理。
4传感技术发展趋势
随着现代科技的高速发展，时代的快速进步，人们对传感器的功能多样化，精度、灵敏度、稳定性、抗干扰能力等性能提出了越来越高的要求，致使传感器的发展越来越先进，越来越复杂[8]。
智能手机是现代人生活中不可或缺的通信工具。最初期的手机只能用来通话和互发短信，而且体积较大、重量较沉。后来魅力无穷，让人爱不释手的智能手机出现了，人们使用手机不但可以照相、上网购物、浏览网页、搜索信息、看视频、发抖音、听音乐、玩游戏、阅读小说等，而且还可以设定时钟、手电筒、指南针、录音、地图导航定位等功能。智能手机已不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。一个小巧的智能手机能够完成如此复杂、多样的功能，主要是因为其内部安有各种先进的传感器，比如重力传感器、旋转矢量传感器和距离传感器等。这些传感器功能强大、体积微小，集成度高，具有高精度、高灵敏度等多种优点。正是由于传感器技术的快速发展，才使得手机的功能越来越强大，越来越智能。 随着新理论、新效应、新材料、新工艺、新技术层出不穷，技术推动和需求牵引使得大量高效、先进的新型传感器被研制出来[9]。未来传感器技术发展整体将呈现高精度、高可靠性、高灵敏度、宽温度范围、微功耗、精巧便携、适应性强等特点，同时传感器从单个元件、单一功能向固态化、微型化、多维化、集成化、数字化、图像化、系统化、多功能化、智能化、网络化方向发展。
5 结束语
如今，传感器技术已融入到人类社会生活的方方面面，在医疗诊断、环境监测、节约能源、交通运输、灾害预测、安全防卫、生活娱乐、家用电器、气象研究、智能樓宇、航天技术、军事工程、工农业自动化、智能汽车、资源开发、海洋探测、通信电子、机器人技术等领域都有着极为广泛的应用[10]，在人们的生产、生活中发挥着至关重要的作用。作为先进制造领域的关键技术之一，传感器技术将在现代科技和智能汽车、物联网、机器人、无人机、人工智能等产业需求的拉动下，更快速发展。
参考文献：
[1]高中物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2017
[2]周志 张启业. 传感器的应用分类探析[D]. 江苏海州高级中学， 2009.
[3] 曹文杰. 高中物理教材传感器内容的教学研究[D]. 苏州大学， 2011.
[4] 孟凡超，刘晓东，徐国平.港珠澳大桥主体工程总体设计[A].第十九届全国桥梁学术会议论文集（上册），2010
[5] 名师一号选修3-2[M].河北：河北教育出版社，2017
[6]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2018
[7]黄芳琳. 《在高中物理新课程中开展STS教育的实践研究》. 2007
[8]马须敬，朱义彪.传感器的研究现状与发展趋势.青岛科技大学学报，2017第38卷增刊1：11-13
[9]谷有臣 孔英 陈若辉. 传感器技术的发展和趋势综述[D]. 物理实验， 2002.
[10]郑筱莉. 浅谈传感器技术在教学中的应用[D]. 乌鲁木齐成人教育学院学报， 2004.
作者简介：
翟美卿（2001-），女，黑龙江青冈县人，哈尔滨市第九中学，学生。
关键词：传感器；应用；发展
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
近日风靡一时的电影《毒液》带给我们是极具想象力和特效设计上的视觉冲击，神秘外星元素，精彩的附身特效，华丽的特技镜头使观众热血沸腾。这背后隐藏的“黑科技”就是逐渐走进人们视野，融入人们生活的传感器。作为现代信息技术的“主角”，了解传感器的应用与发展非常重要。
2. 传感器组成及其工作原理
传感器作为信息检测、采集元器件，能够感知如力、温度、光、声、化学成分等被测物理量，并按照一定的规律将其转换为另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路通断[1]。
传感器一般由敏感元件、转换元件和信号调节转换电路三部分组成，有时还需要加辅助电源[2]。首先传感器的敏感元件感知到被测对象的非电学物理量，然后由转换元件将其转换成有用的电学量，通过信号调节转换电路将转换元件输出的电学量进行放大、调制，并转换成可以显示和记录的信号传输出来，完成信息的测量、转换、放大和传输功能[3]。传感器的工作原理如图1所示。
3.传感器的应用
传感器的应用很广，已经渗透到人们的生产、生活的几乎所有领域，无所不在，广泛影响着我们的生活，有着举足轻重的地位。
在我国核电站、石油化工、汽车制造、钢铁、水泥、玻璃等大型生产企业中，自动控制占据极其重要的位置。生产过程中温度、压力、液位等过程参数的测量及自动控制，对于生产装置安全、平稳、高效运行，确保产品质量和产量，同时节约原材料和使用能源极为重要。传感器作为生产参数自动检测和生产过程自动控制的首要环节和关键部件，它的性能如何，先进与否决定着企业的生产效率和产能。
一个简单的单回路自动控制系统一般由被控对象、控制器、执行机构和测量元件（传感器）等环节组成，如图2所示。由于干扰等外界环境因素的影响，被控参数偏离给定值。控制回路的作用就是在控制通道上通过执行机构对被控对象施加影响，来抵消外界干扰，使被控参数控制在给定值上。这里传感器的任务是为控制系统提供信息源，即对原始生产数据进行测量、转换和处理，然后反馈给控制器。如果没有精确可靠的传感器，就没有生产参数的精确控制，更没有生产平穩、安全、高效、节能的运行，因此传感器十分重要。
中国建设史上里程最长、施工难度最大、技术最复杂的跨海桥梁港珠澳大桥正式通车了[4]，据不完全统计，在港珠澳大桥桥段的关键位置布设了上千种传感器，构成大桥精密的感知系统，实时、准确地监测着大桥的运行状态，以便能及时处理大桥出现的各种问题和故障，确保大桥安全正常投用。其中金属应变片式传感器是一种力传感器，它是利用敏感元件将试件上的应变变化转化为电学信号的仪器[5]。其工作机理如图3所示，弹簧钢制成的梁形试件右端固定，在梁形试件的上下表面各贴一个同样的应变片，若在梁形试件的自由端施力F，则梁形试件发生形变，上表面拉伸，应变片的电阻变大[6]；下表面压缩，应变片的电阻变小。外力F越大，形变越大，应变片的阻值变化越大。如果应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压U1变大，下面应变片两端的电压U2变小，传感器将这两个电压的差值输出，进而将使物体形变的力信号F转化为电压信号[7]。
金属应变片式传感器将测量信号转换成电信号，输出给显示单元，供监测人员使用；同时还可以输出执行机构产生某种自保动作，或者输出给计算机系统，进行数据保存和相关处理。
4传感技术发展趋势
随着现代科技的高速发展，时代的快速进步，人们对传感器的功能多样化，精度、灵敏度、稳定性、抗干扰能力等性能提出了越来越高的要求，致使传感器的发展越来越先进，越来越复杂[8]。
智能手机是现代人生活中不可或缺的通信工具。最初期的手机只能用来通话和互发短信，而且体积较大、重量较沉。后来魅力无穷，让人爱不释手的智能手机出现了，人们使用手机不但可以照相、上网购物、浏览网页、搜索信息、看视频、发抖音、听音乐、玩游戏、阅读小说等，而且还可以设定时钟、手电筒、指南针、录音、地图导航定位等功能。智能手机已不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。一个小巧的智能手机能够完成如此复杂、多样的功能，主要是因为其内部安有各种先进的传感器，比如重力传感器、旋转矢量传感器和距离传感器等。这些传感器功能强大、体积微小，集成度高，具有高精度、高灵敏度等多种优点。正是由于传感器技术的快速发展，才使得手机的功能越来越强大，越来越智能。 随着新理论、新效应、新材料、新工艺、新技术层出不穷，技术推动和需求牵引使得大量高效、先进的新型传感器被研制出来[9]。未来传感器技术发展整体将呈现高精度、高可靠性、高灵敏度、宽温度范围、微功耗、精巧便携、适应性强等特点，同时传感器从单个元件、单一功能向固态化、微型化、多维化、集成化、数字化、图像化、系统化、多功能化、智能化、网络化方向发展。
5 结束语
如今，传感器技术已融入到人类社会生活的方方面面，在医疗诊断、环境监测、节约能源、交通运输、灾害预测、安全防卫、生活娱乐、家用电器、气象研究、智能樓宇、航天技术、军事工程、工农业自动化、智能汽车、资源开发、海洋探测、通信电子、机器人技术等领域都有着极为广泛的应用[10]，在人们的生产、生活中发挥着至关重要的作用。作为先进制造领域的关键技术之一，传感器技术将在现代科技和智能汽车、物联网、机器人、无人机、人工智能等产业需求的拉动下，更快速发展。
参考文献：
[1]高中物理选修3-2[M].北京：人民教育出版社，2017
[2]周志 张启业. 传感器的应用分类探析[D]. 江苏海州高级中学， 2009.
[3] 曹文杰. 高中物理教材传感器内容的教学研究[D]. 苏州大学， 2011.
[4] 孟凡超，刘晓东，徐国平.港珠澳大桥主体工程总体设计[A].第十九届全国桥梁学术会议论文集（上册），2010
[5] 名师一号选修3-2[M].河北：河北教育出版社，2017
[6]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2018
[7]黄芳琳. 《在高中物理新课程中开展STS教育的实践研究》. 2007
[8]马须敬，朱义彪.传感器的研究现状与发展趋势.青岛科技大学学报，2017第38卷增刊1：11-13
[9]谷有臣 孔英 陈若辉. 传感器技术的发展和趋势综述[D]. 物理实验， 2002.
[10]郑筱莉. 浅谈传感器技术在教学中的应用[D]. 乌鲁木齐成人教育学院学报， 2004.
作者简介：
翟美卿（2001-），女，黑龙江青冈县人，哈尔滨市第九中学，学生。