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传感器在物联网时代的“感知技术”

更新时间:2020-12-01

8月29日,马斯克为自己的神经科学创业公司Neuralink举办了一场新品发布会,向外界展示最新的脑机接口设备LinkV0.9,为此马斯克还专门带了三只小猪给观众们解释说明。其中一只名为格特鲁德的小猪被植入了一个硬币大小的电脑芯片,而且这个芯片传感器在格特鲁德的大脑里待了足足两个月,两个月似乎并没有影响格特鲁德的正常生活。

Neuralink研发的LinkV0.9无疑是人类走向人机互交、万物互联、变身超级人类的重要里程碑。但是这一切都建立在人们对人脑科学发展加强,人工智能AI完善,以及传感器技术突破的基础之上。

传感器的应用

人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

在医疗领域中压力传感器用来测量重量;压电薄膜传感器用于测量心率和呼吸模式;热电堆传感器用于测量体温;血氧传感器用于测量血氧含量;二氧化碳传感器用于测量新陈代谢;流量传感器用于辅助呼吸;压力传感器用于测量氧气瓶中剩余的氧气含量。应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉博及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。显然,传感器对促进医疗技术的高度发展起着非常重要的作用。随着医用电子学的发展,仅凭医生的经验和感觉进行诊断的时代将会结束。

而在军事领域上现在的战场都是信息化战场,而信息化是绝对离不开传感器的。军事专家认为:一个国家军用传感器制造技术水平的高低,决定了该国武器制造水平的高低,决定了该国武器自动化程度的高低,最终决定了该国武器性能的优劣。当今,传感器在军事上的应用极为广泛,可以说无时不用、无处不用,大到导弹、飞机、舰船、坦克、火炮等装备系统,小到单兵作战武器;从参战的武器系统到后勤保障;从军事科学试验到军事装备工程;从战场作战到战略、战术指挥;从战争准备、战略决策到战争实施,遍及整个作战系统及战争的全过程,而且必将在未来的高技术战争中促使作战的时域、空域和频域更加扩大,更加影响和改变作战的方式和效率,大幅度提高武器的威力和作战指挥及战场管理能力。

在现代建筑工程领域中建筑也需要用到传感器。例如高支模监测系统,它是通过荷重传感器、倾角传感器、位移传感器等众多传感器加上无线采集器、智能数据分析仪等综合仪器组成,在混凝土浇筑过程中,高支模在各个局部位置都会受到不同大小的力,可能会存在一些安全隐患。又因为模架所搭设的高度较高、跨度较大,如果出现受力不均匀导致倾斜倒塌,那么将会造成极大的工程事故和不可估量的损失,因此高支模监测系统是对“安全第一,预防为主”这一理念最好的诠释,而传感器又在此系统中是不可或缺的设备之一。所以传感器在现代建筑工程领域中保证施工安全有着重要的作用。

传感器的发展历程

传感技术大体可分3代

第1代是结构型传感器,它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如:电阻应变式传感器,它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

第2代传感器是70年代开始发展起来的固体传感器,这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,是利用材料某些特性制成的。如:利用热电效应、霍尔效应、光敏效应,分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。

70年代后期,随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展, 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型:传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如:电荷耦合器件(CCD),集成温度传感器AD 590,集成霍尔传感器UG 3501等。这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速,现已占传感器市场的2/ 3左右,它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力,是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。80年代智能化测量主要以微处理器为核心,把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上,使传感器具有一定的人工智能。90年代智能化测量技术有了进一步的提高,在传感器一级水平实现智能化,使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。