工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展越來(lái)越快，工業(yè)4.0是工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)階段目標(biāo)。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化，雖然大家均有所耳聞，但并非所有人對(duì)工業(yè)自動(dòng)化都十分了解。為增進(jìn)大家對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)工業(yè)自動(dòng)化必備器件——傳感器予以介紹。經(jīng)由本文，你將了解傳感器是如何讓一切控制更為自動(dòng)化。
傳感器(Sensor)是一種常見(jiàn)的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測(cè)量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的器件或裝置。對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，按照輸入的狀態(tài)，輸入可以分成靜態(tài)量和動(dòng)態(tài)量。我們可以根據(jù)在各個(gè)值的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出量和輸入量的關(guān)系得到傳感器的靜態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性的主要指標(biāo)有線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度和準(zhǔn)確度等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性則指的是對(duì)于輸入量隨著時(shí)間變化的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)特性通常采用傳遞函數(shù)等自動(dòng)控制的模型來(lái)描述。通常，傳感器接收到的信號(hào)都有微弱的低頻信號(hào)，外界的干擾有的時(shí)候的幅度能夠超過(guò)被測(cè)量的信號(hào)，因此消除串入的噪聲就成為了一項(xiàng)關(guān)鍵的傳感器技術(shù)。
物理傳感器是檢測(cè)物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化成為便于處理的能量形式的信號(hào)的裝置。其輸出的信號(hào)和輸入的信號(hào)有確定的關(guān)系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。這種傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，它直接檢測(cè)來(lái)自物體的輻射信息，也可以轉(zhuǎn)換其他物理量成為光信號(hào)。其主要的原理是光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，物質(zhì)上的電效應(yīng)發(fā)生改變，這里的電效應(yīng)包括電子發(fā)射、電導(dǎo)率和電位電流等。顯然，能夠容易產(chǎn)生這樣效應(yīng)的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說(shuō)光敏電阻。這樣，我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應(yīng)的光的照射，通過(guò)類(lèi)似光敏電阻這樣的器件把光能轉(zhuǎn)化成為電能，然后通過(guò)放大和去噪聲的處理，就得到了所需要的輸出的電信號(hào)。這里的輸出電信號(hào)和原始的光信號(hào)有一定的關(guān)系，通常是接近線性的關(guān)系，這樣計(jì)算原始的光信號(hào)就不是很復(fù)雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類(lèi)比于光電式傳感器。
物理傳感器的應(yīng)用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫(yī)學(xué)的角度來(lái)看看物理傳感器的應(yīng)用情況，之后不難推測(cè)物理傳感器在其他的方面也有重要的應(yīng)用。
比如血壓測(cè)量是醫(yī)學(xué)測(cè)量中的最為常規(guī)的一種。我們通常的血壓測(cè)量都是間接測(cè)量，通過(guò)體表檢測(cè)出來(lái)的血流和壓力之間的關(guān)系，從而測(cè)出脈管里的血壓值。測(cè)量血壓所需要的傳感器通常都包括一個(gè)彈性膜片，它將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成為膜片的變形，然后再根據(jù)膜片的應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電信號(hào)。在電信號(hào)的峰值處我們可以檢測(cè)出來(lái)收縮壓，在通過(guò)反相器和峰值檢測(cè)器后，我們可以得到舒張壓，通過(guò)積分器就可以得到平均壓。
讓我們?cè)倏纯春粑鼫y(cè)量技術(shù)。呼吸測(cè)量是臨床診斷肺功能的重要依據(jù)，在外科手術(shù)和病人監(jiān)護(hù)中都是必不可少的。比如在使用用于測(cè)量呼吸頻率的熱敏電阻式傳感器時(shí)，把傳感器的電阻安裝在一個(gè)夾子前端的外側(cè)，把夾子夾在鼻翼上，當(dāng)呼吸氣流從熱敏電阻表面流過(guò)時(shí)，就可以通過(guò)熱敏電阻來(lái)測(cè)量呼吸的頻率以及熱氣的狀態(tài)。
再比如最常見(jiàn)的體表溫度測(cè)量過(guò)程，雖然看起來(lái)很容易，但是卻有著復(fù)雜的測(cè)量機(jī)理。體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導(dǎo)熱情況和表皮的散熱情況等多種因素決定的，因此測(cè)量皮膚溫度要考慮到多方面的影響。熱電偶式傳感器被較多的應(yīng)用到溫度的測(cè)量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級(jí)別，所以能夠比較精確地測(cè)量出某一點(diǎn)處的溫度，加上后期的分析統(tǒng)計(jì)，能夠得出比較全面的分析結(jié)果。這是傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)所不能比擬的，也展示了應(yīng)用新的技術(shù)給科學(xué)發(fā)展帶來(lái)的廣闊前景。
從以上的介紹可以看出，僅僅在生物醫(yī)學(xué)方面，物理傳感器就有著多種多樣的應(yīng)用。傳感器的發(fā)展方向是多功能、有圖像的、有智能的傳感器。傳感器測(cè)量作為數(shù)據(jù)獲得的重要手段，是工業(yè)生產(chǎn)乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理傳感器又是最普通的傳感器家族，靈活運(yùn)用物理傳感器必然能夠創(chuàng)造出更多的產(chǎn)品，更好的效益。