现代传感器技术

1、例举现代传感器技术在工矿、军事、医疗、交通、环保等方面的应用（每个领域例举1~2例）。

工矿：

例1，基于嵌入式系统的无线智能传感器网络应用平台。税收是国家财政收入的重要来源, 工矿企业税收是其重要组成部分, 通过嵌入式无线智能传感器网络实现远程适时征收, 可以避免或减少国家财政损失。

税收征管人员在处理中心根据测重传感器测出矿产品、钢材等重量来确定按产量或销售额进行征税。考虑到需求, 采用嵌入式Linux 操作系统。

例2，无基坑复合式不断轨超大质量轨道称重装置。随着铁路的六次大提速和众多大中型与特大型工矿企业的工业化生产的发展需要，2010 年4 月17 日由杭州钱江称重技术有限公司承担研制的国家级火炬计划项目——— 0.2级准确度的动态800 吨无基坑复合式不断轨超大质量轨道称重装置通过国家级验收，该无基坑复合式包括不断轨的有关道床基础、承载构造、传感器结构、系统称量结构、计量方式、轨型、车型、动态、静态、动静结合、载重、防爬装置、计量速度、计量准确度、采集通道等的研究与综合利用。

军事：

军事应用与无线传感器网络息息相关。就军事应用而言,利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控、战场的实时监视、目标的定位、战场评估、核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。

例1,具有极大危险性的地雷,未来可能会被成千的、分散的“尘粒”(Mote, 一种超微型传感器)所取代。这些“尘粒”可以检测敌方入侵事件;一旦检测到事件发生,就能迅速通知防御系统做出反应。

例2，2003年8月,美国Ohio大学演示了“沙地直线”(A L ine in the Sand)研究项目,该系统部署了90个无线传感器节点,用于侦测运动着的高金属含量目标,如敌军坦克、车辆甚至士兵等,而其他无关人员(如市民等)则能够被排除在外。

医疗：

例1，在病人身上放置用于检测人体参数的微型传感器节点,利用WSN 对病人的心率、血压、心电、心音等

[3 ]生理参数进行远程实时监测,并将信息汇总传送给监护中心,进行及时处理与反馈。

例2，医疗保养检测床,包括床板和床腿,所述床腿设置有重量传感器,所述医疗保养检测床还包括数据处理装置,所述重量传感器均与数据处理装置相连接。重量传感器接收床和使用者的重量,并将数据传送到数据处理装置,不同位置的床腿下端的设置有不同的重量传感器,通过不同位置的重量传感器的数值大小差异来确定使用者在床上的位置,本实用新型能精确收集使用者睡眠的数据,并将相关数据记录、处理、存储为曲线,以助医疗人员通过使用者在入睡过程中的动作和入睡以后无意识的动作来分析使用者的健康状态,尽早对使用者进行相应的医疗。

交通：

例1，虚拟交通传感器，描述了用于虚拟交通传感器(VTS)技术，电子设备提供各种功能,至少包括用于确定方位的功能。所述电子设备可以进一步被配置为：确知一个或多个虚拟交通传感器的位置。可以在接近于所述一个或多个虚拟交通传感器时收集与交通有关的数据。所

述电子设备于是可以在合适的网络连接上将所收集到的交通数据传递给服务提供商。

例2，一种车辆自动报站系统,其特征是在各个公共交通车站上安置发出传感器信号的装置,在各个公共交通车辆上安置接收这个传感器信号的装置,启动报告已经到达各个车站的车站名称；在各个公共交通车站前80米处安置发出传感器信号的装置,在公共交通车辆上安置接收这个传感器信号的装置,可启动报告将要到达各个车站的车站名称；在各个公共交通车经过的各个道路的拐角前的80米处安置发出传感器信号的装置,在公共交通车辆上安置接收这个拐角传感器的信号的装置,启动公共交通车上的装置发出公共交通车将要拐弯的语音提示。

环保：

例1：香烟包装技术领域，用于香烟包装环保内衬纸的检测装置。该装置包括光电传感器、五轮、编码器、PLC控制器和电磁阀；能够准确自动检测、剔除包装机组使用环保内衬纸的生产过程中无内衬纸的香烟。

例2，智能式太阳能环保节能汽车烤漆房,含有烤漆房箱体、太阳能电磁板、太阳能控制器、太阳能逆变器、太阳能蓄电池、烘房通道、量子辐射加热器、温度传感器、风机、控制箱,采用计算机闭环控制技术,控制量子辐射加热器、温度传感器、风机,实现全方位的程序控制,利用太阳能转换成电能,由电能通过量子辐射加热器对汽车的烤漆,实现了智能化的管理,该设计合理,技术先进,技术含量高,实用性强。达到节能减排环保的目的。

2、一台反恐排爆机器人需要配置那些传感器，才能完成炸弹的排除？这些传感器各有什么作用？

答：排爆机器人通常集成了视觉传感器(CCD摄像机)、力觉传感器、超声波测距传感器、红外线测距传感器和激光测距传感器等。

视觉传感器：从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素，将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析;

力觉传感器：以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征、测量机器人自身或与外界相互作用而产生的力或力矩、测量接触外界物体时所受压力和压力分布；

超声波测距传感器：必须产生超声波，超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，通过接收超声波，来完成距离的检测；

红外线测距传感器：利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测；

激光测距传感器：由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

3、要实现食品加工的自动化（比如饼干加工），需要采用什么类型的传感器（2~3中）？基于什么原理？

答：光感传感器：先进的包装机都配有光电跟踪自动控制系统,以控制封切位置使之保持正确,保证每次都在定位标记确定的位置处封接切断,不致于封切到图案上。这就是光感传感器在自动封口控制系统的主要应用。其基本原理是利用塑料热合机光电系统测定目标的位置，然后根据光电传感器所测位置进行包装袋的步进、封口、切割；

无线电波传感器：这种集成电路检测器能测出某种食品或某种饮料的变质时间。这种食品保质检测装置由传感器和扫描仪构成，检测人员只需将扫描仪对准食品发射无线电波，扫描仪发出的无线电波讯号会使食品产生震动，同时发出乐谱波，然后再传导给传感器。通过用标

准的数据库标定相关参数，瞬间即可确定所检测食品变质的时间；

视觉传感器：通过食物的颜色来确定成熟度以及质量等级等参数。

4、要对机场在周边进行警戒，反之恐怖分子潜入，可以采取什么原理的传感器？为什么？答：视觉传感器，对人脸进行识别，将识别的人与恐怖分子库的照片进行比对；

**传感器，侦测运动着的高金属含量目标,如恐怖分子，强制器械等管制工具。

5、试设计一种利用激光传感器的应用装置，并阐述其工作原理（画图说明）。

答：激光传感器（laser transducer）利用激光技术进行丈量的传感器。它由激光器、激光检测器和丈量电路组成。

图略。

激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标间隔。

6、式设计一种利用超声波传感器的应用装置，并阐述其工作原理（画图说明）。

答：超声波汽油箱油位传感器，这种传感器包括探头、信号发生器、数据采集装置和数据处理装置。探头上装有反接的信号发生器和数据采集装置,信号发生器和数据采集装置分别与数据处理装置相连接。探头上装有反接的超声波发射/接收装置,所述传感器还包括滤波器、放大器、检波器、CPU,它们依次相接；超声波发射/接收装置用作信号发生器和数据采集装置,滤波器、放大器、检波器、CPU用作数据处理装置。

图略。

超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。、

7、试用2种不同的传感器，设计监测痛过桥梁车流量的装置，并说明其工作原理。（画图说明）

答：1.环形线圈检测器，车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。

2.视频车辆检测器，通过视频摄像机作传感器，在视频范围内设置虚拟线圈，即检测区，车辆进入检测区时使背景灰度值发生变化，从而得知车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度。检测器可安装在车道的上方和侧面。

8、例举现代传感器技术在灾害监测、控制系统等方面的应用（每个领域例举2例以上）。灾害监测：

例1，山体滑坡监测，山体滑坡的监测主要依靠两种传感器的作用，液位传感器以及倾角传感器。在山体容易发生危险的区域，将会沿着山势走向竖直设置多个孔洞。

每个孔洞都会在最下端部署一个液位传感器，在不同深度部署数个倾角传感器。通过倾角传感器我们可以监测山体的运动状况，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同。发生这种现象时部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据。在无线网络获取到各个倾角传感器的数据后，通过数据融合处理，专业人员就可以据此判断出山体滑坡的趋势和强度，并判断其威胁性大小。

例2，地震监测，地震是由地壳变化释放能量在地表形成机械波传递的现象。因此安置在地表的振动传感器可以用来检测地震的发生和强度。美国哈佛大学在去年部署了一套应急地震监测系统，主要部署在火山地区用来监测因火山爆发而导致的地震信息。系统采用TelosB无线传感器节点，搭载24位ADC用以监测MEMS加速度计传送的微弱振动信息。节点以火山口为中心径向部署，间隔数百米部署一个节点。在部署完毕后可以监测出地震沿径向传播各点的振动信息。

9、无人驾驶汽车需要哪些传感器才能安全驾驶（例举3种以上）？这些传感器各有什么作用？

答：油量检测传感器，通过采集油箱内的剩油量，将数据输入处理单元，以便及时加油；

测距传感器，测量与障碍物之间的距离，将数据提供给处理单元，进而作出停车还是转向的行为决定；

测速传感器，测量身后车辆的行使速度，若后面有车试图超车，则要进行适当地让道减速等行为。

10、要实现苹果的自动分选（比如按照大小进行分类，并剔除坏苹果），需要采用什么类型的传感器？基于什么原理？

答：压力传感器，判断苹果的大小，数据进入处理器后决定分成合适的份数。压力传感器的工作原理：以电阻应变片压力传感器为例进行说明，再以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变，通过电阻值变化的情况就能知道压力的大小；

超声波传感器，判断苹果是否腐败。超声波的传感器的工作原理以压电式为例说明，压电式超声波传感器的敏感元件多采用压电晶体和压电陶瓷，利用压电效应进行工作。发射探头利用了逆压电效应，将高频电振动转换成高频机械振动，形成超声波发射；接收探头利用正压电效应，将超声波振动转换成电信号，即接收了超声波。对电信号的判断即可判断出苹果是否腐败。

11、试设计一种同时利用光纤传感器和应变传感器的应用装置，并阐述其工作原理（画图说明）。

答：光线温度传感器，部分物质吸收的光谱随温度变化而变化。光纤温度传感器采用一种

和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。进而得出温度。

扭矩传感器，将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号，进而判断扭矩大小。

图略。

12、试设计两种利用微波传感器的应用装置，并阐述其工作原理（画图说明）。

答：1.自动门，微波自动门感应器微波感应系统是指当人或其他移动进入在传感器微波传感器的工作范围时，传感器检测到目标，门会自动打开，当人或其他移动离开传感器微波传感器的工作范围时，门会自动关闭。如果在目标范围内，在5s固定在传感器的工作区域，传感器输入的信号持续不变，门会自动关闭。

2.自动灯。这种微波传感自动灯是根据人体移动时对电磁波产生多普勒效应这一原理制作而成的，能实现“人来灯亮，人走灯灭”的自动控制，可用于楼道、卫生间、庭院等场所。在照明灯两端并接上自带音源的报警器或电铃，可作防盗用。平时，IC1处于守候状态。当有人靠近天线W时，经W发射出去的微波信号被人体反射回来，此反射信号与发射微波信号产生的频移信号经IC1内电路检测及放大等处理后，从IC1输出随人体移动而相应变化的低频信号。该信号经V1放大后使V2导通，IC2内部的电子开关因获得触发控制电压而导通，K 通电吸合，其常开触头闭合，将照明灯EL点亮；当人体离开天线W的检测范围时，IC 1无输出，V1和V2截止，IC2内部的电子开关断开，K释放，EL熄灭。

图略。

13、选用合适的传感器，设计监测高速高路上货车超载及超高的装置，并说明其工作原理（画图说明）。

答：1.检测货车超载。压力检测器，一定范围内设置虚拟线圈，即检测区，在检测区路面下铺设压力传感器，当车辆进入检测区时压力监测器检测出通过车辆的压力；

2.检测火车超高。激光测距传感器。在检测区的上方装设激光测距检测传感器，当车辆通过瞬间，激光传感器发射并接收反射回的激光，进而反映出车辆的高度。

设计一个全面的无线传感器检测系统，将以上两类传感器包含在内，即为一个可监测高速高路上货车超载及超高的装置。