毕业设计(论文)
项目名称传感器技术在农业中的应用
专业电子信息工程技术
班级2013级电信班
学生姓名李季磊
指导教师
机械与电子工程系
年月日
重庆三峡职业学院毕业设计（论文）评语及成绩
毕业设计任务书
重庆三峡职业学院毕业设计(论文)进度考核表
目录
摘要 (10)
第一章引言 (11)
第二章设施农业传感器的种类及性能要求 (12)
2.1设施农业用传感器的分类 (12)
2.1.1 土壤温度传感器 (12)
2.1.2空气温湿度传感器 (12)
2.1.3 土壤水分传感器 (12)
2.1.4 CO2含量传感器 (13)
2.1.5 NH3含量传感器 (13)
2.1.6光照度传感器 (13)
2.1.7营养元素传感器 (13)
2.2农业传感器的性能要求 (14)
2.2.1长期稳定性好 (14)
2.2.2能适应系统要求 (15)
2.2.3优良的性能价格比 (15)
第三章新型传感器在农业中的应用 (15)
3.1光纤传感器 (15)
3.2 MEMS微电子传感器 (15)
3.3仿生传感器 (16)
3.4电化学传感器 (17)
第四章农业传感器的研究现状与开发建议 (17)
4.1国内外农业传感器的研究现状 (17)
4.1.1 空间数据获取 (17)
4.1.2 精准灌溉 (18)
4.1.3 病虫害防治 (18)
4.2 开发建议 (19)
4.2.1 低成本 (19)
4.2.2 低功耗 (19)
4.2.3使用新材料 (20)
第五章结束语 (20)
致谢 (21)
摘要：传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。其原理是利用物理效应、化学效应及生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量。传感器技术是现代信息技术的重要基础技术之一，许多国家都把传感器技术列为尖端技术。随着现代检测、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，特别是随着科学技术、经济发展的需要，传感器在各个领域中的应用日益显著。现代农业是取代传统农业，以现代科学技术和设备武装的，并以现代管理方法来经营的社会化、商品化农业，是国民经济中具有较强竞争力的现代产业。在现代农业的各个环节中，传感器技术得到了非常广泛的应用。
关键词：农业传感器；研究现状；发展趋势
Review of agricultural sensor and Its Application Research Abstract:the sensor is that feelings can be measured under, and according to certain rules to convert the output signal of the device or devices available. Its principle is to use physical effect and chemical effect, biological effect, the physical quantity, the measured chemical quantity, biomass and other parameters is converted into electricity. Sensor technology is one of the most important basic technologies of modern information technologies; many countries take the sensor technology as cutting-edge technology. With the development of modern detection, control and automation technology, sensor technology has been paid more and more attention, especially with the needs of science and technology, economic development, application of sensors in various fields in the increasingly obvious. Modernagriculture is to replace the traditional agriculture to the modern science, technology and equipment of armed, socialization, commercialization of agriculture and modern management methods to manage, is the modern industry has strong competitiveness in the national economy. Each link in modern agriculture, sensor technology has been widely applied.
Keywords: Agricultural sensors; research status; development trend
第一章引言
传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息（如温度、压力、湿度等）具有感受与检出功能, 并按照一定规律转换成与之对应的有用电信号的元器件或装置。有时, 传感器感受到的信号是一些微弱的信号,干扰信号有时幅度可能会超过需检测的信号, 因此消除串入的噪声就成为了一项关键的技术。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换, 一切准确的测试与控制都将无法实现, 即使最现代化的电子计算机, 没有准确的信息或有不失真的输入, 也将无法充分发挥其应有的作用。由于自动控制技术的发展,特别是信息技术、计算机技术和机器人技术等高新技术发展的需要,传感器技术开始受到普遍的重视。
20世纪中期传感器技术问世。在那时，传感技术的发展比计算机技术和数字控制技术都落后，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究，在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的。以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额，各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业也迅猛发展.传感器大体可分为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.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,是利用材料的某些特性制成的.如利用热电效应、霍尔效应、光敏效应分别制成的热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。第3代是刚刚发展起来的智能型传感器，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，这类传感器具有一定的人工智能。
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学
技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。近十几年来，传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。采用微机械加上技术和微系统技术等新技术制造的各类新型传感器,如微传感器、集成光传感器、智能化学传感器、超导传感器、场效应传感器、硅生物传感器等传感器正以年均增长率高达30%以上的速度发展。我国从事敏感元件与传感器研制生产的院校、研究所、企业有1300多家，但研制、生产综合实力较强的骨干企业较少，仅占总数的10%左右。
第二章设施农业传感器的种类及性能要求
2.1设施农业用传感器的分类
设施农业传感器的品种较多，按其检测参数分类，主要有以下几种；
2.1.1 土壤温度传感器
土壤温度传感器用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在10～40℃（土壤热容积较大，温度变化不是很明显），安装在作物根部土壤中，以测量作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤的温度变动情况。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。
2.1.2空气温湿度传感器
空气温湿度传感器用于检测设施农业的空气环境温湿度，一般使用的有效温度范围在0～50℃，有效湿度范围在30～90%。大部分安装在温室、大棚或畜禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温室、大棚或畜禽舍长度安装1～4个不等，以避免空气流通差导致的局部小气候效应。
2.1.3 土壤水分传感器
土壤水分传感器用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。目前有两种表示方式，其一为容积含水量，即V/V%，其二为质量含水量，即M/M%，大部分产品以容积含水
量表示，一般有效范围在10～70%。因不同土质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量水后，所显示的容积含水量会有不同。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。
2.1.4 CO2含量传感器
CO
2含量传感器用于检测环境中CO
2
含量，便于决定是否增施气肥或需通风换气。一般
以ppm为单位，有效范围在100～1000ppm之间。可以用在温室、大棚中，也可以用在密
封/半密封的畜禽舍中。温室、大棚中主要检测有光照情况下CO
2
含量是否低于作物光合
作用的最佳浓度，在畜禽舍中主要检测密封环境下CO
2
浓度是否超出影响畜禽能生长发育的最大浓度，以便于及时通风换气。独栋温室、大棚或畜禽舍安装1个即可。
2.1.5 NH3含量传感器
NH
3含量传感器用于检测畜禽舍环境中NH
3
的含量，以决定是否需要通风换气和清除粪
便。养鸡场应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系统不能完全消化饲料，大量蛋白质
通过粪便排出后，经过复杂的化学反应转变为NH
3，而NH
3
又是影响鸡蛋产量的关键因素，
一旦NH
3
浓度超过一定值，蛋鸡产蛋率明显下降，甚至不产蛋，需要数周后才能恢复。一
般安装1个即可。
2.1.6光照度传感器
光照度传感器用于检测作物生长环境的光照强度，以决定是否需要遮阳或补光。单位lux（勒克司），有效范围在200～200000Lux。一般安装在温室、大棚中，用来检测作物
生长所需要的光照强度是否满足最基本需要或是否达到作物的最佳生长状态，如与CO
2
传感器联合使用，可以为何时增施气肥提供参考。安装时考虑向阳并且避免被遮挡。一般安装1个即可。
2.1.7营养元素传感器
营养元素传感器用于检测作物生长环境中N（氮）、P（磷）、K（钾）的含量，以决定是否需要施肥。一般用于检测无土栽培环境中所调配的营养液中营养元素含量，或根据
流回的营养液中元素的吸收情况决定营养元素的调配比率，也可用于普通大棚或温室中土壤营养元素含量检测。
2.2农业传感器的性能要求
由于设施农业用传感器是在系统中发挥作用，因此传感器的性能必须符合以下要求：2.2.1长期稳定性好
农业用传感器的使用环境比工业更恶劣，如高温、高湿。传感器长期稳定性要更高，需要解决涉及传感器稳定性的关键技术包括材料、工艺等。
2.2.2能适应系统要求
设施农业的实质是实现人为调节和控制作物生长环境条件，是通过一个闭环系统来实现的。传感器的性能都应该与控制系统相适应。这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。
2.2.3优良的性能价格比
由于用量较大，因此必须要求其价格较低廉，否则难以推广。随着农业现代化的高速发展，传感器技术的不断进步，在农业生产中将会得到越来越多的应用。
第三章新型传感器在农业中的应用近年来，多学科交叉技术的综合应用，推动了新一代传感器的诞生与发展。这些新型传感器在农业中得到了进一步的应用。
3.1光纤传感器
通常光纤传感器可以分为功能型 ( 传感类) 和非功能型 ( 传光型) 两类。光纤传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、定位准确、耐高温、耐腐蚀、易变形和无源等特性，它在农业上的典型应用是在农田水利设施中采用光纤光栅传感器对水渠的裂缝状进行监测，但因成本收益问题，目前更多地则是应用在大坝安全检测中。在育种、温室大棚种植和农产品储藏方面，用光纤温度传感器实时获取环境温度信息，用光纤气体传感器测量等气体的浓度，以保证环境条件达到所需的最佳状态[1]。此外，以光纤传感器为探头CO
2
的光纤光度分析仪器在农产品品质无损检测中的应用也越来越广泛。刘燕德等[2,3]利用光纤传感器在非接触式水果品质检测方面做了很多有益的尝试和探索性的研究，取得了一系列成果。
3.2 MEMS微电子传感器
MEMS ( Microelectro Mechanical Systems) 微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的，涉及电子、机械、材料、物理、化学、生物和医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。利用 MEMS 加工制备的新一代传感器件，在传输前可进行信号的放大，减少干扰和传输噪声，提高信噪比。同时，芯片上集成有反馈线路和补偿线路，可有效地改善
输出的线性度和频响特性。
MEMS传感器有微机械加速度传感器、微机械角速度传感器、微型压力传感器、微型磁传感器、微型光传感器、微型热传感器、微型气敏传感器、微型化学传感器、微型生物传感器和微型电场传感器等。MEMS 传感器在农业中的应用主要集中在制造超光谱成像系统上，利用超光谱成像技术可以随时观测货架上食物的霉变情况，也可用来鉴定商品商标的真伪。光子学和MEMS 领域的先进研发机构Infotonics与美国康奈尔大学合作，研制了一种基于电容率的传感器，可以实时监视并固定牛奶中的病原体，如发生固化，病原体附着在传感器阵列的分子探针上，引起电容发生变化，用其和参考传感器的电容作对比，则可证明病原体的存在。这在检查奶牛乳腺炎的过程中发挥了积极的作用，可以较早发现病症，减少奶农损失［4］。
3.3仿生传感器
仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。这种传感器的特点是性能好、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。
仿生传感器是目前的热门研究领域，机器人传感器是其中的典型代表。机器人传感器的功用包括自身运动状态的检测和外部环境信息的感应两方面，机器人内部传感器按用途分为位置检测传感器、位移检测传感器、角位移检测传感器、速度检测传感器、加速度检测传感器和力检测传感器。随着我国经济的发展和社会的变革，大量农村劳动力向城市转移，农村人口老龄化现象日益突出，这在一定程度上制约着农业的发展，不利于“三农”问题的解决。农业采摘机器人的出现，降低了农民的劳动强度，极大地提高了劳动生产率和产品质量，具有广阔的发展前景。农业采摘机器人根据作业对象和环境的不同，要求选用不同的传感器以提高其感知能力和智能化水平。采摘过程中按照操作顺序可分为视觉传感器、位置传感器、力传感器和避障传感器等［5］。
目前我国已研制成功或正在研制的果蔬采摘项目有番茄、黄瓜、葡萄和柑橘等，棉花等作物的采摘机器人关键技术也正在研制中。南京农业大学王玲近日就成功破解了采摘机器人对于棉花品级视觉识别的关键技术———田间子棉品级识别，为解决机器人采摘棉花
的效率与品质问题，改变我国棉花收获长期依靠手工作业的现状，以及推动棉花定级仪器的面世做出了贡献［6-7］。
3.4电化学传感器
电化学传感器在农业领域中的一个新的重要应用是土壤化学中对诸如pH 值的直接测量。土壤测试结果对于提高农作物产量和生产质优、味美的食品至关重要。用于测量
-, Na+等）的电化学传感器有如下两类：1）离子选择土壤中某些离子活度（H+, K+, NO
3
电极和2）离子选择性场效应管(ISFET) 传感器。这两类传感器也被用于监测植物对离子的摄取。营养成分的摄取速度取决于植物对营养的需求，此种需求与植物的生长速度和植物体的营养状况有关。多数常量营养元素（如氮、磷、钾）的吸收过程都很活跃。监测植物体或生长系统的离子浓度可以帮助农民制订施肥策略和提高产量。
离子选择电极已经可以用于多种不同离子的检测。它们可用于土壤和作物(如土豆[8-9]和蔬菜)中氮元素的监测，以便进行施肥管理[10]。植物或土壤中的离子（例如碘离子、氟离子、氯离子、钠离子、钾离子和镉离子等）可以用离子选择电极进行测定，以便对植物的新陈代谢、营养以及植物中所存在的重金属离子的毒物等进行研究。
第四章农业传感器的研究现状与开发建议
4.1国内外农业传感器的研究现状
4.1.1 空间数据获取
2008 年 Pierce 和 Elliott[11]分别针对大区域和农田的气候监测设计了区域气象监测网络和农田霜冻监测网络。区域气象监测网络和农田霜冻监测网络在华盛顿州得以成功实施。Crossbow 公司推出了专门为精准农业设计的专业套件。它采用太阳能供电，安装简单，使用方便，引入了可靠的Mesh传感器，传感器节点监测土壤温湿度、空气温湿度、叶面水分、太阳辐射、气象变化、径流水流量等参数，通过网页浏览器为用户提供农作物健康生长情况的实时数据[12]。
在国内，刘卉和汪懋华等[13]根据农田环境的应用需求，设计了农田土壤温湿度监测系
统，该系统由农田无线监测网络和远程数据中心两部分组成。采用 JN5121无线微处理器为核心的传感器节点开发策略，构建基于ZigBee 协议的无线监测网络，基于Linux 开发的网关节点实现数据汇聚和GPRS通信方式的远程数据转发。该系统为精准农业时空差异性和决策灌溉研究提供了有效工具。
4.1.2 精准灌溉
精准灌溉是精准农业的重要组成部分，它可以在不影响作物产量的前提下，根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而实现水资源的有效利用。目前，国内外在这方面已经取得了一些可观的研究成果。
2008年Kim[14] 等人利用传感器技术设计了一个定点精准线性移动灌溉系统。6个分布于农田中的现场传感器站点来定点监测农田属性，定期采样并将采集的数据发送到基站。灌溉机器由一个编程逻辑控制器来控制，逻辑控制器可以根据GPS获取的信息来更新灌溉喷头的地理位置坐标，并通过Bluetooth技术实现与基站的通信。2009年Kim和Evans[15]开发了一个决策支持软件，该软件结合现场传感器通过Bluetooth 无线通信技术实现了定点喷灌控制。同年，Kim，E-vans和Iversen[16]将一个可控灌溉系统和分布式现场传感器整合到一个闭环控制之中，来实现自动化变量灌溉。
国内方面，2009年高峰等人[17]采用传感器技术设计了作物水分状况监测系统，该系统实现了信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，可以使人们随时随地精确获取作物需水信息，为精准灌溉提供了科学依据。2010年杨婷等人[8]提出了一种基于CC2430传感器的自动滴灌系统的设计方案，系统监测作物土壤湿度、环境温度和光照变化等参数，根据采集到的信息判断是否实施滴灌，当湿度达到作物要求上限时则适时停止灌溉，减少不必要的浪费。
4.1.3 病虫害防治
2005年Baggio[18]等人设计了一个叫做Lofa Agro的项目，该项目的目的是防止马铃薯作物被疫病菌感染。作物冠层的温度和湿度是疫病菌发生的重要因素，因此，在该项目中通过使用传感器来监测马铃薯农田中的温度和湿度，能够帮助农民及时了解作物是否处于发病的危险之中，并及时做出相应的防治措施。2008年Martin[19] 等人设计了一个基
于视频分析和场景解释的决策支持系统，通过在温室中部署无线视频传感器，实现自动害虫监测。为了实现鲁棒性的持续监测，采用了视觉算法来克服光照变化和植物移动的影响。这种非破坏性和非侵入性的方式能够使用户做出快速的补救措施。2009年Bencini[20]等人开发了一个基于传感器的监测系统，该系统主要用来监测葡萄园中的一系列生理参数，防止藤蔓植物病害。该系统在意大利和法国的多个葡萄园的试点试验中，取得了良好的效果。
2010年韩安太等人[21]利用传感器技术和压缩感知技术，设计了一种新型的储粮害虫声信号采集系统，并将其用于采集储粮罐内赤拟谷盗成虫的爬行声。该系统实现了较大流量声信号测量数据的远程、实时、可靠传输，为传感器在数字农业中的应用做出了探索。4.2 开发建议
4.2.1 低成本
在农业环境中需要部署数量庞大的传感器，而这些传感器要采集各种类型的农业环境信息参数。因此，开发低成本传感器，实现对农业环境信息与生物生理指标全方面的实时监测，是未来无线传感器网络研究的重点。目前，基于PIC低功耗单片机与MEMS加速度传感器，设计了一种低成本的无线传感器网络节点，该设计采用性价比较高的PIC16系列单片机，软件模拟PT2262遥控编码器，配合I2C接口加速度传感器、微型高频发射器件，实现了通用MCU无线传感器的节点方案，省去了昂贵的专用RF芯片，降低了系统成本。实验结果表明，该方案具有可靠、灵活、低功耗、低成本的特点，可广泛应用于低速实时测量、监控防盗等场合，是实现传感器物联网的重要发展方向。
4.2.2 低功耗
传感器节点一般采用电池供电（如碱性电池或锂电池），可以使用的电量非常有限，而对于有成千上万个传感器节点的农业环境来说，对电池的更换是非常难的，甚至是不可能的。为此，应该促进低功耗传感器的研发，同时研制容量大、体积小、寿命长的新型储能电池和具有自充电功能的生物电池，加大对自然中生物能的开发利用。
4.2.3使用新材料
半导体硅是固态传感器最重要的材料,但对其它新型敏感材料和功能材料的开发仍未停止,如陶瓷、高分子、生物、智能材料等新型材料的开发与应用,不仅扩充了传感器的种类,而且改善了传感器的性能,拓宽了传感器的应用领域。如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面阵列红外探测器、生物传感器、诊断传感器、智能传感器、基因传感器以及模糊传感器等。
第五章结束语
传感器在多学科交叉技术的综合应用，推动了新一代传感器的诞生与发展。这些新型传感器在农业中得到了进一步的应用。传感器技术应用于设施农业，对设施农业的发展带来了极大的影响和巨大的推动。国外如以色列、荷兰等国在设施农业方面的研究和生产已达到很高水平；发达国家已经形成了比较完善的、成套的技术和设施，并在向高度自动化、智能化发展。我国在设施农业方面发展较快，已经取得了一些研究成果并投入实际应用。国内以塑料大棚和日光温室为主体的设施农业正在迅速发展。但与发达国家相比，还有一定差距，尤其是在设施养殖方面，无线传感器网络的研究成果与应用案例还很少。基于目前我国的设施农业科技含量相对较低，设施水平、机械化程度相对低下的状况，我们需要在借鉴国外的经验、教训和模式、引进国外先进技术的基础上，注重自主创新，加大对无线传感器网络在设施农业方面的研究力度。
本文主要介绍设施农业传感器的种类及性能要求,分析国内外农业传感器的研究现状，介绍了新型传感器在农业中的应用.希望通过该论文对今后农业传感器的研究和开发应用起到一定的借鉴作用。
《传感器技术与应用第3版》习题参考答案 习题1 1.什么叫传感器？它由哪几部分组成？ 答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。 2. 传感器在自动测控系统中起什么作用？ 答：自动检测和自动控制技术是人们对事物的规律定性了解、定量分析预期效果所从事的一系列技术措施。自动测控系统是完成这一系列技术措施之一的装置。一个完整的自动测控系统，一般由传感器、测量电路、显示记录装置或调节执行装置、电源四部分组成。传感器的作用是对通常是非电量的原始信息进行精确可靠的捕获和转换为电量，提供给测量电路处理。 3. 传感器分类有哪几种？各有什么优、缺点？ 答：传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分，如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等；另一种是按传感器的工作原理来分，如电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器、电化学式传感器等。还有按能量的关系分类，即将传感器分为有源传感器和无源传感器；按输出信号的性质分类，即将传感器分为模拟式传感器和数字式传感器。 按被测输入量分类的优点是比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用；缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便使用者掌握其基本原理及分析方法。 按工作原理分类的优点是对传感器的工作原理比较清楚，有利于专业人员对传感器的深入研究分析；缺点是不便于使用者根据用途选用。 4. 什么是传感器的静态特性？它由哪些技术指标描述？ 答：传感器测量静态量时表现的输入、输出量的对应关系为静态特性。它有线性度、灵敏度、重复性、迟滞现象、分辨力、稳定性、漂移等技术指标。 5. 为什么传感器要有良好的动态特性？什么是阶跃响应法和频率响应法？ 答：在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。因此，需要传感器具有良好的动态特性。 测试和检验传感器的动态特性有瞬态响应法和频率响应法。阶跃响应法即瞬态响应法，是给传感器输入一个单位阶跃函数的被测量，测量其输出特性。动态特性优良的传感器的输出特性应该上升沿陡，顶部平直。 频率响应法是给传感器输入各种频率不同而幅值相同，初相位为零的正弦函数的被测量，测量其输出的正弦函数输出量的幅值和相位与频率的关系。动态特性优良的传感器，输出的正弦函数输出量的幅值对于各频率是相同的，相位与各频率成线性关系。
生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰IntermediaryTechnologyInstitutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（BiosensorPlatform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics'16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时间）
第1章传感器基础理论思考题与习题答案 1.1什么是传感器？（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？ 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。 1.4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意 义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 1.6某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、
设施农业用传感器的分类 设施农业传感器的品种较多，按其检测参数分类，主要有以下几种； 1. 用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在10～40℃（土壤热容积较大，温度变化不是很明显），安装在作物根部土壤中，以测量作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤的温度变动情况。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。 2. 用于检测设施农业的空气环境温湿度，一般使用的有效温度范围在0～50℃，有效湿度范围在30～90%。大部分安装在温室、大棚或畜禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温室、大棚或畜禽舍长度安装1～4个不等，以避免空气流通差导致的局部小气候效应。 3. 用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。目前有两种表示方式，其一为容积含水量，即V/V%，其二为质量含水量，即M/M%，大部分产品以容积含水量表示，一般有效范围在10～70%。因不同土质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量水后，所显示的容积含水量会有不同。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。 4. CO2含量传感器 CO2含量传感器用于检测环境中CO2含量，便于决定是否增施气肥或需通风换气。一般以ppm为单位，有效范围在100～1000ppm之间。可以用在
温室、大棚中，也可以用在密封/半密封的畜禽舍中。温室、大棚中主要检 测有光照情况下CO2含量是否低于作物光合作用的最佳浓度，在畜禽舍中主 要检测密封环境下CO2浓度是否超出影响畜禽能生长发育的最大浓度，以便 于及时通风换气。独栋温室、大棚或畜禽舍安装1个即可。 含量传感器 NH3含量传感器用于检测畜禽舍环境中NH3的含量，以决定是否需要通 风换气和清除粪便。一般以ppm为单位，有效范围在0~100ppm之间。养鸡 场应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系统不能完全消化饲料，大量 蛋白质通过粪便排出后，经过复杂的化学反应转变为NH3，而NH3又是影响 鸡蛋产量的关键因素，一旦NH3浓度超过一定值，蛋鸡产蛋率明显下降，甚 至不产蛋，需要数周后才能恢复。一般安装1个即可。 6.光照度传感器 光照度传感器用于检测作物生长环境的光照强度，以决定是否需要遮 阳或补光。单位lux（勒克司），有效范围在200～200000Lux。一般安装 在温室、大棚中，用来检测作物生长所需要的光照强度是否满足最基本需 要或是否达到作物的最佳生长状态，如与CO2传感器联合使用，可以为何时 增施气肥提供参考。安装时考虑向阳并且避免被遮挡。一般安装1个即可。 7.营养元素传感器 营养元素传感器用于检测作物生长环境中N（氮）、P（磷）、K（钾）的含量，以决定是否需要施肥。一般用于检测无土栽培环境中所调配的营 养液中营养元素含量，或根据流回的营养液中元素的吸收情况决定营养元 素的调配比率，也可用于普通大棚或温室中土壤营养元素含量检测。 二性能要求
一、填空题：（每空2分，共20分） 1、传感器的动态特性越好，则能测的信号频率越宽（宽、窄）。 2、已知一米尺的修正值为-2mm，现用该米尺测得某物体长度为32.5cm，则该物体长度为 32.3 。 3、测50mm的物体，测得结果为50.02mm，则相对误差为 0.04% 。 4、相敏检波电路与差动变压器配合使用是为了辨别方向。 5、电阻式传感器是将被测非电量转换为电阻的变化的装置。 6、在差动变压器的实验中，观察到的现象是在一定范围内呈线性。 7、在某些晶体物质的极化方向上施加电场时，这些晶体物质会产生变形，这种现象称为逆压电效应。 8、电容式传感器存在的边缘效应可以通过初始电容量c0 或 加装等位环来减小。 9、差动变压器是属于信号调制中的调幅类型（调幅、调频、调相）。 二、判断题（正确的打√，错误的打×。每小题1分，共10分） 1、差动结构从根本上解决了非线性误差的问题。（ x ） 2、为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下通过强电场作用对其作极化处理。（ Y ） 3、变间隙型的电感式传感器初始间隙越大，灵敏度越低，非线性误差越小，量程越大。（ Y ） 4、变面积型的电容式传感器输出与输入之间的关系是线性的。（ Y ） 5、压电式传感器只能进行动态测量。（ Y ） 6、随机误差可以通过系统校正来减小或消除。（ X ） 7、求和取平均是为了减小系统误差。（ X ）
8、电涡流式传感器不仅可以用于测量金属，还可以测量非金属。（ X ） 9、石英晶体沿任意方向施加力的作用都会产生压电效应。（ X ） 10、电容传感器采用运算放大器测量电路则从原理上解决了单个变间隙型电容传感器输出特性非线性问题。（ Y ） 三、计算题（每小题10分，共50分） 1、将一电阻应变片接入电桥电路中，已知电阻应变片在无应变时的电阻值为80欧，R3=40欧，R4=100欧。运算放大器的电压增益为20。问R2选取多大合适？如果该电阻应变片的灵敏度为4，受力的作用后发生变形其应变为2×10-3，电阻值变化为多少？受到该力的作用后输出电压U为多少？ U
传感器在农业上的应用 传感器就是指能感受被测量, 并可按一定的规律转换成可用信号输出 (通常为电信号)的器件装置, 它是获取信息的重要工具。传感器可以测量各种量, 任何一个信息系统和控制系统都离不开传感器。近年来, 随着高科技的深入发展, 传感器的应用领域越来越广, 下面介绍一下传感器在农业中的应用。 1 、传感器在农业机械化方面的应用 机电一体化是农业机械发展的重要趋势, 同时也是农业现代化的必由之 路, 而传感器技术又是机电一体化的关键技术之一。改造传统的农业机械离不开传感器, 发展现代化的农业机械更需要大量的传感器。由此可见, 传感器在农业机械方面的应用十分广泛。近年来, 拖拉机、收割机、制米机、灌溉机等农业机械都安装使用了各种传感器, 来增加或提高其性能。例如, 美国研制推出了一种收割机割高度自动控制系统。该系统是由传感器、电子电路及液压等部分构成的。作物的高度信号由割台输送带上的物位传感器检测, 电子控制器把传感器的输 出信号经过滤波后转换成升高、降低或继续保持割台高度的信号, 然后驱动电磁阀, 使控制收割台的液压缸做相应的动作, 调整割台的高度。该系统在割台的两端还各装一个近地传感器, 以防割台触地。再如, 日本东洋制米机厂研制出一种可以安装在联合收割机上的用来判断、清除谷物中混进的金属等杂质的磁传感器。其工作原理是在谷物滚动的筒管周围形成高频电磁场, 利用磁传感器测量谷物滚动时引起的电磁场的变化, 通过分选器剔除谷物中的金属杂质等。 2 、传感器在培育良种方面的应用 种子是农业生产的第一环节, 应倍受重视。近年来, 生物技术、遗传工程等都成为良种培育的重要技术, 在这其中生物传感器发挥了重要的作用。例如, 西班牙的农业科学家通过生物传感器操纵种子的遗传基因, 在玉米种子里找到了 防止脱水的基因, 培育出了优良的玉米种子。此外, 监测育种环境还需要温度传感器、湿度传感器、光传感器等; 测量土壤状况需用水分传感器, 吸力传感器、氢离子传感器、温度传感器等; 测量氮磷、钾各种养分需要用各种离子敏传感器。 3 、传感器在种植方面的应用 种植是农业的基本操作。农作物的各种种植环节甚多, 在整个过程中, 可以利用各种传感器来收集信息, 以便及时采取相应的措施来完成科学种植。例 如, 美国的科研人员通过埋入土壤中的离子敏传感器来测量土壤的成分, 并通 过计算机进行数据分析处理, 从而来科学地确定土壤应施肥的种类和数量。此外, 在植物的生长过程中还可以利用形状传感器、颜色传感器、重量传感器等来监测物的外形、颜色、大小等, 用来确定物的成熟程度,以便适时采摘和收获; 可以利用二氧化碳传感器进行植物生长的人工环境的监控, 以促进光合作用的进行。例如, 塑料大棚蔬菜种植环境的监测等; 可以利用超声波传感器、音量和音
传感器技术与应用试题及答案（二） 传感器技术与应用试题及答案(二) 题号一、选择题(本大题共20小题，每小题2分，共40分) 1、以下不属于我国电工仪表中常用的模拟仪表精度等级的是( ) A 0.1 B 0.2 C 5 D 2 2、( )又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的几种类型。 A 系统误差 B 变值系统误差 C 恒值系统误差 D 随机误差 3、改变电感传感器的引线电缆后，( ) A不必对整个仪器重新标定 B 必须对整个仪器重新调零 C 必须对整个仪器重新标定 D不必对整个仪器重新调零 4、在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中( )。 A、电容和电感均为变量 B、电容是变量，电感保持不变 C、电感是变量，电容保持不变 D、电容和电感均保持
不变 5、在两片间隙为1mm的两块平行极板的间隙中插入( )，可测得最大的容量。 A、塑料薄膜 B、干的纸 C、湿的纸 D、玻璃薄片 6、热电阻测量转换电路采用三线制是为了( ) 。 A、提高测量灵敏度 B、减小非线性误差 C、提高电磁兼容性 D、减小引线电阻的影响 7、当石英晶体受压时，电荷产生在( ) 。 A、Z面上 B、X面上 C、Y面上 D、X、Y、Z面上 8、汽车衡所用的测力弹性敏感元件是( )。 A、悬臂梁 B、弹簧管 C、实心轴 D、圆环 9、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是( )。 A、补偿热电偶冷端热电势的损失 B、起冷端温度补偿作用 C、将热电偶冷端延长到远离高温区的地方 D、提高灵敏度 10、在仿型机床当中利用电感式传感器来检测工件尺寸，该加工检测装置是采了( )测量方法。 A、微差式 B、零位式 C、偏差式 D、零点式 11、测得某检测仪表的输入信号中,有用信号为20毫伏,干扰电压也为20毫伏, 则此时的信噪比为( )。
2.1设施农业用传感器的分类 设施农业传感器的品种较多，按其检测参数分类，主要有以下 几种； 1. 土壤温度传感器 土壤温度传感器用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在10～40℃（土壤热容积较大，温度变化不是很明显），安装在作物 根部土壤中，以测量作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤的 温度变动情况。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据 不同作物根系深度确定埋土深度。 2.空气温湿度传感器 空气温湿度传感器用于检测设施农业的空气环境温湿度，一般使用的有效温度范围在0～50℃，有效湿度范围在30～90%。大部分安 装在温室、大棚或畜禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温室、大棚或畜禽舍长度安装1～4个不等，以避免空气流通差导致的局部 小气候效应。 3.土壤水分传感器 土壤水分传感器用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。目前有两种表示方式，其一为容积含水量，即V/V%，其二为质量含 水量，即M/M%，大部分产品以容积含水量表示，一般有效范围在 10～70%。因不同土质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量水后，所显示的容积含水量会有不同。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。
CO2含量传感器用于检测环境中CO2含量，便于决定是否增施气肥或需通风换气。一般以ppm为单位，有效范围在100～1000ppm之间。可以用在温室、大棚中，也可以用在密封/半密封的畜禽舍中。温室、大棚中主要检测有光照情况下CO2含量是否低于作物光合作用的最佳浓度，在畜禽舍中主要检测密封环境下CO2浓度是否超出影响畜禽能生长发育的最大浓度，以便于及时通风换气。独栋温室、大棚或畜禽舍安装1个即可。 5.NH3含量传感器 NH3含量传感器用于检测畜禽舍环境中NH3的含量，以决定是否需要通风换气和清除粪便。一般以ppm为单位，有效范围在 0~100ppm之间。养鸡场应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系统不能完全消化饲料，大量蛋白质通过粪便排出后，经过复杂的化学反应转变为NH3，而NH3又是影响鸡蛋产量的关键因素，一旦NH3浓度超过一定值，蛋鸡产蛋率明显下降，甚至不产蛋，需要数周后才能恢复。一般安装1个即可。 6.光照度传感器 光照度传感器用于检测作物生长环境的光照强度，以决定是否需要遮阳或补光。单位lux（勒克司），有效范围在200～ 200000Lux。一般安装在温室、大棚中，用来检测作物生长所需要的光照强度是否满足最基本需要或是否达到作物的最佳生长状态，如与CO2传感器联合使用，可以为何时增施气肥提供参考。安装时考虑向阳并且避免被遮挡。一般安装1个即可。
一、填空题（每空1分，共30分） 1、声波是一定频率范围内可以在弹性介质中传播的波，低于16 Hz的声波称为次声波，高于20k Hz的声波称为超声波。 2、超声波可分为纵波、横波、表面波。 3、超声波中的纵波能在固体、液体、气体中传播；横波只能在固体中传播。 4、在空气中传播的超声波，其频率应选得较低；在固体、液体中传播的超声波，其频率应选得较高。 5、光电元件的工作原理是基于不同形式的光电效应。 6、光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射光波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。 7、光敏电阻的阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。 8、光敏晶体管的光电特性是指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流与光照度之间的关系。 9、光电检测必须具备光源、被测物、和光敏元件。 10、光电开关可分为直射（透射）型和反射型两种。 11、光纤传感器主要由光导纤维、光源和光探测器组成。 12、光纤是利用光的完全内反射原理传输光波的一种媒质。 13、接触式码盘的码道数n越大，所能分辨的角度α越小，测量精度越高。
14、感应同步器利用定尺和滑尺的两个平面印刷电路绕组的互感随其相对位置变化的原理，将位移转换为电信号。 二、选择题（每小题2分，共30分） 1、直探头可发射和接收 A 波，斜探头可发射和接收 B 波。 A 纵B横C表面 2、超声波测厚常用C 法。 A穿透B反射C脉冲回波 3、光敏二极管在测光电路中应处于 B 偏置状态；而光电池通常处于 A 偏置状态。 A 正向B反向C零 4、温度上升，光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管的暗电流 A 。 A上升B下降C不变 5、普通型硅光电池的峰值波长为 B 。 A 0.8mm B 0.8μm C 0.8nm 6、下列传感器中，不能直接用于直线位移测量的传感器是 C 。 A 长光栅 B 感应同步器 C 角编码器 7、增量式位置传感器输出的信号是 C 。 A 电压信号 B 电流信号 C 脉冲信号 8、某直线光栅每毫米刻线数为50线，采用四细分技术，则该光栅的分辨力为 A μm。 A 5 B 20 C 50 9、光栅中采用sin和cos两套光电元件是为了 B 。 A 抗干扰 B 辨向 C 进行三角函数运算 10、增量式编码器通常为 B 码盘。 A 接触式 B 光电式 C 电磁式 11、有一只1024位增量式角编码器，光敏元件在30秒内连续输出了102400个脉冲，则该编码器测得的转速为 A r/min。 A 200 B 1024 C 3000 12、感应同步器的输出电压 C 励磁电压。
生物传感器的原理及应用 摘要: 随着信息技术与生物工程技术的发展，生物传感器得到了极为迅速的发展，当今各发达国家都把生物传感器列为21世纪的关键技术，给予高度的重视。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器；原理；应用；发展 Abstract: As information technology and biological engineering technology, bio-sensors has been very rapid development，today's developed countries regard the biosensor technology as the key to the 21st century, given a high priority. Biosensors are widely used in traditional medicine not only to promote the development of medicine, but also in space life science, food industry, environmental monitoring and widely used in military and other fields. Keyword s: biosensor; principle; application; development
目录 一. 引言 (4) 二. 生物传感器的原理 (4) 三. 生物传感器的应用 (5) 3.1.生物传感器在医学领域的应用 (5) 3.1.1. 基于中医针灸针的传感针 (5) 3.1.2.生物芯片 (5) 3.1.3.生物传感器的临床应用 (5) 3.2.生物传感器在非传统医学领域的应用 (6) 3.2.1．在空间生命科学发展中的应用 (6) 3.2.2．在环境监测中的应用 (6) 3.2.3．在食品工程中的应用 (6) 3.2.4．在军事领域的应用 (6) 四. 生物传感器的未来 (7) 五. 结束语 (7) 六. 参考文献 (7)
Chapter １生物传感器 （Biosensors） ? 1.1 Generalization（概述）? 1.2 Principle （基本原理）? 1.3 Classification（分类）? 1.4 Application（应用）
1.2 生物传感器工作原理 被测对象生物敏 感膜 （分子 识别感 受器） 电 信 号 换 能 器 物理、化学反应 化学物质 力 热 光 声 . . . 图16-1 生物传感器原理图
BIOSENSORS 1.2 生物传感器原理 无论是基于电化学、光学、热学或压电 晶体等不同类型的生物传感器，其探头均由 两个主要部分组成，一是感应器，它是由对 被测定的物质（底物）具有高选择性分子识 别功能的膜构成。二是转换器，它能把膜上 进行的生化反应中消耗或生成的化学物质， 或产生的光、热等转变成电信号，最后把所 得的电信号经过电子技术的处理后，在仪器 上显示或记录下来。
换能器（T r a n s d u c e r ）感受器（R e c e p t o r ）= 分析物（Analyte ） 溶液（Solution ）选择性膜（Thin selective membrane ） 识别元件（Recognition ）生物传感器工作机理 测量信号（Measurable Signal ） BIOSENSORS
（1）将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。
传感器在农业种植当中的应用 传统的农业种植都是靠经验，什么时候该给农田灌溉，什么时候该施肥完全看农民的主观臆断。遇到年头不好，出现干旱情况，减产那是不可避免的。这种情况，江苏省天蓝地绿农庄在2010年之后就没有出现过，因为他们引进了传感器技术，成为江苏省第一个物联网农业示范区。据他们介绍，有了传感器技术的支撑，各种蔬菜水果的生产情况他们都了如指掌，不光节省了劳动力，还可以实现农田的远程管理。知道他们是怎么做到的吗？下面我们一起来了解一下。 蓝地绿农庄在2010年9月份就开始响应政府号召，引进传感器技术，并对其进行组网。他们在田间里布置很多温湿度传感器、光照传感器和化学传感器等等，通过这些传感器传输过来的信息，了解田间温湿度、光照和养分等情况，对蔬菜生长过程进行全程监控和数据化管理。这些传感器根据需要布置于各个位置，有点悬挂，有的放置于菜地上方，它们能读懂植物的需要，然后对他们进行组网，通过无线发射的方式，传送给办公室的计算机平台，计算机软件对数据进行分析，需要浇水的发送控制指令给系统实施浇水，哪些地方需要施肥也会现实在界面上。此外，田间还装有很多摄像头，技术人员可以进行远程监控。 用天蓝地绿农庄的主人张晓峰的话说植物也有植物的语言，只要我们能够读懂它，制定合理的方案，不要纯粹依靠经验盲目种植肯定能够获得大副增长。这套装置就是通过物联网，通过田间的传感器，监控土壤中的湿度、养分，空气中的二氧化碳、温度等信息，把植物
的语言读懂，翻译过来。 据张晓峰透露，现在农场的管理人员通过电脑、手机上网就知道农场里的信息，电脑可以设置各种参数进行报警，随时提醒管理人员进行相应操作。工作人员普遍反映种菜不像以前那么累了，只要把程序设置好，一个不熟悉种植的人都可以进行操作。 通过了解，如果一个农场进行这样的改造，每亩地的成本大约在10000元左右。但是通过改造，人工成本可以减少百分之二十，产量却可增加百分之十到十五，可以说是物有所值。另外，该装置可以增加用户体验功能，客户可以通过网络，进行选菜，可以知道该种蔬菜生长的各种指标情况，你现在动心了吗？ 总结：通过物联网和传感器技术，我们可以模拟各种蔬菜生长的条件，对其生长环境进行控制。相信将来蔬菜种植不再受地域的限制，比如重庆的朝天椒可以拿到无锡去种植，广州的香蕉可以到北京生长。每个工作人员可以管理田地范围也会进一步扩大，种植变得更精细、更智能，蔬菜的品质也将提高很多。
传感器技术与应用习题答案 习题1 l.1 检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。 答：检测系统是由被测对象、传感器、数据传输环节、数据处理环节和数据显示环节构成。 传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的。 数据传输、处理环节，又称之为测量电路，它的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。 数据显示记录环节是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。常用的有模拟显示、数字显示和图像显示三种。 1.2 传感器的型号有几部分组成？各部分有何意义? 答：传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路组成，敏感元件：直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。转换元件：将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的元件。测量电路：将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。 1.3 测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行? 答：直接测量。使用电压表进行测量，对仪表读数不需要经过任何运算，直接表示测量所需要的结果。 1.4 某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V 减至 2.5V，试求该仪器的灵敏度。 解: 灵敏度s=(3.5-2.5)v/(5.0-4.5)mm=2v/mm 1.5 有三台测温仪表，量程均为0~800℃，精度等级分别为 2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5％，选那台仪表合理? 答：2.5级时的最大绝对误差值为20℃，测量500℃时的相对误差为4％；2.0级时的最大绝对误差值为16℃，测量500℃时的相对误差为3.2％；1.5级时的最大绝对误差值为12℃，测量500℃时的相对误差为2.4％。因此，应该选用1.5级的测温仪器 1.6 什么是系统误差和随机误差?准确度和精密度的含义是什么? 它们各反映何种误差? 答：系统误差(简称系差)：在一定的条件下，对同一被测量进行多次重复测量，如果误差按照一定的规律变化，则把这种误差称为系统误差。系统误差决定了测量的准确度。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验或引入修正值的方法一次修正给以消除。 随机误差(简称随差，又称偶然误差)：由大量偶然因素的影响而引起的测量误差称为随机误差。对同一被测量进行多次重复测量时，随机误差的绝对值和符号将不可预知地随机变
智慧农业中有哪些传感器 This manuscript was revised by the office on December 22, 2012
智慧农业中有哪些传感器？ 传感器是系统检测环节的重要组成部分，用于将温室环境因子等非电物理量转变为控制系统识别的电信号，为系统管理人员提供判断和处理的依据传感器的主要技术指标有：线性度、灵敏度迟滞、重复性、分辨率、漂移、精度等 温室大棚环境监测系统，如何实现温室环境的实时在线监测，并且将这些监测数据实时传输到控制中心，其秘密就在于它所使用的各种传感器。 根据温室大棚环境监测的需求不同，温室环境监测系统中需要配备的传感器数量和种类也是不相同的，因此可以说温室大棚环境监测系统是属于定制型的农业物联网系统。 温湿度传感器 从温室大棚生产中与作物生长息息相关的环境因素来看，其实科技认为温室环境监测系统中会用的传感器主要有温湿度传感器、土壤水份传感器、二氧化碳传感器和光照传感器。 风速传感器 首先来说温湿度传感器，不管是在何种条件下，作物的生长与温度和湿度都有密切的关系因此在温室环境监测系统的监测参数中，温度和湿度是其中重要的一项，这也表示温湿度传感器是温室环境监测系统中必不可少的一种传感器种类。 通常温湿度传感器会采用悬挂的方式固定在空中，以便更好的监测温室中的温湿度变化。光照传感器 雨雪传感器
其次再来说土壤水份传感器，作物的生长需要水分，这一点我们大家都知道，但是如何做到既不影响作物生长又不浪费水资源呢，秘密就在无线土壤水份传感器，通过它的实时监测，管理人员可以清楚的知道当前土壤中的温湿度变化，从而确定是否需要灌溉以及灌溉的水量是多少，因此土壤水份传感器也是温室环境监测系统中必不可少的。 最后一起来说二氧化碳传感器和光照传感器，虽然它们的监测对象不同，但是都是属于与植物的光合作用相关的，比如利用二氧化碳传感器控制温室中CO2的浓度，有利于作物的生长发育，而利用采用光照传感器来检测和控制光照强度，使作物可以得到均匀一致的光照，这些都可以起到促进作物生长，提高作物单产和品质的目的。
生物传感器的应用与发展趋势 摘要：生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术, 是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置，具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续检测的特点。生物传感器的高度自动化、微型化与集成化，减少了对使用者环境和技术的要求，适合野外现场分析的需求，在生物、医学、环境监测，视频，医药及军事医学等领域有着重要的应用价值。 关键词：生物传感器;应用;发展趋势 1生物传感器 从几百年以前,人类就已经在使用生物传感器,而生物传感器的研究始于1962年,Clark和Lyons首先提出使用含酶的修饰膜来催化葡萄糖,用pH计和氧电极来检测相应的信号转变。1967年,Updike和Hick 正式提出了生物传感器这一概念,并成功制备了第一支葡萄糖生物传感器,这一工作对生物学来说具有里程碑意义。生物传感器研究的全面展开是从20世纪80年代开始的,1977年,Kambe等用微生物作识别元素制备了生物传感器,为拓宽检测物的范围,所用到的识别元素不断得到扩展,如细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素先后被应用于生物传感器的构筑中。换能器的种类和质量也不断得到提高和发展,随后细胞、DNA、RNA、抗体等识别元素也被应用于生物传感器中。逐渐从电化学向光谱学、热力学、磁力、质量及声波等方向拓展,这也使得生物传感器在种类和应用领域上得到发展。 1.1 生物传感器简介 生物传感器指对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质与适当的理化换能器如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。 将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器:微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。 在21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。 1.2 生物传感器的分类 生物传感器主要有下面三种分类命名方式： 1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器，微生物传感器，细胞传感器，组织传感器和免疫传感器。相应的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。 2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极传感器，半导体生物传感器，光生物传感器，热生物传感器，压电晶体生物传感器等，换能器依次为电化学电极、半导体、光电转换器、热敏电阻、压电晶体等。 3.以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲和型生物传感器、代谢型或催化型生
生物传感器的应用及发展趋势 摘要: 生物传感器是一类特殊的化学传感器，是以生物体成分（如酶,抗原,抗体,激素等）或生物体本身(细胞,微生物,组织等)作为生物体敏感元件,对被测目标物具有高度选择性的检测器件。生物传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和军事等领域广泛应用。 关键词:生物传感器种类；原理；应用；趋势 一.生物传感器基本结构和工作原理 生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部 分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分 是生物传感器选择性测定的基础。生物传感器通过物理，化学型信号转换器捕捉目标物 与敏感元件之间的反应，并将反应的程度用离散或连续的电信号表达出来，从而得出 被测量。 生物体中能够选择性地分辨特定特质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识 别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合、酶与基质的 结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提； 要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变 化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适光的换能器。 二.生物传感器的分类及应用 1.酶生物传感器 酶传感器是生物传感器的一种，是利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学 装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的器件。酶生物传感器应用于检测血糖 含量，检测氨基酸含量，测定血脂，测定青霉素和浓度，测定尿素，测定血液中的酶含量 酶传感器中应用的新技术：纳米技术 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的催化活性，提高电极的响应电流值。首先，纳米颗 粒增强在载体表面上的固定作用；其次是定向作用，分子在定向之后，其功能会有所改善；第三，由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应，可以作为固定化酶之间、 固定化酶与电极之间有效的电子媒介体，从而使得氧化还原中心与铂电极间通过金属颗粒 进行电子转移成为可能，酶与电极间可以近似看作是一种导线来联系的。这样就有效地提 高了传感器的电流响应灵敏度。孟宪伟等首次研究了二氧化硅和金或铂组成的复合纳米颗 粒对葡萄糖生物传感器电流响应的影响，其效果明显优于这=种纳米颗粒单独使用时对葡萄糖生物传感器的增强作用。其原因是纳米粒子具有吸附浓缩效应、吸附定向和量子尺寸颗 粒效应，复合纳米颗粒比单独一种纳米颗粒更易于形成连续势场，降低电子在电极和固定 化酶间的迁移阻力，提高电子迁移率，有效地加速了酶的再生过程，因此复合纳米颗粒可 以显著增强传感器的电流响应。 2.免疫传感器 免疫传感器应用于检测食品中的毒素和细菌，检测DNA 光纤，检测残留的农药，毒品和滥 用药物的检测。
传感器在物联网中怎样应用，首先我们要了解什么是物联网。物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量及其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。 其次通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。 和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。 第一，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。 第二，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。 第三，物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。 第四，网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。 第五，传感器应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上
智能农业中的传感器应用 Revised by Jack on December 14,2020
设施农业用传感器的分类 设施农业传感器的品种较多，按其检测参数分类，主要有以下几种； 1. 用于检测土壤温度，一般使用的有效温度范围在10～40℃（土壤热容积较大，温度变化不是很明显），安装在作物根部土壤中，以测量作物的生长、发育的土壤温度及浇水后土壤的温度变动情况。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。 2. 用于检测设施农业的空气环境温湿度，一般使用的有效温度范围在0～50℃，有效湿度范围在30～90%。大部分安装在温室、大棚或畜禽舍中空气流通较好的遮阳处，一般根据温室、大棚或畜禽舍长度安装1～4个不等，以避免空气流通差导致的局部小气候效应。 3. 用于检测土壤中水分含量，便于及时和适量浇灌。目前有两种表示方式，其一为容积含水量，即V/V%，其二为质量含水量，即M/M%，大部分产品以容积含水量表示，一般有效范围在10～70%。因不同土质能容纳水量不同，故不同土质在浇灌等量水后，所显示的容积含水量会有不同。根据温室或大棚长度安装2～4个不等，安装时根据不同作物根系深度确定埋土深度。 4. CO2含量传感器 CO2含量传感器用于检测环境中CO2含量，便于决定是否增施气肥或需通风换气。一般以ppm为单位，有效范围在100～1000ppm之间。可以用在温室、大棚中，也可以用在密封/半密封的畜禽舍中。温室、大棚中主要检测有光照情况下CO2含量是否低于作物光合作用的最佳浓度，在畜禽舍中主
要检测密封环境下CO2浓度是否超出影响畜禽能生长发育的最大浓度，以便于及时通风换气。独栋温室、大棚或畜禽舍安装1个即可。 含量传感器 NH3含量传感器用于检测畜禽舍环境中NH3的含量，以决定是否需要通风换气和清除粪便。一般以ppm为单位，有效范围在0~100ppm之间。养鸡场应用居多，尤其是蛋鸡场，因为鸡的消化系统不能完全消化饲料，大量蛋白质通过粪便排出后，经过复杂的化学反应转变为NH3，而NH3又是影响鸡蛋产量的关键因素，一旦NH3浓度超过一定值，蛋鸡产蛋率明显下降，甚至不产蛋，需要数周后才能恢复。一般安装1个即可。 6.光照度传感器 光照度传感器用于检测作物生长环境的光照强度，以决定是否需要遮阳或补光。单位lux（勒克司），有效范围在200～200000Lux。一般安装在温室、大棚中，用来检测作物生长所需要的光照强度是否满足最基本需要或是否达到作物的最佳生长状态，如与CO2传感器联合使用，可以为何时增施气肥提供参考。安装时考虑向阳并且避免被遮挡。一般安装1个即可。 7.营养元素传感器 营养元素传感器用于检测作物生长环境中N（氮）、P（磷）、K（钾）的含量，以决定是否需要施肥。一般用于检测无土栽培环境中所调配的营养液中营养元素含量，或根据流回的营养液中元素的吸收情况决定营养元素的调配比率，也可用于普通大棚或温室中土壤营养元素含量检测。 二性能要求 由于设施农业用传感器是在系统中发挥作用，因此传感器的性能必须符合以下要求： 1.长期稳定性好