农业传感器:研究进展、挑战与展望

[目的/意义]农业传感器是数字农业、信息农业、智慧农业等现代农业发展模式的源头技术,也是推动农业科技迭代升级和农业生产方式变革的重要驱动力。农业传感器应用环境(水、气及土壤)和监测对象(动植物)多样复杂、规模大,因此,高环境适应性、高可靠性和低成本的农业传感器是实现智慧农业的基础与核心。[进展]本文对农业传感器进行分类,并对农业传感器前沿研究趋势进行分析,综述农业传感器在不同应用场景下的研究现状,从农业环境传感器(水、大气和土壤等)、动植物生命信息传感器、农产品质量安全传感器和农机传感器四大类进行深入分析,总结现有农业传感器在研发和使用过程中的通用性和局限性。[结论/展望]在农业传感器面临的挑战与展望中,具体分析了现阶段农业传感器大规模应用严重不足的核心瓶颈,包括低成本化、专用化、高稳定性及自适应,归纳出“农业泛在感知”的概念,为农业传感器技术研发提供思路和参考。

一款基于可穿戴传感器的便携式步态检测系统的信效度研究

目的验证一款基于可穿戴传感器的便携式Right Gait&Posture?步态检测系统的信度和效度。方法江苏钟山老年康复医院于2023年8—11月招募36例健康受试者,由2名受过培训的评估者采用Right Gait&Posture?步态检测系统对每位受试者进行3次步态检测,评估者1完成第1次和第2次测试,评估者2完成第3次测试,所有测试均在同一天内完成。记录步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、足偏角、着地角度、着地内翻角度和蹬离角度等步态参数。采用组内相关系数(ICC)计算测试者间信度和重复测试的相对信度;采用测量标准误(SEM)和最小真正改变量(MDC)作为重复测试的绝对信度。以视频步态分析法作为对照,采用Bland-Altman法计算95%一致性界限,分析Right Gait&Posture?系统检测步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速4项步态参数的效度。结果(1)测试者间信度:2名评估者间步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、着地角度、着地内翻角度、蹬离角度和足偏角的ICC值为0.901~0.981。(2)重复测试信度:同一个评估者2次测试间的步态周期、摆动相占比、支撑相占比、步速、步频、步幅、着地角度、着地内翻角度、蹬离角度和足偏角ICC值为0.822~0.983。各项步态参数SEM和SEM%值分别为0.02~2.17和0.49%~13.83%,MDC和MDC%值分别为0.06~6.02和1.37%~38.34%。(3)效度分析:BlandAltman图显示步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速的绝对误差平均值和95%CI分别为0.003 s,(-0.059,0.064);0.756%,(-3.048,4.560);-0.756%,(-4.560,3.048);-0.001 m/s,(-0.155,0.152)。结论Right Gait&Posture?系统在时空参数和踝关节运动学参数方面具有较好信度;在步态周期、摆动相占比、支撑相占比和步速方面具有较高效度,值得临床推广应用。

电阻式柔性触觉传感器的研究与医养健康领域应用现状

近年来,可穿戴智能系统的进步对柔性压力传感器提出迫切的需求。其中,电阻式柔性触觉传感器因其原理简单、易于加工、集成效率高等特点得到了迅速发展。但是,如何实现传感器在宽压力监测范围内,具有高灵敏度仍是研究者们要面临的挑战。为了解决上述问题,除了选择先进的功能材料和合适的衬底材料,优化传感器结构也是一个重要的研究方向。本文立足于传感器件的结构设计,分别介绍了一维的纤维纱线传感器件,基于表面微结构、纳米结构构筑的二维平面传感器件及具有空间结构和高空隙的多维立体结构传感器件,通过以上结构设计实现了传感器件性能的提升,最后分析了其在医养健康领域的实际应用进展。

新型传感器在土壤污染监测中的应用研究

本文研究了新型传感器在土壤污染监测中的应用。通过开发和应用新型传感技术,研究人员能够实时监测土壤中的污染物含量和污染程度。论文介绍了不同类型的传感器及其工作原理,包括电化学传感器、光学传感器和生物传感器等。研究结果表明,这些新型传感器具有高灵敏度、快速响应和低成本等优点,能够准确地监测土壤中的有害物质。该研究对于土壤污染监测和环境保护具有重要意义,为制定有效的土壤污染治理策略提供了科学依据。

传感器技术理论与实践教学研究与探讨

探究传感器技术理论和实践教学方法,提高学生传感器系统设计的综合能力。首先在基础传感器理论和实践教学中,通过传感器测量电路的对比教学,以及相同功能不同原理的传感器比较教学,夯实学生的传感器基础知识;其次以自顶向下的系统设计方法,引导学生进行传感器系统的设计与调试,培养他们解决复杂工程问题的能力;另外通过引入最新型传感器以及科研热点,拓宽学生的视野。通过这种从基础到系统,再到科学前沿的教学方式,为学生呈现一个深邃而宽广的传感器世界,使学生不仅学会传感器基础知识,而且学会怎么用,还能思考未来如何创新。

面向智能可穿戴纺织品的聚合物基柔性传感器的研究进展

针对聚合物基柔性传感器良好的曲面共性及轻、柔、韧等特性,总结了面向智能可穿戴纺织品的聚合物基柔性传感器的研究进展。介绍了柔性传感器用聚合物的分类,包括导电聚合物和柔性介电聚合物。综述了柔性物理传感器和柔性化学传感器的分类及其研究进展,并梳理了其在健康运动检测、人机交互和虚拟现实/增强现实中的应用。分析了柔性传感器在发展过程中存在的技术瓶颈。认为:导电聚合物的弹性基底为柔性压力、温度、湿度、汗液及气体传感器提供了基础,与纺织品的集成可长时间连续提供多种电信号,为实现织物智能可穿戴提供了可能。

用于运动状态监测的纸基柔性摩擦电传感器

为解决柔性摩擦电传感器制备流程复杂、成本高、不够环保等问题,设计了一种基于纸基导电银浆的低成本柔性摩擦电传感器。当外部压力由5 N增大至50 N时,其输出电压和输出电流逐渐增大,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力作用下,输出电压的峰值约为7.52 V。当外部压强在17~173 kPa的范围内变化时,输出电压峰值与压强呈分段线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电压保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,该传感器能够感知肘关节、腕关节的弯曲角度,并能有效区分走、快走、跑3种运动类型以及踮脚、深蹲、抱腹跳3种健身动作,计算人体行走频率与健身动作次数,在人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

一种棱镜otto型SPR甲烷气体传感器设计

本文针对引起煤矿瓦斯爆炸的甲烷气体检测需求,提出一种基于otto结构的棱镜表面等离子体共振传感器。利用有限元法仿真分析了传感器的传感性能,研究了传感器结构参数对传感器性能的影响。在此基础上,通过在金属层表面修饰甲烷气体敏感膜,仿真分析了该传感器对甲烷气体的检测灵敏度。为甲烷气体传感器的研究提供一种研究思路。

基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器

设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构。室温下,传感器在载压范围为3~129 kPa内灵敏度为0.026 mV/kPa,与有限元仿真基本吻合。传感器在25~120℃范围内的热灵敏度漂移为0.004‰FS/℃,热零点漂移为0.25%FS/℃。湿度传感单元采用的叉指电极和电容式结构,引入含氟PI作湿度敏感膜。设计Mo电阻加热结构加快传感器降湿过程,缩短降湿时间近32%。在10%~90%RH的湿度范围,含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/%RH,略低于无氟PI器件。含氟基团的引入,使得传感器的湿滞较无氟PI降低16%。“电容-湿度”曲线呈指数分布,相关系数R^(2)=0.996。测试结果发现,湿度传感单元和压力传感单元拥有良好的独立工作性能。

TMR215x系列线性磁场传感器芯片

多维科技基于高灵敏度TMR技术推出了TMR215x系列线性磁场传感器芯片产品。该系列线性磁场传感器芯片根据检测的磁场范围分为TMR2151、TMR2152和TMR21533款型号产品,可满足不同量程的磁场测量。TMR215x系列线性磁场传感器芯片采用了SOT23-5封装,较于线性霍尔传感器,拥有优异的温度性能,更高的灵敏度,更低的本底噪音和模拟差分输出。TMR215x系列线性磁场传感器芯片适用于电流传感器、位置传感器、磁力计等领域。

海洋测绘中的多传感器数据融合技术研究

海洋测绘,是人类科研的必要途径,也是科研设施的重要组成。其中,多传感器数据融合技术的应用,更是至关重要。本次针对海洋测绘中多传感器数据融合技术的实施效果与研究方法,进行了一系列系统的理论探索与大量数据模拟。关注的焦点是海洋测绘中常用的三类传感器:声学传感器、光学传感器及无人船只传感器。实证研究显示,采用数据融合技术,可显著提升传感器数据处理的效率与精度。对于声学与光学传感器,数据融合的结果有助于有效降低由环境因素导致的单一传感器误差,对于无人船只传感器,数据融合可解决视野盲区问题,也能科学预测航道发展。综合数据显示,数据融合技术提升了的海洋测绘效果,不仅在精度上提高了20%,而且在处理时间上减少了25%。本研究的结果将对海洋测绘实务的技术创新和应用产生深远影响。

基于Python的无线传感器网络数据采集系统

无线传感器因节点结构复杂度高,数据量巨大,无法在海量数据中快速采集用户需求数据.为解决该问题,研究设计了基于Python的无线传感器网络数据采集系统,系统硬件包括数据采集芯片选型单元、无线收发芯片选型单元与串口通讯电路设计单元;软件模块包括网络数据挖掘采集框架设计模块、采集数据压缩模块和采集数据缓存模块.通过对上述硬件单元与软件模块的设计与开发,实现无线传感器网络数据采集系统的运行与应用.实验数据显示:相较于基于Android安全容器的网络数据采集系统,应用设计系统采集数据耗时更短、压缩率数值更大、能耗更小,充分证实设计系统的数据采集性能更佳.

基于Hall和GMR的多传感器融合方法及实现

目前霍尔传感器(Hall)和巨磁阻(GMR)传感器均广泛地应用于电力系统电流测量。为同时发挥二者的优势、降低各自的局限性,在分析Hall和GMR的温度特性、噪声特性和被测电流范围的基础上,提出了一种基于Hall和GMR的多传感器融合方案。在定义GMR和Hall的灵敏度差值ΔS基础上,将被测电流i和灵敏度差值ΔS构成的融合域划分为四个域,在域Ⅱ采用多传感加权观测融合Kalman滤波算法,将Hall和GMR的观测量和观测噪声融合后与状态方程联立进行Kalman滤波;在域Ⅰ采用数据加权融合最优权值分配的方法,给Hall的测量数据赋予较大权值,GMR的测量数据赋予较小的权值;在域Ⅲ,权值分配情况相反,各域之间可实现数据融合的平滑过渡。基于多传感器融合方法,设计了一种组合式闭环电流传感器,包括磁芯、电路部分设计及仿真。仿真和样机实验结果表明,在域Ⅱ时多传感器融合值与真实值的均方根误差低至0.004;在域Ⅰ、Ⅲ时电流测量的相对误差E_(i)均在0.255%以下。与单一传感器相比,多传感器融合的方法使组合式传感器测量电流范围增大,适用于温度变化范围较大的场景,电流测量精度及可信度更高。

氨基糖苷类药物光电化学传感器的构建及应用研究进展

氨基糖苷类药物(aminoglycosides,AGs)残留严重危害人体健康,传统检测方法操作复杂、成本高昂,光学和电化学传感器灵敏度高、特异性强、操作简单且成本低,应用前景广阔。该文介绍了食品中AGs光学与电化学传感器的构建方法与研究进展,涉及荧光法、化学发光法、比色法、表面增强拉曼光谱、电致发光及电化学方法。最后总结了不同类别传感器的优势与挑战,为新型光电化学传感器的构建与应用提供了新的思路,为该类药物的安全监控提供了技术支持。

基于磁流体填充微腔结构的光纤磁场矢量传感器

研制了一种基于磁流体填充的微腔式马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)结构的高灵敏的光纤磁场矢量传感器。采用大错位熔接三段单模光纤形成开腔结构,便于将磁流体注入传感器的开腔中,将MZI传感器封装在注有稀释磁流体的玻璃毛细管制成磁场传感器。由于磁流体的折射率会随着施加磁场的变化而改变,MZI的传输光谱会相应发生漂移。通过监测传输光谱的波长漂移,可以检测磁场强度。实验结果表明,具有轴向不对称结构的开腔式MZI传感器具有测量磁场的能力,在3.0~10.0 mT的磁场范围内灵敏度高达-5.51 nm/mT。该MZI磁场传感器由于其灵敏度高、结构紧凑、成本低的优点,适用于磁场测量。

基于电导率对相对介电常数补偿的土壤含水率电容传感器标定方法

针对土壤含水率电容传感器检测精度低,标定模型对盐渍土壤的适用性不高等问题,提出基于电导率对相对介电常数补偿的含水率电容传感器标定法。在标准溶液中建立相对介电常数与传感器输出电压关系对数模型(R^(2)=0.983),进一步基于二元二次回归分析法,建立标准溶液电导率对相对介电常数补偿的相对介电常数与传感器输出电压及电导率的回归标定模型(R^(2)=0.979)。对传感器进行土壤含水率标定,建立土壤体积含水率与相对介电常数关系的三阶多项式标定模型(R^(2)=0.996)。对两步标定模型进行实测,结果表明:土壤电导率为0~2 dS/m时,体积含水率检测最大误差从未电导率补偿时0.0383 m^(3)/m^(3)降至电导率补偿后0.0127m^(3)/m^(3),最大相对误差从12.0200%降至6.2241%。结果表明,在不同电导率的同类土壤中,使用基于电导率对相对介电常数补偿的含水率传感器标定法能明显提高土壤含水率检测精度和对不同电导率土壤(黄土)的适用性。

多传感器融合SLAM研究综述

如今,移动机器人技术的发展使得同步定位与建图(SLAM)技术越来越受到学者的关注。在未知环境下,使移动机器人能够自主完成建图或者探索,是SLAM最基本的要求。在过去的十年,单传感器为机器人的建图和探索提供了良好的效果,而多传感器融合SLAM则以其强鲁棒、高精度的技术特性,为提升移动机器人建图的精度和速度提供了更高的可能性,成为了SLAM发展的主要研究方向。文中总结了现今多传感器融合SLAM的方案,首先对单传感器方案进行了比较;然后对多传感器融合技术的方案进行了对比;最后,分析了多传感器融合SLAM的难点与解决方案,并对多传感器融合SLAM的未来与发展进行了探讨。

基于球形长周期光纤光栅的宽动态范围位移传感器实验研究

[目的]针对光纤位移传感器动态范围窄的问题,设计一种结构简单、易于制备的气球形长周期光纤光栅(LPFG)位移传感器。[方法]采用RSOFT软件进行仿真与优化,得到光纤在不同曲率下的光谱形态,以此来确定测量区间。通过将多模光纤周期性嵌入单模光纤形成的气球形长周期光纤光栅(MMF-BLPFG),提供用于测量位移的参考峰。使用精密的连续切割装置作为实验基础,制备与仿真结果一致的实验样品进行测试。[结果]通过测量2个谐振峰的漂移,实现了36 mm的最大位移测量范围。[结论]该研究成果在舰船水下疏水空间管系的稳定性测量和连续监测等需要大规模测量的场景中具有良好的应用潜力。

基于对称型双谐振电路的LTCC温湿传感器

为了实现高温、恶劣环境下温度和湿度复合参数测量,设计了一种基于对称型双谐振电路的双参数传感器。该传感器采用了一种独特的对称型双谐振电路,可解决多参数间物理性串扰的难题。首先通过高频结构模拟器(HFSS)对传感器电场进行仿真,采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术对传感器进行制备,最后搭建温度和湿度平台测试并验证了传感器的可行性。测试结果表明,两个被测参数的谐振频率彼此完全独立、解耦,其中传感器的最高测试温度为500℃,随着温度的升高,温度灵敏度逐渐升高,在25~300℃、300~400℃和400~500℃范围内,温度灵敏度分别约为0.0116、0.0259和0.0493 MHz/℃,湿度灵敏度约为0.043 MHz/%RH,传感器对温度和湿度测量均表现出了良好的敏感特性。

用于海洋三维温度场监测的MEMS温压一体式传感器

海水温度和深度信息的采集在水文、气象、渔业、生态保护等领域具有重要意义。基于微机电系统(MEMS)技术研制了一种用于海水温度及深度检测的温压一体式传感器。该传感器采用双面设计,利用薄膜式铂电阻传感单元和压阻式压力传感单元分别检测温度和深度信息。两种传感单元均可通过MEMS工艺进行制作,且制作工艺互相兼容,因此,该传感器具有尺寸小、易于大批量制造、可与CMOS集成等优点。经对该传感器性能进行测试,温度传感单元在0~40℃范围内的电阻温度系数为0.27%/℃,测量精度为±0.04℃,同一批次样品电阻温度系数标准偏差为±0.0049%/℃;压力传感单元的量程为0~10 MPa,在该量程范围内其有良好的线性度(R^(2)=0.9993)、灵敏度(14.14 mV/MPa)和批量一致性(灵敏度的标准偏差为±0.896 mV/MPa)。此外,利用温度传感单元信号对压力传感单元在不同温度下的输出电压进行温度-压力解耦,解耦后压力传感单元在5~35℃温度范围内的最大相对误差由8.42%降低至1.07%。开发的MEMS温压一体式传感器满足了海水温度和深度检测的性能需求,有望解决海洋三维温度场监测的难题,在海洋环境保护和水文信息采集等领域有着广泛的应用前景。