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農業領域中傳感器技術的發展趨勢

發布時間:2018-10-15  發布者:利坤電子

隨著多學科的交叉與新興技術的集成應用,檢測技術不斷發展,新型傳感器產品也層出不窮。從農業的發展趨勢及農業生產各環節的需求可以預見,MEMS微傳感技術、光纖傳感技術、仿生傳感技術、無線傳感網絡技術及光譜檢測技術等一批新興傳感技術及檢測手段,將是農業中傳感器技術的發展。
  一、MEMS微傳感器技術
  MEMS微傳感器是指應用MEMS微機械電子加工工藝研制的新型敏感元件和傳感器,可在芯片中集成信號的放大、濾波、反饋線路和補償線路,具有小型化、低功耗和單件成本低等特點。MEMS微傳感器主要包括微壓力傳感器、微加速度傳感器、微角速度傳感器、微型磁敏傳感器、微型光敏傳感器、微型熱敏傳感器和微型氣敏傳感器等。
  目前,MEMS微傳感器產品已應用于汽車產業。在汽車電子控制系統中,MEMS壓力傳感器可用于測量氣囊貯氣壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統的流體壓力和輪胎壓力等參數;MEMS微加速度計主要用于汽車氣囊系統、系統、汽車導航系統和防盜系統等;MEMS微陀螺儀用于測量汽車的旋轉速度,它與低加速度計一起構成主動控制系統。隨著農業裝備智能化的推進,微傳感器具有巨大的應用潛質和推廣空間,國內已有工程技術人員將MEMS微加速度傳感器應用于水田激光平地機,實現了平地鏟水平傾角的動態檢測。
  MEMS氣體傳感器主要指氣體濃度傳感器,一般是基于敏感材料吸附原理,用來測試環境中O2、CO2、CH4和C2H4的濃度,可廣泛應用于現代農業環境檢測。
  二、光纖傳感器技術
  光纖傳感器可以分為物性型和結構型兩類,物性型光纖傳感器是利用光纖本身(或通過光學鍍膜技術在纖芯表面人為制造)的某種對環境變化的敏感特性,基于光纖的光調制效應,將輸入物理量變換為調制的光信號;而結構型光纖傳感器則是以光纖作為傳輸媒介,通過光敏元件實現信號轉換的一種傳感器。光纖傳感器具有抗電磁干擾、、定位準確、、、易變形和無源等特性,封裝在傳感器外殼內,被廣泛地應用在航空航天、石油化工、冶金電力等各個,也可以滿足農業的應用需求。
  在農業中,為育種及溫室栽培環境適宜,可采用光纖溫度傳感器、光纖濕度傳感器實時獲取環境中的溫濕度情況,并采用光纖CO2傳感器監測溫室中的CO2濃度,以環境條件達到所需的狀態。為農業水利設施,可采用光纖光柵裂縫傳感器等監測高架水渠或大型農業水利設施的健康情況,通過光纖流量傳感器監測埋人地下的管道水流通暢狀況。以光纖傳感器為探頭的光纖光度分析儀器在農產品品質無損檢測中的應用也越來越廣泛。
  三、高光譜檢測分析技術
  高光譜技術是以納米級的光譜分辨率和幾十或幾百個波段同時對地表地物成像的技術。高光譜檢測分析技術是從軍事應用中轉化而來,并被逐步應用到工業,農業等。高光譜檢測分析技術融合了傳統的成像技術和光譜技術的特點,獲取的高光譜圖像具有“圖譜合一”的特點,即同時含有圖像信息和光譜信息。圖像信息可以用來檢測被檢物體的外觀,而光譜信息則可以反映被檢物體的內部特性及品質。
  目前,在國內農業中,農產品品質與檢測主要還是依靠化學方法進行,化學方法是一種費時費力的破壞性檢測技術。隨著成像和光譜技術的發展,高光譜成像技術在美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭、歐盟等發達和地區已經廣泛應用于農產品品質與的無損檢測中,在現代農業中可滿足物種鑒別、土壤分類、植物脅迫生理、作物健康、果蔬品質檢測的技術要求。高光譜檢測分析技術將是食品和農產品品質與檢測的工具之一。
  四、仿生傳感器技術
  仿生傳感器是一種采用新的檢測原理的新型傳感器,它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質與換能器相配合組成傳感器或傳感器陣列。仿生傳感器是生物醫學和電子學、工程學相互滲透而發展起來的一種新型信息技術,具有性能好、壽命長的特點。
  作為一種模擬生物感官的新興檢測手段,仿生傳感器技術在農業的應用已有較多報道。以仿生電子鼻為例,可在水果、飲料、酒類和肉類等產品的檢測識別過程中,地對不同物質的氣味進行分類識別。仿生電子鼻通常由若干氣敏傳感器組成傳感器陣列,對揮發性氣體進行復合檢測和識別,陣列中每一個傳感器對某些特定種類的氣體成分敏感,使得傳感器陣列對氣體中不同的成分進行識別并給出總體評價。究其工作原理不難發現,這還不是意義上的仿生傳感器,相信不久的將來,基于生物技術的模擬生體嗅覺、味覺、聽覺和觸覺仿生傳感器必將問世,并在農產品和食品的檢驗檢疫方面發揮作用。
  五、無線網絡傳感器技術
  無線網絡傳感器是具有無線網絡通信功能的傳感器,通常由大量的低功耗傳感器節點組成無線傳感網來進行信號采集工作。無線網絡傳感器技術涉及傳感器技術、嵌入式計算技術、網絡通信技術和分布式信息處理技術等多個學科。網絡節點間采用自組織的通信方式,數據由特定的匯聚節點接收,可以探測周圍環境中聲、光、熱等多種信號。
  由于功耗低、響應快、組網節點容量大,且成本低,無線網絡傳感器已在農業信息采集和遠程監控中了應用。在現代農業中,應用無線傳感網絡監測土壤墑情,實施節水灌溉,減少漫灌造成的水資源浪費。在溫室等農業設施中,應用無線網絡傳感器可同時對多個溫室空氣溫濕度,光照強度,pH值和CO2濃度以及土壤含水量和土壤中氮、磷、鉀元素含量等影響作物生長的環境信息進行實時監測,作物的增產增收。
   傳感器技術是構成現代信息技術的3大基礎技術之一,技術應用覆蓋農業生產從作物播種、育苗、生長,到收獲、加工的全過程,是實現現代農業數字化、信息化和智能化的關鍵技術,是智慧農業的重要組成部分。盡管傳感器技術在農業中的應用還面臨著很多問題和困難,但相信隨著傳感器技術的,以及物聯網、人工智能技術的發展和完善,農業與信息化將融合,傳感器技術在農業的應用必將擁有的空間。

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