非电量电测传感技术综述 专业：动力工程  姓名：黄峰  学号：Y20119013 摘要：综述了传感技术的含义、起源和发展历史, 以及其在学科中的地位和国内外的研究现状,及其发展动向和展望, 论述了传感技术面临的挑战和机遇。 关键词：传感技术; 光纤传感器; 综述; 典型应用; 发展前途 0．引言 当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要是依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段， 是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或...

  姓名：黄峰  学号：Y20119013 摘要：综述了传感技术的含义、起源和发展历史, 以及其在学科中的地位和国内外的研究现状,及其发展动向和展望, 论述了传感技术面临的挑战和机遇。 关键词：传感技术; 光纤传感器; 综述; 典型应用; 发展前途 0．引言 当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要是依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段， 是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产的全部过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官” 传感器技术是现代科技的前沿技术, 许多国家已将传感器技术与通信技术和计算机技术列为同等重要的位置, 称之为信息技术的三大支柱之一。目前, 敏感元器件与传感器在工业部门的应用普及率已被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志, 正如国外有的专家觉得: 谁支配了传感器, 谁就支配了目前的新时代。传感器技术作为一种与现代科学紧密关联的新兴学科, 正得到空前迅速的发展 , 并且在相当多的领域被愈来愈普遍地利用。作为当今世界信息技术的三大支柱之一, 传感技术的核心地位是毋庸置疑的。从图1能够准确的看出, 传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、

  科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一, 是现代新技术革命和信息社会的重要基础, 是自动检验测试和自动控制技术必不可少的重要组成部分, 是国内外公认的具有发展前途的高新技术, 所以在各大高校也慢慢变得受到重视和研究。 图1 传感技术关系网 1.传感器技术的发展历史与回顾 传感器技术是在20 世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，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， 并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。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，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。 我国从20 世纪60 年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。 2．传感技术的含义 传感技术与信息学科紧密相关, 是自动检测和自动转换技术的总称, 它综合研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等各个方面; 传感技术也是一门边缘技术, 它涉及物理学、数学、化学等学科,是以研究自动检测系统中的信息获取、信息转换和信息处理的理论和技术为主要内容的一门技术性学科, 与计算机、通信和自动控制技术一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。 2.1传感器的定义 传感器( sensor), 最广义地说, 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会IEC的定义为: 传感器是测量系统中的一种前置部件, 它将输入变量转换成可供测量的信号0。目前最常见的传感器定义为: 传感器是能感受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, 是实现传感功能的基本部件, 而传感器技术的共性, 就是利用物理定律和物质的物理、化学或生物特性, 将非电量(如位移、速度、加速度、力等)转换成电量(电压、电流、电容、电阻等)。 2.2 传感器的组成 由传感器的定义可知, 传感器主要完成2个方面的功能: 检测和转换, 因此传感器一般由敏感元件和转换元件组成, 但这种组成的传感器通常输出信号较弱, 还需要信号调节与转换电路(或称信号调理电路)将输出信号进行放大并转换为容易传输、处理、

  和显示的形式。其组成如图2所示。 图2 传感器的组成图 敏感元件: 传感器中能直接感受或响应被测信息(非电量)的元件, 如: 传感器中的弹性元件。 转换元件: 传感器中能将敏感元件的感受或响应信息转换为电信号的部分, 如: 应变式传感器中的电阻应变片。 转换电路: 把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路, 如电桥、振荡器、电荷放大器等。 3 传感技术的国内外研究现状 目前, 全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发, 研发机构达6 000余家, 其中以美、日、俄等国实力较强, 他们建立了包括物理量、化学量、生物量三大门类的传感器产业, 研发生产单位有4 000余家、产品有20 000多种, 对应用范围广的产品已实现规模化生产, 大企业的年生产能力达到几千万支到几亿支。比较著名的传感器厂商有美国霍尼韦尔(Honeywel1) 公司、福克斯波罗( Foxboro) 公司、ENDEVCO公司、英国Bell Howell公司、Solartron公司、荷兰飞利浦、俄罗斯热工仪表所等。 3.1 我国传感技术的现状 在国家的支持下, /八五0以来我国的传感技术及其产业取得了长足进步。在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下, 实施/ 双加工程0建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。这三大基地分别为: 1) /安徽基地0, 主要是建立力、光敏规模经济; 2) /陕西基地0, 1990年2 月成立了/ 陕西省敏感技术产业集团公司0, 主要以建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标; 3) /黑龙江基地0, 主要以建立气、湿敏规模经济为主要目标。 当前我国正在重点开发的MEMS(微电子与微机械的结合)、MOMES(MEMS与微光学的结合)、智能传感器(MEMS与CPU、信息控制技术的结合)、生物化学传感器(MEMS与生物技术、电化学的结合)等以及今后将大力开发的网络化传感器(MEMS网络技术的结合)、纳米传感器(纳米技术与传感器技术的结合)均是多学科、多种新技术交叉融合的新一代传感器。 3.2 国外传感技术的发展现状 国外传感器的发展各有特点。美国和日本在产品品种和性能方面不相上下, 但某些技术(民用产品)日本发展较快。日本十分重视研究开发功能材料, 并建立起很多专业化工厂, 1986 年生产传感器17157亿只, 其发展特点是先占用民用产品市场, 再向高水平发展。美国传感器研究水平较高,力图先解决研究上的难题, 再转入生产, 其特点是以/军0带/民0。欧洲在许多大学设立传感器研究中心, 侧重于理论研究。国外传感器发展中的一种倾向是: 制造技术、信号处理技术、新材料的研究开发与应用同时进行, 并向集成化、多功能化、智能化、薄膜化方向发展。生物传感器、距离传感器、振动传感器、加速度传感器等年增长率均在16%以上, 湿度传感器及烟道气体、热红外、热图像转距等类型的传感器, 年增长率分别在10% 以上。在美国, 传感器大部分应用在军事、航空航天、石油、化工、汽车、飞机、自动化装备上; 在日本, 传感器多用于家用电器汽车、机械工具、机器人、工业装备上, 法国和英国则在工业过程和飞机工业上得到较多的应用。 3.3我国传感技术与国际水平的比较 综合国内外传感技术的发展现状来看, 我国的优势有: 1)已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势, 是传感器技术进一步发展的基础; 2)有一批先进的成果, 如刀具/砂轮监控仪系列成果, 石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等; 3)有一个量大面广的用户市场。不可否认, 我国传感技术与国际水平还有一定差距, 不足之处有: 1)研究开发战略在系统性上的不足, 如: 传感器与传感系统未能统一布置, 形成两套并列, 相互脱节的攻关; 2)对传统传感器的革新改进不足, 微小型化步子慢; 3)特殊环境和工程项目传感技术的研究开发尚未成熟; 4)集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。因此, 我国应继续实行/ 吸收型0的发展战略方 针, 引进技术、引进设备并加以改进提高, 逐步形成自主的技术开发能力, 并特别重视研究大生产工艺技术和提高产业水平, 全面推进我国的传感技术发展。 4 传感技术的典型应用 随着现代科学技术的高速发展, 人们生活水平的迅速提高, 传感器技术也慢慢的受到普遍重视,它的应用已渗透到国民经济的各个领域。 4.光纤传感独具优势的地震监测手段 4.1光纤传感器的特点 光纤传感器的特点是: 能量损耗小, 化学性质稳定, 且横截面小, 防噪声能力强, 不受电磁场干扰, 无火花、无短路故障, 能耐高温环境等。光纤传感器按传感机理可分为两大类: 一类是感受被测物理量而改变光纤本身的物理性质; 另一类是利用光纤收集目标输送来的光强度信号的被动型传感器技术。 4.2 光纤的结构原理和性能 光纤的基本结构如图3所示。纤芯由某种玻璃或塑料制成, 折射率为n1 ; 包层材料用与纤芯材料稍有不同的玻璃或塑料制成, 折射率为n2 ; 光纤导光能力取决于纤芯和包层的性质。护套可增加光纤机械强度。 图3 光纤的基本结构 光纤的基本导光型式(光纤链) 如图4所示。光源受信号调制后通过透镜1耦合入光纤, 光信号经光纤传辖后, 最后经过透镜2耦合, 由检测器将光纤信号转换成电信号而输出。 图4 光纤的基本导光型式 根据光的波动原理, 光可以产生干涉、衍射、偏振、反射、折射等现象, 这些特点与光纤结合起来即可做成各式各样的光纤传感器, 现已实现的传感信息有磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压和某些化学量测量等。 4.3光纤传感在地震监测中的应用 汶川810级大地震造成的巨大人员伤亡及财产损失,让重新成为科学界乃至整个社会关注的热点。在之后召开的/四川汶川特大地震发生机理及后续灾情科学分析0会议上,电子科技大学通讯学院院长饶云江教授提出用光纤传感器监测地震的手段,将集成式光纤传感器应用于国防和大型桥梁的健康监测之中, 并已成功应用于重庆市5座大桥的安全实时监测;在国际上首次制备了具有250km的超长距离测量能力的测量系统,该系统已作为光纤围栏在重要设施安全防护和反恐中得到实际应用,并可望在地震监测中获得重要应用。 科学技术的不断发展,各种领域中传感器的不断应用,蕴生了许多新的学科领域。无论是宏观的宇宙, 还是微观的粒子界,仅凭人类感官是无法获得大量的未知信息的,传感器的重要性显而易见,因此现在越来越多的高校也将传感技术的相关课程列为学生的必修课程和老师的研究课题,将其进一步学习、深化并运用。 5．传感技术的发展趋势及展望 1 微型化 为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有

  的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。 就当前技术发展现状来看，微型传感器已经对大量不同应用领域，航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生物量，如位移、速度/ 加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、PH值、离子浓度及生物分子浓度等。 2 多功能传感器 如前所述，通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。 从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器。 生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和大范围的应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物固定化技术的持续不断的发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。 3 无线网络化 无线网络对我们来说并不陌生，比如手机，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器。但是，把二者结合在起来，提出无线传感器网络这个概念，却是近几年才发生的事情。这个网络的主要组成部分就是一个个传感器节点。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监视测定、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的格外的重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们大家可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。无线传感器网络是新兴的通信应用网络，其应用可以涉及到人类生活和社会活动的所有领域。因此，无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，需要各种技术支撑。 6. 结语 当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS 技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。 参考文献： [1] 陈晨. 光纤传感) ) ) 独具优势的地震监测手段[ J].传感器世界, 2008, 14( 6): 50251. [2] 李俄收, 张少靖, 吴文民. 汽车传感器应用综述[ J].汽车电器, 2008( 5): 125. [3] 李科杰. 传感技术发展动向及在中

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