传感器技术的研究现状

传感器技术综述

Luqingsong@https://www.360docs.net/doc/0713353773.html,

摘要：本文简介了传感器技术的原理、分类和应用，以位移传感器为例概述了传感器技术的研究现状，在此基础上分析了我国传感器技术发展中存在的问题和解决方法，分析了传感器技术的发展方向。

关键词：传感器技术应用研究发展方向

1传感器

传感器是一种检测装置，一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调节也转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器通常可以按照一系列方法进行分类。根据用途分类，传感器常以测别的物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；根据工作原理分类，传感器可以依据工作原理进行命名，如振动传感器、磁敏传感器、生物感器等；按输出信号，可分为模拟传感器和数字传感器等；还可按照传感器的制造工艺、构成、作用形式等进行分类。[1]

随着微电子技术、微机械加工技术、光电科学以及当代生物科学等高新技术的推动下，传感器己经从过去单一功能转变为功能多样、科技含量高的新型产品。传感器技术是当前代表国家综合科研水平的重要技术，传感器技术的具体应用是传感器技术转化的重要途径和方法。其所涉及的知识领域非常广泛，研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。

2主要传感技术分类[2][5]

2.1光电传感技术

光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光电传感器己成为光电传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。光电器件不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在自动控制、智能化控制等方面应用前景十分广阔。此外，光电传感器除了对光学信号进行测量，还能够对引起光源变化的构件或其它被测量进行

信息捕捉，再通过电路对转换的电学信号进行放大和输出。

2.2生物传感器技术

生物传感器的原理主要由两大部分组成: 生物功能物质的分子识别部分和转换部分。前者的作用是识别被测物质，当生物传感器的敏感膜与被测物接触时，敏感膜上的某种生化活性物质就会从众多化合物中挑选适合于自己的分子并与之产生作用，使其具有选择识别的能力。转换部分，是由于细胞膜受体与外界发生了共价结合，通过细胞膜的通透性改变，诱发了一系列的电化学过程，而这种变换得以把生物功能物质的分子识别转换为电信号，形成了生物传感器。

2.3多传感器技术

多传感器信息融合技术是把分布在不同位置的多个同类或不同类传感器所提供的局部数据资源加以综合，采用计算机技术对其进行分析，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得被测对象的一致性解释与描述，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性，使系统获得更充分的信息。其信息融合在不同信息层次上出现，包括数据层融合、特征层融合、决策层融合。随着传感器应用技术、数据处理技术、计算机软硬件技术和工业化控制技术的发展成熟，多传感器信息融合技术已形成一门热门新兴学科和技术。该技术在军事上的成功应用后，大大提高了传感器系统的可靠性和鲁棒性、扩展时间上和空间上的观测范围、增强数据的可信任度、增强系统的分辨能力。

3传感器技术应用[6][8]

3.1传感器在机器人中的应用

随着科学技术的快速发展工业机器人已经成为一种高科技的产物能够准确的感知周围环境传感器在机器人中的应用使得工业机器人可以感知周围环境在内部传感器的作用下可以获得自身状态信息加上外部传感器的作用能够将操作对象和外部环境相联系为工业机器人提供有效的反馈信息进而实现工业机器人的准确操作。

3.2传感技术在机械加工过程中的应用

在机械加工领域传感器监测技术主要是应用于机械切削过程机床运行过程工件过程的传感和砂轮工具的监测其中切削过程中传感器的应用通过检测切削过程的切削力变化震颤切削状态等控制切削过程的进行提高了机械加工的生产率降低了材料成本提升了材料的切除率机床的运行过程在传感器的作用下检测轴承与回转系统驱动系统温度及安全性有效控制机床的运行工件过程的传感中传感器可以提高工序识别和工件安装监视过程的控制可以获得工件的加工信息

提高工件的准确性砂轮刀具的检测传感可以及时发现刀具和砂轮的变形损害等问题保证加工表面的精密度提高设备的安全性。

3.3传感技术在汽车自动控制系统中的应用

汽车传感器具有适应性强抗干扰能力强耐恶劣环境可靠性和稳定性高的特点是汽车中电子控制系统中的必要设备广泛地应用于汽车管理系统中汽车机电一体化采用传感器自动控制系统代替了传统的纯机械控制部件改善了汽车的综合性能降低了汽车的油耗提高了行驶的安全性和舒适性。

3.4传感技术在环境当中的应用

传感器网络在环境监测当中通常具有一系列的优点，其中包括无需专人现场维护、可以长期不用对电池进行更换、具有十分简单的布置等。可以利用对节点进行密集的布置，从而对微观的环境因素进行观察。在环境监测领域当中对传感器网络具有非常广泛的应用，其中包括微观观测生物群落、森林火灾报警、观察气象现象、观测海岛鸟类的生活规律等。

3.5传感器技术在火灾报警当中的应用

防灾报警装置是现代建筑必须要具备的，其中最为关键的就是火灾报警系统。在发生火灾的时候一般都会出现有害气体、高温、火光以及烟雾等。如果将传感器运用到火灾报警系统当中，就可以对异常的信号进行转化，使之变成容易进行传送的形式，然后就可以利用消防网络向指挥中心提供火灾地点的报告。

3.6传感器技术在电网中的应用

电网中，通过各种传感设备，感知末端信息，实现对电网各个环节的信息感知深度和广度。传感器将渗透到发电、输电、变电、配电、用电等各个环节，在电网建设、生产管理、运行维护、信息采集、安全监控、计量应用和用户交互等方面发挥巨大作用。

4位移传感器的研究现状

位移传感器是传传感器中使用最为广泛的一种，位移检测技术经过多年发展已经相当成熟，各种位移传感器也出现在人们的视野里。目前人们常用的位移传感器有电位器式、电感式、磁敏式、光电式等。

基于磁致伸缩原理而设计的新型智能化位移传感器具有高精度、有效传递距离远、非接触式、可靠性高且适应于恶劣环境等特点，因而被广泛地应用到各种领域，如轮船的各种阀门控制、液位与液压系统、机械自动化等。特别是应用于战机、空中加油机燃油测量、飞机、导弹和航天器的姿态控制、六自由度飞行模

拟器系统等军事领域，对提高我军战斗力具有重要的军事意义。李春楠等人[9]分析了传统的磁致伸缩位移传感器存在的问题及改进方法，预测了磁致伸缩位移传感器将采用一系列的新技术使该类传感器成本大幅下降，性能显著提高，应用范围更加广泛。大连理工大学[10]研究开发了用于液压缸系统中，对活塞的行程进行高精度实时测量的磁致伸缩位移传感器，通过系统安装调试证实，系统运行可靠，测量精度基本达到设计要求，而且结构简单，成本适中，能满足实际生产需要。

电感位移传感器具有结构简单可靠、输出功率大、线性好、抗干扰和稳定性好、价格低廉等特点，它是利用电磁感应原理将机械位移变化转换成电量输出的检测装置，其作为一种精密的位移检测部件在很多领域都起着重要的作用。中国计量科学研究院[11]在深入探讨电感位移传感器工作原理的基础上，对典型的电感位移传感器——螺线管型传感器的结构!特性进行重点讨论，并分析了螺管线圈内部磁感应强度分布。

微位移检测是常规检测的基础，而光纤位移传感器可实现微距的非接触测量，具有结构简单、设计灵活、价格低廉等优点，但是也存在测量范围不大、线性度不高、抗干扰能力较差等问题亟待解决。为此，沈阳工业大学[12]设计了一个基于塑料光纤和数字锁定放大器的高精度塑料光纤位移传感器，采用芯径大的塑料光纤作为传光及传感器件，并对光纤传感探头结构和信号处理系统进行改进，很大程度的扩大了塑料光纤的使用范围，并且克服了传感器原始的测量缺点，使传感器精准度得到极大的提高，并且考虑到了其对线性化精度的需要。

激光位移传感器对位移的测量不仅是非接触式的测量方式，而且具有较高的精度，具有广泛的应用。朱万彬[13]研究了一种利用激光位移传感器测量工件上点的二维坐标，从而实现物体形状的高精度测量。通过一维电位移平台带动激光位移传感器扫描物体的表面，然后对测量的数据进行处理，进而得到物体的表面形貌。吉林大学[14]根据被测物体表面的不同特性，对激光位移传感器进行了实验研究，重点分析了被测物体表面粗糙度、倾斜角、表面曲率等对测量结果的影响规律，并找出相应的措施减少测量误差。

位移测量中应用最广泛的是栅式位移传感器，重庆大学[15]开展了对光栅位移传感器、感应同步器和时栅位移传感器的原理融合研究和新型时栅位移传感器的研究。在剖析了位移测量方法的基础上，融合光栅技术和感应同步器技术提出了新的行波形成方法，基于这些方法设计并研制的三种新型时栅位移传感器，一方面是对现有的利用电磁场的场式时栅的完善和改进；另一方面可以将场式时栅的研究思想拓展到光场。通过误差分析，明确了影响时栅位移传感器精度的主要因素和时栅位移传感器误差的特点，并提出了误差测量的新方法。

为实现时栅角位移传感器的误差分离，进而对其误差进行修正，提高时栅角位移传感器的测量精度，高忠华等人[16]采用多路信号叠加原理，针对时栅角位移

传感器的定子和转子在加工过程中存在的误差进行分离，消除了大部分的长周期误差，并对分离出来的误差成分进行谐波分析，建立误差修正模型，利用该模型对时栅角位移传感器的定子和转子的线槽分度误差进行修正，修正后的场式时栅角位移传感器的测量精度显著提高，精度优于±2"。实验证明，这种误差分离的方法对消除圆周分度误差十分有效，所建立的误差修正模型对传感器误差修正效果明显。

西安电子科技大学[17]进行了线位移传感器自动校准装置的设计和实现，该校准装置能满足设计需求，大大提高了校准线位移传感器的工作效率，保证位移量值传递的准确可靠和统一。

5传感器技术发展所存在的问题及其发展方向

我国传感器技术有了一定的进步，但是与国外先进技术相比，我们仍然存在较大的不足，主要表现在：1) 缺乏先进的算法和模拟设计方法；2) 缺少先进的微机械加工和设备；3) 缺少先进的封装技术和设备；4) 在技术的可靠性方面还很欠缺。

针对上述我国传感器技术发展中存在的问题，我国要积极引进高新技术，同时加大对传感器技术的投入和研发力度，加快产学研的整合，以便缩小和其他国家的差距，使传感器技术更好更快地服务于我国的经济建设。

传感器技术今后的发展方向为：第一，将微电子生物化学光电子信息处理等学科相融合，研发新型敏感材料的传感器，提高传感器抗干扰能力；第二，开发出响应快、灵敏度高精准度高互换性好的感应材料，应用于传感器生产中促进传感器技术的高精度发展；第三，传感器的微型化，发展通过研究新材料和新技术实现传感器的微型化；第四，智能化发展，目前传感器的功能已不仅限于传统的功能，其输出的是经过微计算机处理好后的数字信号，带有智能传感器的特性；第五，传感器的微功耗和无源化发展，由于传感器是利用电源工作的所以开发传感器微功耗和无源化将是必然发展方向。

6总结

人类已经进入信息时代，信息的获取至关重要，而传感器又是获取信息很重要的工具，因此开发并研制出性能更优越、适用场合更多的传感器显得尤为重要。当前我国在传感器的研发己经具备一定的规模和应用实力，在今后的研发中应重点关注基础性产品，在攻克传感器制造工艺技术的前提下，对产品的可靠性进行深入化分析，实现传感器技术的研究与应用平衡发展。另外传感器技术今后发展的重点将是传感器的高精化、集成化、智能化，加快这一方面的研究也十分必要。

参考文献

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