新型传感器的应用及发展方向

新型传感器的应用及发展方向

传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节。它的主要特征是能准确地传递和检测出某一形态的信息,并将它转换成另一形态的信息。随着科学技术的迅猛发展,其越来越广泛的应用于科学技术的各个领域。传感器是一种检测装置,是实现自动检测和自动控制的首要环节。它能感受到被测量的信息,将检测感受到的信息,并按照一定的规律转换成可用输出信号,来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录以及控制等的要求。在机电一体化的系统中,传感器处系统之首,是机电一体化系统达到高水平的有效保证。随着人类探知领域的不断深入,各种信息的传递速度将越来越快, 处理信息的能力也将越来越强,因此,就要求相对应的信息采集传感技术也要跟上发展的步伐,这也就决定了传感器将越来越被广泛运用、无处不在。

一、差压式流量传感器

1、介绍

差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。压式流量传感器发展较早，技术成熟而较完善，而且结构简单，对流体的种类、温度、压力限制较少， 因而应用广泛。

差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压变送器）组成。节流装置的作用是把被测流体的流量转换成压差信号，差压计则对压差信号进行测量并显示测量值，差压变送器能把差压信号转换为与流量对应的标准电信号或气信号，以供显示、记录或控制。

1.1、工作原理

356

42

1q p 2p 3

p 1—节流装置；2—压力信号管路；3—差压变送器；4—电流信号传输线；5—

开方器；6—显示仪表节流装置

差压流量变送器

充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，如上图所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流体流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)为基础的。压差的大小不仅与流量还与其他许多因素有关，例如当节流装置形式或管道内流体的物理性质(密度、粘度)不同时，在同样大小的流量下产生的压差也是不同的。

二、电磁流量传感器

1、介绍

电磁流量传感器是由电磁流量计和电磁流量转换器组成，用于测量导电液体与浆液的瞬时流量与体积流量。电磁流量传感器在结构上可分为分体式和一体式两种，分体式电磁流量传感器的传感器与转换器为各自独立结构，传感器装在管道上，转换器可安装在离传感器200m 以内的场所。那么它的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，即导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电压，其感应电压为：U=DBvK 式中：K=仪表常数B=磁感应强度D=测量管的内直径v=测量管截面内的平均流速测量流量时，流体流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速成正比的电压，因此要求被测的流动液体具有最低限度的电导率。电磁流量传感器是根据法拉弟电磁感应定律来测量导电性液体的流量的。是基于垂直于磁场运动的导体会在导体上感应出与导体垂直、并与流体速度成线性比例关系电压的原理构成的。电磁流量传感器适用于对导电液体的平均流速（m/s ）进行测量。如测量血液的平均流速。 1.1、工作原理

S N E x B 电磁流量传感器原理

电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律：导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，其感应电势E为：E=KBVD 式中：K－－－－仪表常数

B－－－－磁感应强度

V－－－－测量管道截面内的平均流速

D－－－－测量管道截面的内径

测量流量时，导电性液体以速度V流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均流速成正比的电压，其感应电压信号通过二个或二个以上与液体直接接触的电极捡出，并通过电缆送至转换器通过智能化处理，然后LCD显示或转换成标准信号4～20ma和0－1khz输出。

1.1.1传感器的特点

1)传感器采用整体焊接结构，密封性能良好。

2）结构简单可靠，无可运动部件，几乎无压力损失，工作寿

命长。

3）传感器无截流部件，不存在堵塞现象，因而适用于测量有

悬浮物、固体颗粒和纤维等两相流，另外由于清洗和灭菌

消毒方便，故特别适用于食品和制药工业。

4）测量精度不受被测介质压力、温度、密度（包括固液比）、

粘度等物理参数变化的影响。

5）采用低频二值矩形波励磁及采样放大技术，抗干扰能力

强，零点稳定，工作可靠。

6）仪表灵敏，输出信号与流量成正比，量程比宽。

7）耗电量小，成套仪表耗电量小于30VA，与传感器的口径大

小无关。

8）传感器可提供防爆型（混合隔爆型），防爆等级mdⅡBT4。 9）传感器与转换器配套，可测正/反两个方向的流动。

1.1.1.1电磁流量传感器应用

电磁流量传感器和电磁流量转换器配套组成分体型电磁流量。电磁流量传感器也可以配套组成一体型或分体型智能型电磁流量计，根据用户需要选择。可以用来测量酸，碱，盐等腐蚀性液体或液体内混有固体的两项体，如泥浆和含有大量杂物的污水及粘度很大的介质。在化工、冶金、造纸、制药、轻纺、酿酒、食品、环保、化纤、水利等行业获得广泛应用。

三、超声流量传感器 1.介绍 超声波流量传感器是采用低电压多脉冲平衡发射接收专利技术，而设计的一种全新通用时差型多功能超声波传感器。

1.1工作原理

超声波流量传感器由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量传感器。超声波流量传感器是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。

1.1.1传感器特点

1、超声波流量传感器的发射晶体与被测量液体直接接触，提高了 测量精度和机器的运行稳定性；

2、解决了由于管道内壁结垢或腐蚀严重时，使用外缚式传感器信号 弱、测量不正常的难题；也可以在水泥管路上安装（须知道管道 实际外径向厂家订做管箍）；

3、解决了由于外夹式传感器长时间使用，造成耦合剂干燥而影响超 声波信号不能正常传输、不能正常工作等问题；

1 传播时间随流速变化

2 散射形成频率偏移——多普勒效应

压电材料 电能 声能

4、使用的专用开孔工具可以使菲格瑞思超声波流量传感器在带压不

停水的情况下安装，保证生产正常稳定运行，日后维护也无需停

水；

5、相对电磁流量计，在大口径管道上使用既经济又可靠准确。1.1.1.1超声流量传感器的应用

超声波流量传感器适用于工业环境下连续测量不含大浓度悬浮粒子或气体的大多数清洁均匀液体的流量和热量。广泛应用于工厂污水排放监测、固井泥浆流量测量、油田含油污水流量测量、油井注水量流量测量、自来水流量测量、工业循环水流量测量、生产过程耗水量测量、选矿矿浆流量测量、选矿矿浆流量测量、铝酸钠等工艺流流量测控、冷却循环水流量测量、发电机组线圈冷却水流量测量、奶液流量测量等方面。

三、电化学传感器

1、介绍

最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。

1.1、工作原理

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。

气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是疏水屏障层，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。

穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

在实际中，由于电极表面连续发生电化发应，传感电极电势并不能保持恒定，在经过一段较长时间后，它会导致传感器性能退化。为改善传感器性能，人们引入了参考电极。

参考电极安装在电解质中，与传感电极邻近。固定的稳定恒电势作用于传感电极。参考电极可以保持传感电极上的这种固定电压值。参考电极间没有电流

流动。气体分子与传感电极发生反应，同时测量反电极，测量结果通常与气体浓度直接相关。施加于传感电极的电压值可以使传感器针对目标气体。

1.1.1、应用

湿度传感器湿度是空气环境的一个重要指标，空气的湿度与人体蒸发热之间有着密切关系，高温高湿时，由于人体水分蒸发困难而感到闷热，低温高湿时，人体散热过程剧烈，容易引起感冒和冻伤。人体最适宜的气温是18~22℃，相对湿度为35%～65%RH。在环境与卫生监测中，常用于湿球温湿度计、手摇湿温度计和通风湿温度计等仪器测定空气湿度。近年来，大量文献报道用传感器测定空气湿度。用于测定相对湿度的涂覆压电石英晶体用传感器,通过光刻和化学蚀刻技术制成小型石英夺电晶体,在AT 切割的10MHZ石英晶体上涂有4种物质,对湿度具有较高的质量敏感性.该晶体是振荡电路中的共振器,其频率随质量变化,选择适当涂层,该传感器可用于测定不同气体的相对湿度.该传感器的灵敏度、响应线性、响应时间、选择性、滞后现象和使用寿命等孝怪癖于涂层化学物质的性质。

氧化氮传感器氧化氮是氮的各种氧化物所组成的气体混合物的总称，常以NOX表示。在氧化氮中，不同形式的氧化氮化学稳定性不同，空气中常风的是化学性质相对稳定的一氧化氮和二氧化氮，它们在卫生学上的意义显得较其它形式氧化氮更为重要。在环境分析中，氧化氮一般指一氧化氮二氧化氮。我国监测氧化氮的标准方法是盐酸萘乙二胺比色法，方法灵敏度为0.25ug/5ml,方法转换系数受吸收液组成、二氧化氮浓度、采气速度、吸收管结构、共存离子及温度等多种因素的影响，目前沿末完全统一。传感器测定是近年发慌起来的新方法。文献报道，用交指型栅极电极场效应晶体管的微电子集成电路与化学活性电子束蒸镀酞花青铜薄膜相结合，获得了新型气体敏感微传感器，可选择性检测mg/m3 级二氧化氮和二惜内基甲基膦酸盐(DIMP)。

硫化氢气体传感器硫化氢是一种无色、具有特殊腐蛋臭味的可燃气体，具有刺激性和窒息性，对人体有较大危害。目前大多用比色法和气相色谱法测定空气中硫化氢。对含量常常低至mg/m3级的空气污染物进行测定是气体传感器的一项主要应用，但在短时期内半导体气体传感器还不能满足监测某些污染气体灵敏度和选择性要求。他提出利用掺银薄膜传感器监测实验室和城市空气中的硫化氢。该传感器阵列由四个传感器构成，通过基于库化滴定的通用分析装置和半导体气体传感器阵列的信号，同时记录二氧化硫和硫化氢浓度，实践表明，在150℃下以恒温方式盍的掺银薄膜传感器用于监测城市空气中的硫化氢含量，效果良好。

二氧化硫传感器二氧化硫是污染空气的主要物质之一，检测空气中二氧化硫尝试是空气检验的一项经常性工作。应用传感器监测二氧化硫。从缩短检测时

间到降低检出限，都显示出极大的优越性。利用固体聚合物作离子交换膜，膜的一边含对电极和参比电极的内部电解液，另一边插入铂电极，组成一种二氧化硫传感器。该传感器安装在流通池中，在 0.65V下氧化二氧化硫。批示出二氧化硫的量。该传感装置电流灵敏度高。响应时间短，稳定性好，本底噪音低，线性范围达0.2mmol/L，检出限为 8*10-6mmol/L，信噪比为3。该传感器不仅可以测定空气中的二氧化硫，还可用于测定低电导率液体中的二氧化硫。有机改性硅酸盐薄膜二氧化硫气体传感器的气敏涂层是利用溶胶工艺和自旋技术制作的，对二氧化硫的测定具有良好的重现性和可逆性，响应时间不到20S，对其它气体的交感小，受温度和湿度影响小。

个人心得

因为我们学习的是过程装备与控制工程，所以，在传感器技术方面与我们的专业息息相关。在学习过程中，我们能够进一步的认识传感器技术在未来的社会生活中有着很大的进步空间，在人类不断的探索与发现中，可以很好的培养我们的创新精神与求知欲望。学习这门课程为的就是不让我们只在设备方面钻研，而要综合学习设备与控制知识，全面发展，共同进步。

传感器产业作为国内外公认的具有发展前途的高技术产业，以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。我国改革开放30多年来，在“发展高科技，实现产业化”、“大力加强传感器的开发和在国民经济中的普遍应用”等一系列政策导向和支持下，在蓬勃发展的我国电子信息产业市场的推动下，传感器已形成了一定的产业基础，并在技术创新、自主研发、成果转化和竞争能力等方面有了长足进展，为促进国民经济的发展作出了重要贡献。我国在传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差距，一批基于MEMS 技术的新型传感器正在进入市场，在各领域中不断拓宽应用范围，设计技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟，量产能力逐步提高。在市场竞争日趋激烈的条件下，我国生产的传统传感器，如力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，不仅在国内市场的份额逐步增长，还同时满足了部分国外市场的需求。

传感器已经成为了世界公认的高技术的一个产业，并且对于自动化生产，体化生产的重要性也越来越强，为了满足工业生产中的的需求必须加快传感器的研发，传感器技术水平的高低在一定程度上影响和决定了系统的功能。当前我过传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，他体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。我国在传感器生产产业化过程中，应该兼顾引进国外技术和自主创新两方面。在引进国外先进技术中，提高自己的技术，已满著国内市场的需求，形成传感器生产产业规模。