新型传感器技术以及应用

新型传感器技术以及应用

姓名：叶斯布力学号：5131109051

摘要：

随着现代科学技术的发展，许多新效应、新材料不断被发现，新的加工制造工艺不断发展和完善，这些都促进了新型传感器的研究和开发。所谓新型传感器是指近十几年来研究开发出来的、已经或正在走向实用化的传感器。相对于传统传感器，新型传感器技术含量高、功能强，涵盖传统传感器较少涉及的领域。了解和学习这些新型传感器有利于掌握新知识、新工艺，新材料和新应用。本章将介绍近年发展起来的新型传感器，如集成温度传感器、磁性传感器、光导纤维传感器、图像传感器以及它们的应用。

关键词：新型传感器；光纤传感器；

新型传感器技术

在信息时代里，随着各种系统的自动化程度和复杂性的增加需要获取的信息量越来越大，不仅对传感器的精度可靠性和响应要求越来越高。还要求传感器有标准输出形式以便于和系统挂接。显然，传统传感器因其功能差体积大，已很难再满足要求而将被逐渐淘汰，向微型化，智能化，集成化方向发展已成为传感器技术发展必然趋势。

光纤传感器

近年来，光纤凭借其损耗低，带宽资源丰富，耐高压抗电磁干扰等优点已在电力通信网中占主导地位。目前采用分布式光纤传感器进行温度与应变的测量在国外已经得到广泛应用。在国内采用分布式光纤传感器对高压电力线在线测温对建筑，堤坝，桥梁，进行应变测量等，也受到了广泛的关注。首先简单分析几种典型的光纤传感器原理。

磁性传感器

１８４２年焦耳发现，磁性材料在变化的磁场中其长度和体积会产生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩，又称焦耳效应。传统磁致伸缩材料有铁、镍等，称为传统磁致伸缩材料。由于磁致伸缩系数较小，功率密度不高，故应用面较窄。１９８４年左右，人们研制出磁致伸缩系数很大的磁性材料，称为超磁致伸缩材料（ＧＭＭ），又称为巨磁致伸缩材料或大磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料具有转换效率高、驱动电压低、体积小、不易老化等特点。与电致伸缩的压电陶瓷不同之处是，它的励磁频率较低，工作于低频区（１０Ｈｚ～２０００Ｈｚ）。超磁致

伸缩材料在液位测量、声纳、超声加工、激振器等领域具有广阔的应用前景。

磁致伸缩液位传感器

磁致伸缩液位传感器由脉冲发生器、磁致伸缩线、回波信号处理单元、不锈钢保护套管等部分组成，具有可靠性强、耐腐蚀、安装方便等特点，广泛应用在石油、化工、制药、食品、饮料等各种液罐的液位计量和控制。

磁致伸缩液位传感器的结构比较简单。在一根非磁性不锈钢套管内装有一根绷紧的磁致伸缩线，磁致伸缩线的下端与不锈钢套管底部相连，上端接到脉冲发生器。脉冲发生器发出强电流脉冲信号（每秒１０个）给磁致伸缩线，作为起始脉冲，并开始计时。脉冲电流沿磁致伸缩线向下流动，根据右手定律，该电流将在磁致伸缩线四周产生场，与固定在非磁性不锈钢浮子内部的磁铁１和磁铁２形成的固定磁场相互作用，形成脉动磁场，磁致伸缩线在脉动磁场的作用下，由于磁致伸缩效

应，使磁致伸缩线产生扭动，并产生扭应力波。这个扭应力波以已知的速度ｖ从浮子的位置沿磁致伸缩线向上传送，到达液位计顶端的回波信号处理单元。在回波信号处理单元中，磁致伸缩线的扭动使信号检出线圈与磁铁３之间的磁阻产生脉动变化，在磁铁３磁场的作用下，检出线圈两端感应出脉冲电流，作为终止脉冲。通过测量起始脉冲与终止脉冲之间的时间ｔ，产生图ｃ中的ＰＷＭ宽度脉冲，再乘以扭应力波的传播速度ｖ，即可确定浮子的位置，如图１２ １６ａ中的ｈ１。由于磁浮子总是悬浮在液面上，从而可以确定被测液体的液位ｈ，即ｈ＝ｈ２ ｈ１（ｈ２为已知的安装高度）。

光电传感器

光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应，例如植物的光合作用，化学反应中的催化作用，人眼的感光效应，取暖时的光热效应以及光照射在光电元件上的光电效应等。光电传感器（Ｐｈｏｔｏ ｅｌｅｃｔｒｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）是将光信号转换为电信号的一种传感器。使用这种传感器测量其他非电量（如转速、浊度）时，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。此种测量方法具有反应快、非接触等优点，故在非电量检测中应用较广。本章简单介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性，着重介绍光电传感器的各种应用。

光电传感器属于非接触式测量，目前越来越多地用于生产的各领域。依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可以将光电传感器分为下述四种类型.

１）光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数，如图１０ ２５ａ所示。典型的例子有光电高温比色温度计、光照度计、照相机曝光量控制等。

２）恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数，如图１０２５ｂ所示，典型例子如透明度计、浊度计等。

３）恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数，如图１０ ２５ｃ所示。典型的例子如用反射式光电法测转速、测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。

４）恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通

量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸，如图１０２５ｄ所示。典型的例子如振动测量、工件尺寸测量等。

光纤传感器技术的应用

光纤传感器的定义很简单，即用光纤作为功能材料的传感器称为光纤传感器。在２０世纪７０年代中期，人们开始意识到光纤可以用来交换信息，无需任何中间级就能把待测量和光纤内的光导联系起来。自１９７７年美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划以来，光纤传感器的概念在全世界许多实验室里变为现实。随着工作传感器的研制，国际间的学术交流活动日益增多。从１９８３年起，国际光纤传感器会议定期召开。光纤传感器如此引人注目，主要是因为它有易与高度发展的电子装置匹配的优点。

光纤传感器的基础原理是：光源经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光互相作用，使光的光学性质，如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化而成为被调制的信号光，信号光再经光纤送入光探测器、调解器而获得被测参数。

目前，光纤传感器的分类方法一般有以下两种。

（１）按光在光纤中被调制的原理分类，有光纤强度调制传感器、光纤相位调制传感器、光纤偏振型调制传感器、光纤频率传感器。

（２）按测量对象分类，有光纤温度传感器、光纤位置传感器、光纤流量传感器、光纤力传感器、光纤速度传感器、光纤磁场传感器、光纤电流传感器、光纤电压传感器、光纤图像传感器和医用光纤传感器。下面对光纤电压传感器中偏振型光纤电压传感器的原理加以介绍。

偏振型光纤电压传感器的原理如图５１９（ａ）所示。它由Ｂｉ１２ｉＯ２晶体、起偏器、检偏器、光电检测装置和光纤组成。图中起偏器是这种偏振型光纤电压传感器具体应用中的特例，更一般的情况是采用调制器来对光的传输特性做出某种改变，这种调制器的工作原理可参见图５１９（ｂ），它可以根据多普勒光纤粒子运动或调制光的偏振态光强度遮挡等来对光纤中所传输的光进行某种形式的调制。

在本例所示的光纤电压传感器中，是通过起偏器对光的偏振状态进行调制的。使用中把晶体放在被测电压（或电场）中，在被测电压的电场作用下，晶体的折射率系数发生变化，从而使晶体发生了附加线性双折射（泡克耳斯效应）并从入射光纤传输到检偏器，检偏器检出偏振状态相对于初始状态的变化后，再通过出射光纤将这种变化信息（本例利用光学方法测出这种线性双折射的大小）输送到检测装置，检测装置检测出结果，并根据电压和这种变化信息的关系输出所对应的具体电压值，从而求出被测电压（或电场）的数值。

强度型光纤传感器

这里以反射式光纤位移传感器为例来介绍强度型光纤传感器。反射式光纤位移传感器具有结构简单、设计灵活、性能稳定、造价低廉、能适应恶劣环境等特点。其结构和工作原理如图所示。

电化学传感器技术

气体传感器原理与应用

气体传感器是一种电化学传感器，常用的是电流型（安培型）气体传感器，通常由浸没在液体电解液中的三个电极构成，如图１ ３ ５所示，其中最主要的是工作电极。它通常是用一具有催化活性的金属，例如铂，将其涂复在一透气但是憎水的膜上作成。被测量的气体扩散透过多孔的膜在其上进行电化学氧化或还原反应。其反应的性质依工作电极的热力学电位和分析气体的电化学（氧化还原）性质而定。电化学反应中参加反应的电子，流向（还原）或流出（氧化）工作电极，通过外电路成为传感器的输出信号。为了氧化还原反应得以进行，工作电极的热力学电位是一个极为重要的因素。基准电极则是为了提供电解液中的工作电极具有一稳定的电化学电位而设。基准电极通常需要保护使之不暴露于样气中，这样基准电极的热力学电位就总是具有同一数值并且保持稳定。此外，基准电极不允许有电流通过（否则将改变电位值）。测量电极只是一个完整的电化学电池所需要的第二电极，它的作用主要是允许电子进入或流出电解液。

结束语

目前,传感器技术正在向微型化、集成化、智能化、系统化、多功能化、交互式、可视性等方向发展。对于交叉学科产生的边缘传感器检测机理和技术,其检测信号种类将越来越丰富,检测功能将越来越强大,检测精度也将越来越高。当今世界谁掌握了传感器,谁就掌握了高科技。传感器技术对提高国力、提高部队战斗力至关重要,因此我们要加强科研,跟踪国际发展的前沿技术,为高科技的发展做好技术储备。