传感与检测技术

分 数: 任课教师签字： 华北电力大学研究生结课作业学年学期：2013-2014第一学期名 称：传感与检测技术学生姓名：张文正学 号：2132215061提交时间：2013年11月6日《传感与检测技术》结课报告一、 传感与检测技术的发展及现状1、传感器的现状传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，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。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器产品的门类品种繁多，用于流程工业的主要有：温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器,各种力敏传感器、气敏传感器、分析仪表等，用于机械工业的还有：开关类的接近/定位传感器、安门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等。目前国内传感器共分10大类，24小类，6000个品种。而国内品种更多，如美国约有17000种传感器，所以我国发展传感器品种的领域很宽广。中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%,2003年销售额为186亿元，同比增长32.9%；而世界非军用传感器市场1998年为325亿美元，平均增长率为9%，预计2008年将增加到506亿美元。2003年中国传感器应用四大领域为工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备，其中工业和汽车电子产品占市场份额的33.5%。由于改革开放，我国巨大的市场，引来了各国厂商如西门子、横河、霍尼韦尔、欧姆龙、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造厂带来了很大的便利，而国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟上形势的要求。各国传感器生产和研发的规模在不断扩大，美国约有1300家生产和开发传感器的厂家，100多个研究院所和院校，日本有800家厂商。我国近年建立了传感器技术国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研发基地，初步建立了敏感元件和传感器产业，2000年总产量超过13亿只，目前我国已有1688家从事传感器的生产和研发的企业，其中从事MEMS研制生产的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和传感器年总产量已达到20亿只。传感器技术包括敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术四个方面，约有30多种技术。随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，我国研发的力量尚需大量投入，特别要加强具有自主知识产权的传感器的开发、科研成果的转化及传感器生产产业化问题，在我国更是迫在眉睫的问题，在批量生产情况下，控制传感器产品性能（主要是稳定性、可靠性），使之合格率很高，就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备，我国应在开发专用工艺设备上下功夫，解决传感器生产产业化的“瓶颈”问题；在传感器的应用上，特别是新型传感器的应用上，还没大力推广，改革开放创造了有利条件，各种工业设备应用了先进的传感器，这扩大了传感器市场，也使我国新型传感器生产产业化有了动力。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，可以提高自己的技术，同时也满足了国内市场的需求，形成了传感器生产产业规模。如横河公司最近发布的EJX多变量变送器，就是个可以考虑引进技术的例子，它精度高（0.025%）、智能化程度高，采用现场总线技术，由于能把质量流量、介质压力及导管堵塞、诊断、蒸气伴热诊断和孔板磨损情况等多种变量和信息经现场总线传输给中央控制室；对保证生产和提供设备维护信息、保证安全运行都很有利，这种新型变送器的发展，配合了自动化系统管控一体化的变革，只有信息源头能力强了，信息丰富了，才能使信息化更好促进生产力发展。2、传感器的发展趋势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加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。（一） 、利用新发现的现象、效应。传感器本来就是基于一系列效应制造出来的，目前应用的效应很多，比如压电效应、压阻效应等等，还有一些效应是我们未知的，等着我们去认识；（二） 、采用高新技术。随着计算机、电子技术以及制造加工技术的发展，传感器也进入高速发展时期，这些技术都是开发和设计传感器的基础。高科技含量的传感器是未来产业化的一个方向。（三） 、新材料的开发。传感器的感应元件、传感器保护的基础都是各种材料，随着人们对新材料性能的掌握，将大大促进传感器的发展。近年，广泛应用的材料有陶瓷、光纤、高分子有机材料等。（四） 不断提高传感器的性能。影响传感器的性能因素很多，有系统的，还有检测的。随着检测技术跟精密制造的发展，这方面也将得到大大提高。（五） 传感器应用的扩展。物联网的横空出世，传感器应用也在不断拓展。近些年，地震灾害、海啸灾害、食品危机不断，对研究人员来说，也是个挑战，开发出各种传感器检测这些现象的发生，及早预警。（六） 传感器的集成化和多功能化。以前的传感器一般只能检测一种物理量，一个系统光传感器就需要很口。现在，已经出现了多功能和集成化的传感器，比如温湿度和检测各种气体的集成传感器，这也将是以后发展的一个趋势。（七） 微型与低功耗化。有些精密仪器或设备，体积本身就小，还需要接上各种传感器进行感知和控制，这也对传感器提出了更高的要求。二、传感器的分类与应用根据各个传感器的不同工作原理，结构和材料的区别，可以将传感器分为如下几类：力学量传感器、温度传感器、磁敏传感器、光敏传感器、光纤传感器、气，湿敏传感器、离子敏，生物敏传感器、压电传感器与SAW传感器等。1）力学量传感器又称为力敏传感器，其所实现的物理量的测量都与机械应力有关。包括以下三类：几何学量，如位移、形变、长度、距离、位置、尺寸（长宽高）厚度、深度等有长度量纲的量，以及角度、角位移等有角度量纲的量。运动学量，如速度、加速度、角加速度、是集合学量的时间函数。力学量，指质量、力、力矩、应力、压力等狭义的力学量。力学量传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。而压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业2） 温度传感器温度是一个状态量，从超低温到超高温，测量范围极宽，测量对象涉及到许多方面。温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度用传感器有热电势式测温传感器、金属测温电阻器和半导体温度传感器和集成温度传感器。3） 磁敏传感器磁敏传感器是伴随着测磁仪器的进步而逐渐发展起来的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电信号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁敏传感器。包括霍尔器件传感器、磁阻元件传感器、磁敏二极管和磁敏三极管。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需要大量的传感器将所测量和控制的非电参量转换成可以与计算机兼容的电信号，作为输入信号，这就给磁敏传感器的快速发展提供了机遇和应用渠道。4） 光敏传感器光敏传感器是把光信号转换为电信号的传感器，其种类极多，包括光电导型传感器、光电二极管、光敏晶体管、色敏传感器、CCD图像传感器、红外热释电式光敏器件等。它们共同的特点是响应速度快，易于实现非接触测量，非常适于与计算机接口。光敏传感器广泛应用于自动控制、航空、航天、广播电视等许多领域。如果把计算机比喻为人的大脑，那么光敏传感器则是人的眼镜。5） 光纤传感器按照光纤在传感器中的应用，把光纤传感器系统分为功能型和非功能型两种。光纤传感器由于极高的灵敏度和精度，固有的安全性，良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带等优点受到了广泛的重视。在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警以及军事方面有着广泛的应用。6） 气、湿敏传感器气、湿敏传感器主要包括可燃性气体传感器、氧传感器、化学传感器以及湿度传感器等。A.气敏传感器关于气敏传感器的应用，其检测对象主要包括三个方面：（1） 可燃性气体造成的火灾或爆炸；（2） 有毒气体造成的中毒；（3） 空气中的惰性气体含量过高造成的窒息。B.湿敏传感器空气的湿度对工农业生产和人类的生活有着密切的关系。湿度传感器可以用于测量绝对湿度、相对湿度、露点温度、比湿度和饱和度等。可用于检测水质（酸碱度、浊度、色度、PH值）、检测水中的农药毒物，有害微生物和大气中的有毒物质。7） 离子敏、生物敏传感器随着科学技术的发展，离子敏传感器在生物学、床医学、化学、环境保护等领域要求快速、准确地检测各种离子（如钾、钠、钙氯、PH等）的活度显得越来越重要。人们把用固定化的生物体成分（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件所构成的传感器称为生物敏传感器。如今，生物敏传感器已在医学诊断、生物化工、发酵与食品工业生产过程和生态环境的监测与控制方面得到了相对成熟的应用。8） 压电传感器与SAW传感器a.压电传感器的压电元件是利用材料的压电效应制成的，当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。其可应用于力的测量（加速度）微观过程质量检测或性状检测（介电常数、电阻率、密度…），使用于电化学过程（可达到ng质量）、生物医学以及有机化学。b.声表面波SAW是在任何固体上都会发生的现象，在IDT发明之后，大大加速了声表面波技术的研究，使SAW技术逐渐发展成一门新兴的声学与电子学相结合的边缘学科。现在SAW技术已经在地震学、天文学等领域取得了迅速发展，并在雷达、卫星、彩电、计算机等电子学领域得到了广泛的应用。三、关于光纤传感器的调研光纤传感器由于极高的灵敏度和精度，固有的安全性，良好的抗电磁场干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽屏带等优点受到了广泛的重视。在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化工、生物医学、环保、电力、冶金、交通运输、轻纺、食品等国民经济各领域的生产过程自动控制、在线监测、故障诊断、安全报警、以及军事方面有着广泛的应用。通常，按照光纤在传感器中的应用，把光纤传感器系统分为两种类型：功能型（或称传感型、探测型）和非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型）。1）在功能型光纤传感器中，光纤不仅起传光作用，有事敏感元件，即光纤本身同时具有“传”与“感”两种功能。功能型光纤传感器是利用光线本身的传输特性受被测量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制这一特点，而构成的一类传感器。其中有光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。图1功能型传感器的工作方式此类传感器的产品实例：A.光线压力传感器，如图2所示。压力V可拖动濫光活动板光源压力V可拖动濫光活动板光源图2光线压力传感器其原理是利用光线的微弯损耗效应。微弯损耗效应是光线中的一种特殊的光学现象，它的主要敏感元件是一对齿形波纹板和一根光纤，光纤穿过波纹板夹缝，在波纹板感受压力P的作用下而产生微小位移时，波纹板中间的光纤便处于微变效应状态。微弯产生，传输损耗发生，其变化量与压力有关。压力越大，光纤变形弯曲越大，光损耗越大。因此可用其输出光照度变化量来确定感受压力的变化量。可见光纤不仅传光，而且还能感受到被测压力的变化。这种传感器不仅可以检测压力。也可测量微位移、应变等参量。因此称之为结构型传感器。光纤压力传感器能够准确检测出压力的变化，并且安全性好，适用于一些有害、易燃、易爆液体压力的测定，也可为医用原始设备制造商设备设计，非凡的测量性能非常适合血管、子宫或颅腔的压力监测。B.光纤位移传感器反射式光强调制测量位移由光纤输出的光照射到反射面上发生反射，其中一部分反射光返回光纤，测出反射光的光强，就能确定反射面位移情况。这种传感器可使用两根光纤，分别作传输发射光及接收光用；也可以用一根光纤同时承担两种功能。为增加光通量可采用光纤束，此方法测量范围在9mm以内，其光强调制的示意如下图所示。

图4光纤位移传感器测量曲线图4光纤位移传感器测量曲线2）非功能型光学传感器中，光纤不是敏感元件。它是在光纤的端面或在光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件来感受被测量的变化。在这种情况下，光纤只是作为传输光信息的通道。将光束传输到光电元件和检测电路，被测对象的“感觉”功能则依靠其他敏感元件来完成。如图5所示。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。此类传感器的产品实例：A.光纤报警器，如图6所示。图6光纤报警器其原理是当水银柱尚未升到预定的报警温度限时，由光源来的光能通过温度计而达到与之对应的光纤，当水银柱升到预定的报警温度限时，由于水银柱的上升挡住了光纤通道的光，由信号处理装置发出声光报警信号。可见这类传感器中光纤不仅作为光传输导体，而且其本身又具有测量功能，可直接用光纤作为敏感元件，通过测量光强和相位的变化来测量外界的被测物理参数，如应变、温度、压力、电压、电流、磁场等。B.光纤高温测量系统

图7图7光纤高温测量系统测量时，测量光纤插入钢水内部约40cm深。光纤可采用金属套层光纤，光纤插入钢水瞬间，光纤被烧蚀，端面形成半圆形凹面，这时，在金属套层被烧蚀前，光纤最前端可近似视为黑体。在测量段光纤被烧蚀前，钢水测量点处的温度可传出。钢水内部温度通过对光纤端面的辐射由光纤传输到光电转换及单片机处理系统。利用辐射式测温原理，测温公式为：ln乔-2ln乔-2lnB一5ln三、波长调制型光纤温度传感器温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。但真正把温度变成电信号的传感器是由德国物理学家赛贝发明的，就是后来的热电偶传感器。50年以后，德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了包含半导体热电偶传感器在内的多种温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。而光纤自20世纪70年代问世以来，随着激光技术的发展，从理论和实践上都已证明光纤具有一系列的优越性，光纤在传感技术领域中的应用也日益受到广泛重视，随着科学技术的发展，涌现了许许多多的光纤温度传感器，并且可以预料，在新技术革命的浪潮中，光纤温度传感器必将得到广泛的应用，并发挥出更多的作用。光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位等）发生变化，称为被调制的信号光。再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤温度传感器种类很多，但概括起来按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性（相位、偏振、强度等）随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有传、感合一的特点，但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用，以避开测温区域复杂的环境。对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题，增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰比较敏感。1.波长调制型光纤传感器的介绍波长调制型光纤传感器：被测场或参量与敏感光纤相互作用，引起光纤中传输光的波长改变，进而通过测量光波长的变化来确定北侧参量的传感方法。光纤光栅传感器是一种典型的波长调制型光纤传感器。基于光纤光栅的传感过程是通过外界参量对布拉格中心波长九B的调制来获取传感信息，其数学表达式为：九二2nAB eff式中：neff为纤芯的有效折射率；人是光栅周期。这是一种波长调制型光纤温度传感器，它具有一下明显优势：（1）抗干扰能力强。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强腐蚀环境中能方便而有效地传感，具有很高的可靠性和稳定性。（2） 传感探头结构简单，体积小，重量轻，外形可变，适合埋入大型结构中测量结构内部的应力、应变及结构损伤，稳定性、重复性好，适用于许多应用场合，尤其是智能材料和结构。（3） 测量结果具有良好的重复性。（4） 便于构成各种形式的光纤传感网络。（5） 可用于外界参量的绝对测量。（6） 光栅的写入技术已经较为成熟，便于形成规模生产。（7） 轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感。由于以上优点，光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康检测以及能源化工等领域得到了广泛的应用。但是它也存在一些不足之处。因为光纤光栅传感的关键技术在于对波长漂移的检测，而目前对波长漂移的检测需要用较复杂的技术和较昂贵的仪器或光纤器件，需大功率的宽带光源或可调谐光源，其检测的分辨率和动态范围也受到一定的限制等。光纤布拉格光栅无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为检测材料的结构和载荷，探测其损伤的传感器。2.传感设计根据耦合模理论，光纤布拉格光栅的中心反射波长可以表示为：九二2nABeff式中neff为导模的有效折射率，A为光栅的周期。由（1）式可以看出，中心反射波长几B与有效折"ef射率和光栅周期A有关；有效折射率"ef和光栅周期A会随着温度、压力、应变的变化而变化，从而根据中心反射波长的变化量来测量温度，压力，应变等变化量。当光纤光栅受到轴向外力及温度的影响时，其光栅周期A和纤芯折射率"ef将会发生变化，光纤光栅反射波长也会发生变化。其关系式为：AX二2nAA+2AnAB eff eff对于（2）式，假设仅有温度变化时，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为：

AA=a•A・AT(3)式中8为光纤的热膨胀系数。热光系数引起有效折射率变化为:An=g•n•AT(4)effeff式中E为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。因此可得光纤布喇格光栅的温度灵敏度系数：K=b=a+g(5)

tAT•九B对于普通的光纤光栅，比如掺锗石英光纤，。二°5x10-6/oC，E二7.0x10-6/°C，可以估算出常温下光纤光栅的温度灵敏度系数大约为7.5x10-6/°CA九A九AT•纭B=a+E+(1—P)(a—a)es设计高灵敏温度光纤光栅传感器，常用方法是采用热膨胀系数大的材料封装光纤光栅。常用的材料是热膨胀系数大的金属材料，聚合物材料，合金材料等。常用的封装方式有：选用热膨胀系数较大的金属材料对光纤光栅进行贴片封装和把光纤光栅以嵌入式的方法封装在热膨胀系数较大的聚合物材料中等。解调方案影响到整个传感系统的精度、分辨率的参数。现今常见的实现对波长编码的解调方法包括：可调激光器解调方案、可调滤波解调方案、边缘滤波解调方案和干涉仪解调方案等。其中利用可调滤波器和干涉仪来实现解调是目前最重要也是应用最广泛的两种方法。干涉仪解调基本方法是：把从传感FBG反射的光用耦合器分为光强相等的两路，然后引入一定的路程差，当两路光重新汇合发生干涉的时候，就存在一个相位差。对于不同中心波长的发射光，经过相同路程差所引入的相位差是不一样的，其所得的干涉光的光强也是不一样的。通过从干涉光强中解出相位差的信息，就能得到反射光中心波长的信息。

Jsohlor Coupler.Amplifiq.Jsohlor Coupler.Amplifiq.图8基于非平衡M-Z干涉仪的解调方案用于信号解调的干涉仪有M-Z干涉仪、Michelson干涉仪和Sagnac环干涉仪等。1992年以来A.D.Kersey等人就先后提出了一系列基于非平衡M-Z干涉仪的解调方案，其基本结构如图1所示。假设非平衡M-Z干涉仪两臂引入的路程差为AL，那么干涉时的相位差可表示为：c 2兀AnALP（九）= 尹B如果不引入其他噪声，且两束干涉光光强相等时，其干涉光强可表示为：宀 2兀AnALI（九）=A+Acos（ ef——）B 九B可见输出光强是反射光中心波长的函数。另外从上式中可以看到，干涉光强中带有直流信号，这样会影响到系统的分辨率。因此，如图1所示，通过差分放大，能够抑制干涉信号的直流分量，从而提高系统的分辨率。这种解调方案分辨率高，响应速度快，非常适合于动态测量。但是由于是通过相位差来反映中心波长，其最大变化范围为2沢，超过以后将无法得到正确的中心波长值，因此限制系统的测量范围。另外，由于干涉强度对于相位差相当敏感，因此干涉两臂所处环境的噪声对系统影响较大，也是该系统缺陷之一。FBG温度传感器增敏的原理是利用FBG对温度和应变同时敏感的特性，通过合理的结构设计，把FBG和高热膨胀系数材料封装在一起，当被测温度变化时，通过高热膨胀系数材料的形变向FBG施加一个应变量，使得FBG的返回波长变化量加大。基于此