新型传感器的原理、应用与发展

新型传感器的原理、应用与发展（南昌大学，南昌，330031）Theprincipleandapplicationofnewsensors(NanchangUniversity,Nanchang330031,China)摘要：现代新型传感器由于具有测量精度高、动态响应快、稳定性好、抗干扰能力强、易于小型和微型化、方便与微机进行接口等优点，在温度、压力、电压、转速等检测中有着广阔应用前景。本文简要的介绍了几种现代新型传感器的基本原理和它们在信号检测、汽车、船舶等方面的应用，以及新型传感器的发展前景。关键词：新型传感器；原理；应用；发展前景Abstract:Modernnewsensorwithhighmeasurementprecisionhasmanyadvantages,suchasfastdynamicresponse、goodstability、stronganti-interferenceability,、easytosmallandminiaturization,andits`easytoconnectwithmicrocomputer.Ithasabroadapplicationprospectinthewaysoftemperature、pressure、voltageandspeeddetection.Thispaperbrieflyintroducesseveralbasicprincipleofmodernnewsensorsandtheirapplicationsinsignaldetection,automotive,Marineapplications,andtheprospectsofthedevelopmentofnewsensors.Keywords:newtypesensor;principle;application;prospectsofthedevelopment1前言传感器是一种把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件,其实质是一种功能块,其作用是将来自外界的各种信号转换为电信号。它是实现测试与自动控制系统的首要环节。随着新材料、新工艺、新技术，以及微控制器的多功能化、智能化等的发展，出现了比传统传感器性能更为优越的新型传感器。如：光纤传感器、固态图像传感器、激光与红外传感器、超声波传感器以及智能传感器等，这些传感器以其自身的精度高、响应快、便于微机处理等的优势，在工业中逐渐得到应用。本文根据所查阅的资料以及自身知识，简要的介绍了几种现代新型传感器的基本原理和它们在信号检测、汽车、船舶等方面的应用，以及新型传感器的发展前景。2几种新型传感器的基本原理及组成（1）光纤传感器光纤传感器的基本原理是被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）、相位、频率或偏振态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测和解调，从而获得被测参数。光发送器、光接收器、敏感元件、光导纤维及信号处理系统是构成光纤传感器的几个重要组成部分。有些光纤传感器中,光无源器件也作为光线传感器的重要组成部分。光无源器件按照功能上归类可以分为光衰减器件、光功率分配器件、光连接器件、光隔离器件、光开关器件等。光无源器件在工作过程中不需要任何外部元器件的帮助,依靠自身的性能就可以独立完成某种光学功能。按照光纤在传感器中的作用，通常可将光纤传感器分为两种类型：一类是功能型，又称FF型，另一类是非功能型，又称NF型。根据被测参量的不同,光纤传感器又可分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、震动、应变、电压、电流、磁场、化学量、生物量等各种光纤传感器。目前已经实用的光纤传感器可测量物理量达70多种。（2）固态图像传感器图像传感器是利用光电器件的光—电转换功能,将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的“图像”电信号的一种功能器件。而固态图像传感器是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元和移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。固态图像传感器的结构有线列阵和面列阵两种形式,它将光强的空间分布转换为与光强成比例的大小不等的电荷包空间分布,然后通过移位寄存器将这些电荷包形成一系列幅值不等的时序脉冲序列输出。也就是固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成“图像”电信号。（3）激光与红外传感器激光传感器：由发射激光的激光器、光学零件和光电器件所构成的激光测量装置能够将被测量（如长度、流量、速度等）转换成电信号。因此广义上也可将激光测量装置称为激光式传感器。激光式传感器实际上是以激光为光源的光电式传感器。按照它所应用的激光特性不同可分为激光干涉传感器、激光衍射传感器、激光扫描传感器三类。红外传感器:红外传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件,通常称为红外探测器。按其所依据的物理效应可分为光敏和热敏两大类型。热敏探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化,进而使其有关物理参数发生相应的变化。通过测量有关物理参数的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型、热释电型和高莱气动型等几种型式。热敏探测器的主要优点是响应波段宽,可以在室温下工作,使用方便。但由于热探测器响应时间长,灵敏度低,一般只用于红外幅射变化缓慢的场合。光敏探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下,产生光子效应,使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化,可以确定红外辐射的强弱。按照光敏探测器的工作原理,一般可分为外光电和内光电探测器两种。内光电探测器又分为光电探测器、光电伏特探测器和光磁电探测器3种。光电探测器的主要特点是灵敏度高,响应速度快,响应频率高。但必须在低温下工作,探测波段较窄。（4）超声波传感器完成产生超声波和接收超声波的功能的装置就是超声波传感器，习惯称超声波换能器或超声波探头。按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见，它是利用压电材料的压电效应来工作的。超声波探头中不可缺少阻尼块，否则当激励的电脉冲信号停止时，晶片还会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。（5）智能传感器智能传感器是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器，它不仅具有传统传感器的所有功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校正自调整以及人机通讯等许多功能。它的产生是微型计算机和传感器相结合的结果。从组成上看，智能传感器由主传感器、辅助传感器和微机硬件系统三部分构成。3新型传感器的应用及发展前景（1）信号检测方面自八十年代产生以来，智能传感器一直是检测领域的热点，现在在分布式实时检测、网络检测以及多信号检测方面更加是用处广泛。通常，一个传统的检测器件只能检测一个物理量，其信号调节是由若干与主检测单元连接的模拟电子电路实现的；而一个智能传感器就能实现同样所有这些功能，并且更加小巧、低成本和高性能。与传统的传感器相比，智能传感器具有以下优点：(l)有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿。(2)有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。(3)可实现多传感器多参数复合测量，扩大了检测与适用范围。(4)检测数据可以存取，使用方便。(5)有数字通信接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，便于信息管理。所以，随着科技的发展，未来智能传感器一定会取代落后的传统传感器。（2）船舶方面在船舶自动化程度的提高方面，新型传感器功不可没。如：压电式传感器、光纤传感器、磁致伸缩位移传感器、智能传感器以及数字传感器等传感器以其自身的精度高、响应快、便于微机处理等的优势在船舶自动化中逐渐得到应用。使得船舶的运行经济性提高，运行安全性增强。另外，随着船舶自动化程度的提高，各种阀门的控制自动化要求也越来越高。与之相应，对检测设备精度的要求也越来越高。我们相信把新型的传感器应用于船舶上，必将使船舶的自动化程度得到更大提高，使船舶的经济性和安全性得到有力保证。（3）汽车方面一个国家的汽车工业是国家国民经济的支柱产业，汽车技术经过几十上百年的发展，已经非常的成熟，如今人们对于汽车的需求已从原来的追求稳定，安全发展成为今天的追求舒适，高效。所以从上世纪五十年代起，汽车的传感器技术就被逐渐的应用与汽车制造中，汽车传感器以其独有的特性，大大增强了汽车的操作性，安全型与舒适性。由于汽车的功能繁多，传感器要向电子控制单元反馈的信息也较多，所以汽车中运用的传感器也非常多。根据这些传感器的工作原理来分，总共有八类左右。如电阻应变式的空气流量传感器、电容式的燃油液位传感器、压电式的减震器传感器和磁电式的车轮转速传感器等。4结论现代传感器是借助于现代先进科学技术研制开发出来的,随着现代科学技术的进步,新的物理、化学和生物效应等将被发现,新的功能材料将诞生,更多的新型传感器将陆续产生，上文中所列出的几种新型传感器只是冰山一角。未来的新型传感器通过进一步的信息采集与传输、处理集成化、智能化,将具有自检自校、量程转换、定标和数据处理等功能,传感器的功能必将得到进一步增强和完善,性能必将进一步提高,将更加灵敏、可靠。参考文献：【1】孙传友．感测技术基础．北京：电子工业出版社，2006．9【2】杨彦．新型传感器在汽车技术中的应用概述·电子技术，2013【3】李婷云·新型传感器在船舶中应用·中国水运No11；2011【4】杨锦尊·新型传感器的应用及发展方向·现代电子技术；2006【5】贾娜·光纤传感器及其应用·电子元器件；2014【6】沈丰·现代新型传感器·水利水电快报；1999.9【7】陈炳欣·向新型传感器转型创新专利成利器·中国电子报第12版；2014.09.30【8】孙福强·传感器技术应用及发展趋势探析·电子技术；2012【9】龚瑞昆·信号检测中的新型传感器·传感器世界；2005.05【10】黄安贻·新型ABS车轮轮速传感器·测控技术2005第24卷6期；2005