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现代传感器发展方向_孙圣和

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第23卷　第1期电子测量与仪器学报Vol.23　No.1　2009年1月JOURNALOFELECTRONICMEASUREMENTANDINSTRUMENT·1　·

现代传感器发展方向孙圣和(哈尔滨工业大学自动化测试与控制系,哈尔滨150001)摘　要:传感器是信息系统的源头,在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文试图探讨现代传感器技术发展方向,从概念、原理、性能和应用等层面评述了9种传感器:光纤传感器、集成传感器、MEMS传感器、模糊传感器、智能传感器、多功能传感器、模型传感器、网络传感器及生物传感器,且每类传感器列举了应用实例。关键词:集成传感器;MEMS传感器;智能传感器;多功能传感器;网络传感器中图分类号:TP212文献标识码:A国家标准学科分类代码:460.4025

Developmenttrendofmodernsensor

SunShenghe(HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:Sensoristhesourceofinformationsystemanditisthekeycomponentwhichdeterminesthecharacteristicsandperformanceofthesystem.Thispaperstudiesthedevelopmenttrendofthemodernsen-sor,andninekindsofsensorsarereviewedfromtheviewsofconcept,principle,performanceandapplica-tion.Thesesensorsarefibersensor,integratedsensor,MEMSsensor,fuzzysensor,intelligentsensor,multi-functionsensor,modelingsensor,networkingsensor,biologicalsensor.Theexamplesofeachkindofsensorarelisted.Keywords:integratedsensor;MEMSsensor;intelligentsensor;multi-functionsensor;networkingsensor

1　引言传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。相应的英文单词为Sensor或Trans-ducer。注意,若在英文文献中Sensor和Transduc-er,甚至还有Actuator同时出现时,则Transducer应译为“换能器”,是指将自然科学和工程技术中的非电能量转换成电能的设备。而Actuator应译成“执行器”,定义为将电信号转换成物理、化学、生物等自然科学和机械、土木工程技术中的非电信号的换能器或转换为实际动作(如平动、转动、通断、发光、发声、发热等)的设备。传感器可从不同角度分类。从被测量不同,分为几何机械量(例如尺寸、角度、表面参数、位移、速度、加速度、角位移、角速度等),热工量(例如温度、压力、流量、密度、黏度、质量等),光学量(强度、功率、波长、频率、相位、速度、脉宽、延迟、折射率、束散角等),声学量,生物参数,医学量(生理参数)等。从传感器的输出不同,可分为模拟信号(连续波和脉冲波),数字信号,电压和电流等传感器。本文从原理和技术角度论述现代传感器。传感器是信息系统的源头。在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、控制及健康管理等系统中,传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性能的重要部件。因此,无论是材料、元器件和部件,还是系统研发者对传感器进展高度关注。传感器是科学和工程结合产物,既依赖于科学的新现象和新规律,又依赖于新技术和工艺。本文组织如下:(1)光纤传感器;(2)集成传感器;(3)MEMS传感器;(4)模糊传感器;(5)智能传感器;(6)多功能传感器;(7)模型传感器;(8)网络传·2　·电子测量与仪器学报2009年感器;(9)生物传感器;最后是结束语。2　光纤传感器2.1　定义与优点光纤传感器是利用光纤元件的传感器。与传统传感器相比,光纤传感器具有敏感度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好,便于与计算机和被测实物连接,结构简单、体积小、重量轻、耗电少、适合于有毒有害、防火防爆环境及远程分布场合应用等优点。2.2　分类光纤传感器有很多分类方法。按照工作原理不同可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤作敏感元件,基于光纤的物理效应,被测量调制光纤参数,再调制光纤中的光波参数,故也称为传感型或全光型光纤传感器。图1为这种传感器的原理示意图。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,且敏感元件参数调制光波参数,光纤只作为传输介质,传输来自远处或难以接近场所的光信号,故也称为传光型或混合型光纤传感器。

图1　功能型传感器原理示意图Fig.1　Schemeoffunctionalsensor

按被测量不同可分为光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等。不管功能型或非功能型光纤传感器,被测量都要直接或间接调制光波参数,按调制的光波参数不同,光纤传感器可分为光强调制型、相位调制型、频率调制型、偏振调制型和波长(颜色)调制型光纤传感器。表1列出了功能型和非功能型5种光调制传感器的调制机理和解调方式。

表1　按被调光波参数不同光纤传感器分类Table1Classificationoffibersensorsaccordingtothemodulatedparameters

传输型调制机理功能型调制机理解调方式光强调制型光束切割、光闸、松耦合、物理效应等微弯损耗、变折射率、变吸收特性、变模耦合特性、荧光效应等光电探测器、光功率计

相位调制型利用被测量改变被测光相对参考光的光程差、Sagnac效应力应变效应、热应变效应、弹光效应、热光效应干涉法———将光相位信号转换成相应的光强信号

偏振调制型利用被测量改变某些透明介质的自然旋光特性进行偏振调制利用磁光效应、弹光效应等实现对光波偏振态的调制将光偏振态的变化转换为光强信号或转换为光相位移

波长调制型利用被测量改变F-P干涉腔长度或进行波长选择光纤光栅光谱分析法、波长扫描法、光学滤波法、非平衡M-Z干涉法

频率调制型利用被测量调制多普勒频率干涉检测法:零差法、外差检测多普勒频移等

2.3　光纤光栅目前,光纤传感器的热点是光纤光栅传感器。这种传感器利用光纤光栅作敏感元件。光纤光栅是利用掺杂光纤(如掺锗、掺磷等)的光敏特性,使光纤折射率沿轴向周期或非周期变化。光纤光栅的作用可等效为纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤光器或发射镜。光纤光栅种类很多,折射率沿轴向周期均匀变化的光栅称为光纤布拉格光栅(FBG)。图2表示FBG传感器原理。反射光波波长与栅距图2　FBG原理示意图

Fig.2　FBGScheme第1期现代传感器发展方向·3　·Λ的关系如式(1)所示λB=2neffΛ(1)式中:neff为光栅的等效折射率。当压力、温度等被测量作用于光栅时,则引起Λ或neff变化,从而调制反射光波波长。2.4　应用实例光纤传感器可探测的物理量很多,已应用的光纤传感器可测量近百种物理量。例如,压力、水声、应变、表面粗糙度、振动、位移、加速度、温度、流量、电磁场强度、大电压、大电流、辐射强度、体温、体压、血流、血液成分、血气成分、大气成分等。本文列举几种光纤传感器。1)光纤陀螺基于光波调制效应,利用光纤测量几何量和机械量的传感器很多。光纤陀螺是基于Sagnac效应的光波相位调制测量角速率的传感器,图3表示Sagnac效应。图3　Sagnac效应示意图Fig.3　SchemeofSagnaceffect假设有一匝如图3所示的直径为D的光纤线圈,且在P点入射方向相反的两束光波,通过光纤线圈后在P点可得到方向相反的两路出射波。如果线圈不动(P点不动),即角速度Ψ=0,则两路光波同时到达P点,即无时间差和相位差。如果线圈顺时针转动(P点到达P′点),则顺时光波行进的路程大于逆时光波路程,故顺时光波迟后到达P′点,因此两路出射波产生了时间差和相位差,这种现象叫做Sagnac效应。理论分析可得到,N匝线圈产生的两路出射光波的相位差公式如下: φs=2πn2LDCλΨ=KsΨ(2)式中:Ks为Sagnac陀螺标定系数;L为N匝线圈长度;n为光纤折射率;C和λ分别为光波在真空中的速度和波长。由上可见,加大D和增加光纤线圈匝数N可提高此种光纤陀螺仪的灵敏度。 2)光纤磁场传感器光纤磁场传感器分两大类:基于法拉第旋光效应和磁致效应传感器。法拉第旋光效应是磁场使介质具有旋光性的效应,也称为磁光效应。具体地说,是一束偏振光通过位于磁场中的旋光介质时,其偏振面发生旋转的现象,故也称为磁偏振效应。图4表示这种传感器原理图。起偏器将输入光波变成偏振光,位于磁场中的法拉第(磁偏振)介质使偏振光随磁场强度旋转,检偏器可检测出偏振光旋转角度,因而测出磁场强度。

图4　基于偏振效应的磁场传感器Fig.4　Polarization-basedmagneticfieldsensor

磁致伸缩效应是磁场引起位于其中的磁性材料产生伸缩变形现象。若在光纤上被覆或粘合磁致伸缩材料,则在磁场作用下被覆这种材料的光纤会产生纵向、横向和体应变,从而使通过光纤的光波产生相移。通过干涉技术检测出相位变化,即可测得磁场强度。图5表示光纤被覆或粘合磁致伸缩材料的结构形式。

图5　光纤磁场传感器敏感元件的基本结构Fig.5　Sensingelementsoffibermagneticfieldsensor

3)光纤电流传感器电力系统的大电流可利用光纤被覆金属材料、磁致伸缩材料和压电材料等方法构成光纤电流传感器。金属被覆的单模光纤传感器如图6所示,它利用热致伸缩效应(即热胀冷缩现象)。通电流时铝护套发热,使光纤发生变形,进而光波产生相位变化。

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传感器发展趋势范文

传感器发展趋势范文

传感器发展趋势范文近年来，随着科技的发展和人们对智能化、自动化生活的追求，传感器的应用越来越广泛。

无论是工业、医疗、农业还是家庭用品，传感器都有着重要的地位。

那么，传感器在未来的发展趋势是什么呢？首先，传感器的微型化和集成化将是一个重要的发展方向。

随着科技的进步，传感器的体积可以做得越来越小，甚至可以被集成到其他设备中，如手机、手表、眼镜等。

这样一来，不仅能够减小设备的体积，提高了设备的便携性，还能够为用户带来更多的智能化功能和更好的用户体验。

其次，传感器的智能化和自主化发展也是一个重要的趋势。

传感器不再只是被动地传输数据，而是能够主动感知环境并做出相应的判断和决策。

例如，智能家居中的温度传感器可以自动调节室内的温度和湿度，智能车辆中的传感器可以自动感知路况并做出相应的行驶决策。

这种智能化和自主化的传感器有助于提高生活的便利性和安全性。

另外，传感器的无线化发展也是一个不可忽视的趋势。

传统的传感器通常需要通过有线连接才能与其他设备进行数据交流，然而这种连接方式限制了传感器的使用范围和可靠性。

而无线传感器可以通过无线网络与其他设备进行通信，不受距离限制，能够更好地应对复杂的环境和大范围的监测需求。

无线传感器的出现将大大改变传感器的应用方式和功能。

此外，传感器的能量自供趋势也在逐渐发展。

传感器通常需要电源来驱动，而电池寿命有限，更换电池需要一定的成本和时间。

因此，研究人员正在致力于开发能够自动从环境中获取能量的传感器。

例如，太阳能传感器可以通过太阳能来供电，运动传感器可以利用动能来供电。

这种能量自供的传感器可以减少对电池的依赖，延长传感器的使用寿命，降低维护成本。

最后，传感器的数据处理和分析也是一个重要的发展方向。

随着传感器应用的普及，产生的数据量也越来越大，如何高效地处理和分析这些数据成为一个新的挑战。

因此，发展高效的数据处理和分析算法是非常必要的。

这些算法可以帮助用户更好地理解和利用传感器提供的数据，为科学研究和决策提供更准确的支持。

传感器技术的发展现状与未来趋势分析

传感器技术的发展现状与未来趋势分析

传感器技术的发展现状与未来趋势分析近年来，传感器技术在各个领域迅猛发展，并对我们的生活和产业产生了巨大影响。

传感器作为一种能够感知环境信息并将其转化为可读信号的设备，广泛应用于智能手机、智能家居、工业自动化等领域。

本文将探讨传感器技术的发展现状以及未来的趋势。

随着物联网技术的飞速发展，传感器技术也得到了极大的推动。

传感器的应用范围越来越广泛，从环境监测到医疗诊断，从智能交通到农业种植，传感器已经成为现代社会不可或缺的一部分。

例如，智能手机上的加速度传感器和陀螺仪可以实现屏幕自动旋转和手势控制功能，改善了用户的操作体验。

在汽车领域，各类传感器的应用大大增强了车辆的智能化和安全性能，如倒车雷达、自动刹车系统等。

此外，在工业领域，传感器的应用也发挥着举足轻重的作用，实现了工厂自动化生产和远程监控。

传感器技术的发展正在朝着高精度、小型化和多功能化的方向发展。

首先，高精度是目前传感器技术发展的主要趋势之一。

随着消费者对于产品性能的要求越来越高，在各个领域都需要更加精确的传感器来提供准确的数据和指导。

其次，小型化是传感器技术的另一个重要趋势。

随着电子技术的不断进步，传感器的尺寸越来越小，从而能够更好地适应各种环境和应用场景。

最后，多功能化是传感器技术未来的发展方向之一。

未来的传感器将不仅仅具备单一的感应功能，还可以通过整合其他技术实现更加复杂的功能，如图像识别、声音识别等。

在未来，传感器技术将继续对智能化、自动化和智慧城市等领域产生重要影响。

随着人工智能技术的发展，传感器将与智能算法相结合，实现更加智能化的应用。

例如，在智慧城市中，基于传感器网络和大数据分析的智能交通系统可以实现交通拥堵预测和智能导航功能，提高交通效率。

此外，传感器技术还可以在环境保护、健康监测和农业领域发挥重要作用。

例如，利用传感器技术可以实现对环境中各种污染物的实时监测，对健康状况进行远程监测，并优化农业生产过程。

然而，随着传感器技术的发展，也面临着一些挑战和问题。

现代传感器技术论文（2）

现代传感器技术论文（2）

现代传感器技术论文(2)现代传感器技术论文篇二我国传感器技术发展研究摘要: 本文通过对我国传感器发展现状进行的调查分析,指出了国内产品存在的主要问题,提出了相应的解决办法,并指出了我国传感器发展的方向。

关键词: 传感器技术现状发展方向传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,目前主要用于检测电系统自身与操作对象、作业环境状态,为有效控制电子系统的运作提供必需的相关信息。

随着人类探知领域和空间的拓展,电子信息种类日益繁多,信息传递速度日益加快,信息处理能力日益增强,相应的信息采集―传感技术将日益发展,传感器将无所不在。

一、我国传感器技术发展的现状我国传感器行业发展迅速,传感器市场近些年一直持续增长,势头良好,主要应用于工业制造、汽车产品、电子通讯和专用设备,其中工业制造和汽车产品达到市场份额的三分之一。

传感器给我国的迅速发展带来了无限商机,西门子、霍尼韦尔、凯乐、横河等传感器大企业纷纷进入我国市场,这为我国工业设备制造商和汽车制造业等传感器最终消费者带来了很大便利,但也对国内传感器行业施加了很大压力。

国内传感器产品存在的主要问题是:品种少,质量较差;制造工艺技术相对落后;生产企业不掌握先进的核心制造技术;高性能传感器的科研成果转化率较低。

大力发展新型传感器已在行业内开展多年,但新型传感器的产业化速度慢仍困扰着众多传感器企业。

产品更新换代是行业持续发展的源泉,传感器正向更多领域拓展,这些领域不断增长的需求,要求新型传感器产品不断涌现。

网络的应用,IT业的迅速发展,对传感器新品提出了更多要求,适应于不同行业的传感器的研发要跟上市场潮流,并创造出新的需求。

国内传感器企业只有使传感器应用更广泛,产品不断更新,更好地适应市场需求,才能获得新的增长点。

二、我国传感器技术的发展方向为使我国的传感器技术更快地发展,针对以上存在的问题,我们必须加强技术研究和引进先进设备,以提高整体水平。

传感器技术的发展与应用前景

传感器技术的发展与应用前景

传感器技术的发展与应用前景随着科技的迅速发展，越来越多的新兴技术被应用在工业制造、医疗、农业等领域。

其中，传感器技术作为一项应用广泛的关键技术，其发展速度也非常迅速。

传感器技术是工业自动化和信息科学中不可或缺的重要组成部分，通过实时采集和反馈物理量信息，控制和调节生产过程，提高工业生产的精度和效率，降低生产成本。

本文将从传感器的概念、传感器技术的发展历程及现状、传感器在各行业的应用前景等方面来探讨传感器技术的发展与应用前景。

一、传感器的概念传感器是将感应信号转换为可供测量或处理的输出信号的一种装置，它可以将任意物理量如温度、湿度、压力等转变成电信号，通过传输到某种处理装置进行测量和计算。

传感器主要由感受器、信号处理器和输出器三部分组成，感受器负责将感应信号转换成电信号，信号处理器负责将电信号进行数学处理，输出器负责将处理后的信号输出。

二、传感器技术的发展历程传感器技术的发展历程可以追溯到20世纪初，在那个信息传输技术非常落后的时期，人们主要采用机械仪表来进行物理量的检测。

但是，机械仪表存在精度低、易受干扰等问题，为实现精度高、智能化的检测需求需要寻求新的解决方案。

20世纪50年代，电子技术的发展促进了传感器技术的进步。

其后，微机技术、计算机技术、通信技术不断发展，人们对传感器技术的研究和应用也不断深入。

随着信息技术和物联网技术的发展，传感器技术得到了广泛的应用，并在医疗、交通、车联网等领域内产生了显著的效益。

三、传感器技术的现状目前，传感器技术已经非常成熟，种类也越来越多，包括光学、机械、电磁等多种类型。

而且，现代传感器技术的应用领域也越来越广泛，静态物理量如温度、湿度、气压、流量等及动态物理量如加速度、速度、旋转角度、姿态角等均能通过传感器来检测。

西门子、思科、爱立信等公司在进口传感器技术方面处于国际领先地位，国内主要的传感器公司包括华盛仪器、燕京仪器、中南传感器等。

目前，传感器已经广泛应用于工业、交通、医疗、农业等领域，为我们的工作、生活带来了便捷和准确性。