现代传感技术.pdf

《土木工程结构试验与检测》 姓 名： 学 号： 专业班级： 成 绩： 教师评语：  年 月 日 现代传感器技术与发展 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、M EMS 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; M EMS 传感器 ; 智能传感器; 多功能传感器; 网络传感器 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机 传感器的输出不同 ,可分为模拟信号(连续波和脉冲 械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信 波) ,数字信号 ,电压和电流等传感器。

本文从原理 号的换能器相应的英文单词为 Senso r 或 Trans 和技术角度论述现代传感器 ducer 注意 ,若在英文文献中 Senso r 和 Transduc 传感器是信息系统的源头 在客观对象的测 er ,甚至还有 Act uato r 同时出现时 , 则 Transducer 量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、 应译为“换能器”,是指将自然科学和工程技术中的 控制及健康管理等系统中 ,传感器是不可缺少的且 非电能量转换成电能的设备而 Act uato r 应译成 在一定程度上是决定系统性能的重要部件因此 , “执行器”,定义为将电信号转换成物理、化学、生物 无论是材料、元器件和部件 ,还是系统研发者对传感 等自然科学和机械、土木工程技术中的非电信号的 器进展高度关注 传感器是科学和工程结合产物 , 换能器或转换为实际动作 ( 如平动、转动、通断、发 既依赖于科学的新现象和新规律 ,又依赖于新技术 光、发声、发热等) 的设备 和工艺 传感器可从不同角度分类从被测量不同 ,分 ( ) ( ) 集成传感 本文组织如下 : 1 光纤传感器; 2 为几何机械量(例如尺寸、角度、表面参数、位移、速 2 器; (3) M EMS 传感器; ( 4) 模糊传感器; ( 5) 智能传 2 度、加速度、角位移、角速度等) ,热工量(例如温度、 感器; (6) 多功能传感器; (7) 模型传感器; (8) 网络传 在现代社会， 获取自然信息已经成为几乎所有自然科学与工程技术领域共同的需求。

随着人类活动领域的扩大和探索过程的深化， 传感器已经成为基础科学研究与现代技术相互融合的新领域，它汇集和包容多种学科的成果，成为人类探索活动最活跃的部分之一现代传感器的发展趋势充分体现出这些特点自然科学基础研究的新成果不断丰富传感器的设计思想，使传感器的探测对象范围扩大，不断超越经典传感器的技术局限，获取更多的信息；不同学科领域的交叉融合， 加深了人们对更加复杂的自然现象因果关系的理解， 通过多重参数转换获取信息，导致新的传感器出现；传感器探测的空间尺度同时向微观和宏观延伸；传感器的探测阈值降低，动态范围扩大，信噪比提高；仿生传感器引起人们更多的关注；微电子技术和微处理器融人传感器设计，使传感器微型化、智能化；新的材料和工艺使经典传感器出现新的技术特征，等等 在现代信息科学技术中， 传感器属于信息获得范畴， 它与现代通信系统和信息处理系统共同构成现代信息科学技术的三大基石 在信息时代早期， 人们主要关注人类社会自身活动信息（文字、图像、声音和数据）的传输和处理，传感器的发展居于次要地位在相当长的一段时期，它们仅仅被当作是一类为专用设备配套的器件随着工业、军事、医学和自然科学研究的进展，在越来越多的重要领域，传感器成为制约其发展的关键，在世纪之交引起了世界范围的广泛关注。

1991 年 3 月，美国总统办公厅指定的“国家关键技术委员会”曾经向当时的布什总统提交报告， 列举了 22 项对美国国家经济繁荣和国防安全至为重要的关键技术， 其中第 14 项即为传感器技术 美国五角大楼国防研究与工程局吸取海湾战争中以美国为首的多国部队速战速决的经验，以及有感于 20 年内杀伤性武器如弹道导弹、巡航导弹、化学武器、生物武器和核弹等迅速扩散对美国构成的威胁，制定了“国防关键技术计划” ，以确保美国武器装备的优势计划规定在 1992～1997 年间，重点研究和开发 21 项关键性技术，第一项就是传感器技术与此同时，日本和德国把传感器技术产业列为 21 世纪上半期直接影响经济发展的带头产业，希望以传感器技术带动和推进一系列新兴产业，在工业、医学、军事技术和自然科学研究方面取得持久的技术优势，在高技术世界市场占有尽可能大的份额 当今传感器技术的主要发展动向：开展基础研究，重点研究传感器的新原理、新材料和新工艺；实现传感器的微型化、阵列化、集成化和智能化从当前高新技术发展趋势来看，传感技术发展方向具体表现在以下几个主要方面 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。

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( FB G) 集成传感器是利用集成电路工艺(镀膜、掩膜、腐蚀等) 将半导体敏感元件及测量处理电路集成在一个芯片上的传感器集成传感器的一般电路结构 半导体敏感元件是基于半导体材料和 P2N 结 的物理效应将被测的非电量转换成电量例如 ,热  敏、光敏、磁敏、压敏等效应传感器输出归一化的 测量信号 ,由仪器完成采集、处理等操作若将仪器 的采集、处理、控制与显示等电路均集成在同一芯片 上 ,则称为集成仪器芯片若将多个仪器及系统接口也集成在同一芯片上 ,则称为集成测量系统芯片 M EMS 是微电子机械系统的缩写 , 一般简称微机电主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成前者功能与传统传感器相同 ,区别是用 M EM S 工艺实现传统传感器的机光电元器件后者功能是对敏感元件输出的数据进行各种处理 ,以补偿和校正敏感元件特性不理想和影响量引入的失真 ,进而恢复真实的被测量。

M EMS 传 感 器 主 要 用 于 控 制 系 统 利 用 M EMS 技术工艺将 M EMS 传感器、 M EMS 执行器 和 M EMS 控制处理器都集中在一个芯片上 ,则所构成的系统称为 M EMS 芯片控制系统 微控制处理器的主要功能包括 A/ D 和 D/ A 转换 ,数据处理和执行控制算法微执行器将电信号转换成非电量 ,使被控对象产生平动、转动、声、光、热等动作系统接口单元便于同高 层的管理处理器通信 ,以适合远程分布测控 智能传感器概念最早由美国宇航局在研发宇宙 境状态或特性的物理量转换成电路元件参量或状态飞船过程中提出来 ,并于 1979 年形成产品宇宙飞 参量 ,调理电路将电路参量转换成电压信号并进行船上需要大量的传感器不断向地面或飞船上的处理 归一化处理以满足 ADC 动态范围智能处理器应器发送温度、位置、速度和姿态等数据信息 ,即便使 对 ADC 输出的数字信号进行智能处理 , 主要智能用一台大型计算机也很难同时处理如此庞大的数据处理功能如下:何况飞船又限制计算机体积和重量 ,于是引入 1 ) 自补偿功能了分布处理的智能传感器概念其思想是赋于传感 根据给定的传统传感器和环境条件的先验知器智能处理功能 ,以分担中央处理器集中处理功能。

识 ,处理器利用数字计算方法 ,自动补偿传统传感器同时 ,为了减少智能处理器数量 ,通常不是一个传感 硬件线性、 非线性和漂移以及环境影响因素引起的器而是多个传感器系统配备一个处理器 ,且该系统 信号失真 ,以最佳地恢复被测信号计算方法用软处理器配备网络接口 件实现 ,达到软件补偿硬件缺陷的目的 目前 ,智能传感器尚没有标准化的科学定义 2) 自计算和处理功能 归纳诸多学者的观点 ,笔者认为应模仿人的感官和 根据给定的间接测量和组合测量数学模型 ,智 大脑功能来定义智能传感器 本质上 ,它应定义为 能处理器利用补偿的数据可计算出不能直接测量的 基于人工智能理论 ,利用微处理器实现智能处理功 物理量数值 利用给定的统计模型可计算被测对象 能的传感器 201209240901014006 。