狗萌小主
范文一：传感器的技术与应用
传感器的技术与应用
摘要：传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，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。传感器技术是一门知识和技术密集型的新型学科，其实践性和应用性很强。如今，传感器正以令人瞩目的速度迅猛发展，应用也越来越广泛，作为新时代的技术型大学生更应该加强对传感器的学习，提高自己的动手能力，努力把自己培养成技能型创新人才。
关键词：传感器技术 传感器应用 军事发展
引言：传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。目前已广泛应用于国防科技、工农业生产及日常生活中，早已渗透到诸如工业生产，宇宙开发，海洋探测，环境保护，资源调查，医学诊断，生物工程，甚至文物保护等等极其之泛的领域中。传感器技术在发展经济，推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。
正文：
1. 传感器技术：下面着重介绍电感式传感器和电容式传感器
1.1电感式传感器：图1为螺管式自感传感器结构原理图：它由平均半径为 r 的螺管线圈衔铁和磁性套筒等组成 随着衔铁插入的深度的不同将引起线圈泄露路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。
图1 螺管式自感传感器原理图
根据磁路结构，磁通主要由两部分组成：沿轴向贯穿整个线圈后闭合的主磁通 m 和经衔铁侧面气隙闭合的侧磁通 s （漏磁通） 因气隙较大，故磁性材料的磁阻可忽略不计设衔铁处于图示位置 这时，线圈电流 I 产生的主磁通和主磁链分别为：
m=Iw R2u0/(l- la)
m=W m= IW2 R2u0/(l- la)
式中 l ， la 分别为线圈长度与衔铁插入深度；R 磁通作用半径，由衔铁半径ra 与端部空气隙大小而定 R=ra （1+ ），为修正系数，通过衔铁侧面与线圈交链，交链部分只是衔铁侧面遮盖部分的线圈 在线圈的轴向不同位置处，磁势IWx 是不同的，且交链到的线圈匝数也不一样 由图1，离线圈端面x 处的磁势为： Fx=IWx=IW x/l
根据两同心圆柱面磁极间的磁导计算公式，可得半径为 ra 的衔铁与内径为 D 的磁性套筒间的比磁导（单位长度的磁导）： G=2 0/﹒（D/2ra）
于是，微分单元磁导为 gdx,x 处的微分单元磁通为 d x=Fx gdx 此微分单元磁通匝链的线圈匝数为：
Wx=W x/l，故微分单元磁链：
D x=Wxd x=(IW2gx2)/(l2)dx
整个线圈的侧磁链：
s= d x=IW2 gla3 /3l2
整个线圈的总磁链为主磁链和侧磁链之和，即= m+ x=IW2[ R2u0/(l- la)+ gla3 /3l2] 线圈的电感量：
L= /I=W2[ R2u0/(l- la)+ gla3 /3l2]
由于传感器轴向气隙较大，存在磁通边缘效应，故可认为在衔铁移动的一定范围内主磁通近似不变这时，衔铁位移仅引起侧电感Ls 变化 传感器的灵敏度：
KH=dL/dla=dLs/dla=W2gla2 /l2=3Ls/la
式中， Ls=W2 gla3/3l2，为侧磁链引起的电感。
螺管式自感传感器有以下特点：
（1）由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度低，欲提高灵敏度，可提高ra/r 与 la/l，增加匝数，但受稳定性限制；
（2）从磁通分布看，只要满足主磁通不变与线圈绕组排列均匀的条件，可望得到较大的线性范围
1.2电容式传感器：电容式物位传感器就是利用被测介质（介电常数和介质面积）的变化影响电容变化的一种介质变化型和面积变化型电容式传感器。它分为电容式液位传感器和电容式料位传感器两种形式。
1.2.1电容式液位传感器：电容式液位传感器是利用被测介质液面变化影响传感器电容变化的一种介质变化型电容式传感器。图2是用于被测介质是非导 电物质时的电容式传感器。当被测液面高度发生变化时 , 两电极间的介电常数将随之发生变化 , 因而引起电容量的变化。
1.2.2：电容式料位传感器：
图3所示用电容传感器测固体块状、颗粒体及粉料料位的情况。由于固体摩攘力较大, 容易“滞流”, 所以一般不用双层电极。可用电极棒及容器壁组成的两极来测量非导电固体的料位, 或在电极外套以绝缘套管测量导电固体的料位。
图3
电容式传感器的特点：
电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、小功率、高阻抗、小的静电引力、本身发热影响很小, 成本很低等。
1.2.3电容式传感器的等效电路：
在大多数情况下 , 电容式传感器 , 可视为一个纯电容 , 若考虑到电容的损耗和电感效应时, 电容式传感器的等效电路并非是纯电容。如图4中Rp 为并联损耗电阻 , 它包括极板间的漏电损耗和极板间的介质损耗 , 这部分损耗通常在低频时较大 , 随着频率的增高 , 容抗减少 , 它的影响也减弱 , 串联Rs 电阻 包括导线 , 金属外壳及极板间的电阻损耗 , 这个值通常是很小的。环境温度及温度对Rs 将产生影响。电感L 由电容器的本身的电感及外部引线的电感组成 , 电容器本身的电感与其结构形式有关 , 引线电感则与图4引线的长度有关 , 引线越短, 电感越小。于是, 电容式传感器的总损耗系数为（实际电容的有功功率和无功功率之比 ）。
图4
由图4可以看出 , 等效电路是存在一个谐振频率 , 通常为几十兆赫 , 电容式传感器在谐振频率的作用下将不能正常工作 , 只有在谐振频率的1/2一2/3下才能正常工作。
2. 传感器技术的应用：
随着技术的发展，传感器应用范围越来越广泛，目前已广泛应用于国防科技、工农业生产及日常生活中，早已渗透到诸如工业生产，宇宙开发，海洋探测，环境保护，资源调查，医学诊断，生物工程，甚至文物保护等等极其之泛的领域中。
世界各国越来越重视发展传感器技术，尤其在军事方面的应用。美国国防部对传感器技术的发展极为重视, 德国视军用传感器技术为优先发展技术, 英、 法等国对传感器的开发投资逐年升级, 原苏联军事航天计划中的第 5条列有传感器技术。正是由于世界各国普遍重视, 传感器产业得到了迅速发展。近几年, 其产量及市场需求均以 10%以上的速度增长。目前世界上从事传感器研制生产的单位已增至5 000 余家。其中绝大部分集中在欧美及俄罗斯。专家认为, 一个国家军用传感器制造技术水平的高低, 决定了该国武器制造层次的高低, 决定了该国武器自动化程度的高低, 最终决定了该国武器性能的高低。
传感器在军事领域的应用当今传感器在军事上的应用极为广泛, 可以说无时不用, 无处不用。大到星体、 两弹、 飞机、 舰船、 坦克、 火炮等装备系统, 小到单兵作战装备; 从通信技侦系统到后勤保障系统; 从军事科学试验到军事装备工程; 从战场作战到战略、 战术指挥; 其应用遍及战争准备、 战争实施的每一个环节。传感器的应用扩大了未来高技术战争的作战时域、 空域和频域, 影响着作战的方式和效率, 提高了武器的威力和指挥的效率。例如用于陆军单兵作战的多功能电子设备。该装置包括各类MEMS 传感器及其测控系统, 主要有智能头盔(包括夜视仪、 红外/激光瞄准器等) 。该装置安装在士兵全身的各个部位, 能有效地提高士兵单兵作战能力, 预计在不远的将来逐步装备于各兵种, 用于单兵作战。例如红外探测器, 该装置装载于舰艇、 飞机及车辆等平台上, 用于夜间短、 中、 长距离战场红外识别系统, 还可用于机载、 车载和舰载前视红外( FLIR)系统、 机载红外大面积战场实况侦察、 红外搜索与跟踪等系统中。突出优点是以被动方式工作, 有利于抗干扰和隐蔽。
如美国某战斗机装备了新型的机载红外搜索与跟踪系统, 实现了全被动式搜索与跟踪, 不必用雷达, 提高了战斗机的隐身能力。例如传感器在某军用无人值守通信机房的远程监控系统当中的应用。在监控机房中, 数据的测量都要用到传感器:水浸传感器、 温度湿度传感器、 烟感、 直流电压传感器、交流电压传感器、 红外防盗传感器等。
3. 总结：如今传感器技术日新月异的发展中，对中国来说既是挑战又是机遇。在这场高新技术的竞争中，中国应该把握好机遇，大力研究发展传感器的新技术，新应用。作为当代大学生，我们更应该努力朝着应用型人才和创新型人才方面发展，不断提高自己的理论水平和动手实践能力，为国家的昌盛繁荣作出应有的贡献！
参考文献：（1） 贾伯年，俞朴。传感器技术[M].南京：东南大学出版社， 2006：
（2） 李邓化, 陈雯柏, 彭书华。智能传感技术。清华大学出版社，2011
（3） 王煜东。传感器及应用[M]。北京：机械工业出版社， 2005
（4） 张功铭, 赵复真。 新型传感器及传感器检测新技术。 中国计量出版社 2010
范文二：光纤传感技术在生活中的应用
在20世纪70年代之前～光纤传感很少出现在人们的生活中～并没有对我们
的生活造成一定的影响～但20世纪70年代以后光纤传感技术开始快速的被人们
研究并发展～开始对人们的生活造成很大的影响～在人们的日常生活中起着很重
要的作用。光纤传感器的特点是结构简单～精度高～灵敏度高～易于在多种环境
下实现～作为一种非常热门的技术出现在生活的应用当中。
关键词:光纤传感技术,应用,光纤传感器
Abstract: Before 1970s, the optical fiber sensing technology did not cause what impact on people's lives, but after the optical fiber sensing technology with its unique advantages of rapid development, and has great impact on people's lives, plays a very important role in people's daily life. The characteristics of optical fiber sensor is of simple structure, high precision. High sensitivity, easy to implement in a variety of environments, as one of the most popular technologies in life among applications. Key Words : Optical fiber sensing technology,application,Fiber sensor
引言
光纤传感技术的应用主要有两个方面为学术研究和工业领域。
光纤传感技术有两个主要的技术路线:分布式和准分布式。前者以基于OTDR
技术为主，后者以基于FBG及M-Z干涉仪技术为主。这两条路径可以监测温度、
应力、应变、振动、加速度和其他物理量。两者相比，分布式技术以安装简单易
于监控为主要优势，准分布式单点精度、低价格为主要优势。与传统的电子系统
相比较，该光纤系统具备稳定性好、安全性高、使用寿命长等优点。
现阶段最热门是分布式光纤振动探测技术，其主要应用在各种安防以及航空
领域。在个别细分市场已逐步取代激光辐射、电缆和振动电缆等技术的泄漏。然
而，由于需要一个稳定的宽带光源，成为了光纤传感技术的限制，使用的成本也
更加高昂，并在宽光谱范围的需要时，有一定程度的困难，很难实现，微结构光
纤和单纤维的融合结构稳定性难以保证。
1. 光纤传感器的基本理论
1.1 光纤传感器的原理
光纤传感器由光源、光调制器、出射光线、入射光纤、光探测器和解调器组合而成，其工作原理:入射光纤将光源发出的光导入调制区，在调制区里面，同一调制区的光信号的光频、偏振、光响应、相位变化和强度的参数进行调制，北侧的物理量通过光学探测器和紧急传输解调器被得到。根据原理的不同，光纤传感器被分为两种:一种是传感型传感器;一种是传光型传感器。在传光型传感器的传播过程中，光纤仅仅作为光传播的介质，只有借助其他元件才能“感觉”到外界信息，传光型传感器的光纤不具有连续性，敏感元件被设置在中间位置。目前传
[1]光型光纤传感主要应用于医学领域。
1.2 光纤传感器的分类
光纤传感器分为传感器和光传感器两种。
传感器(或功能型)光纤传感器的工作原理为:借助于外界因素改变光纤中光的波长(频率)、强度(振幅)、相位或偏振态，从而达到对外界因素进行计量和数据传输的目的。它具有信息采集和传输的特点和光纤传感器集成的特点。传
[2]光型光纤传感器的工作原理为:有光纤传输其他敏感源检测的的物理量。它的特点就是便于推广和应用和充分利用现有的传感器。这两类光纤传感器都可再分为相位调制、光强调制、波长调制和偏正态调制等几种形式。
2. 光纤传感器的优势特点
2.1 光纤传感器的优点
光纤传感器具有如下优势:
1. 安全绝缘耐腐蚀和抗电磁干扰。
由于其具有抗电磁干扰的特点，所以可以大大提高应用过程中的适应性。由于其耐腐蚀的特点，光纤传感器更能适应各种极端环境，减少了在使用中的消耗，增强了其使用寿命，节约了成本。综上所述，光纤传感器在性能及安全方面具有极大的优势。
2. 灵敏度高。
在位移、振动、旋转、压力、弯曲、应变等测量中，以其灵敏度高的特点，光纤传感器遥遥领先于传统传感器。因此，传统传感器在桥梁检测中的应用能够被光纤传感器所代替。
3. 重量轻，体积小，外形可变。
由于传统传感器不便携带，体积较大，外形可变能力有限，常常在测量中带来些许困扰。光纤传感器在设计上避免这些问题，在此后的实际测量中大大提高测量效率。
4. 测量对象广泛。
由于光纤传感器便于携带，体积较小，外形可变化的特点，更能适应各种被测物体。
5. 对被测介质影响小。
由于其抗电磁干扰，电绝缘的性能，在测量过程中，与被测介质基本无任何反应，大大降低了其影响。
6. 成本低。
20世纪70年代以来光纤传感技术的应用逐渐扩大，生活中更加普及，大的市场需求量导致了制造成本的降低。
3. 光纤传感技术在生活中的应用
3.1光纤传感技术在基础设施上的应用
3.1.1 桥梁监测的应用
目前，光纤光栅传感器也更多的应用在桥梁检测中，在桥梁建造的过程中，需要及时的桥梁进行检测以保证桥梁建造的质量这个步骤在桥梁的建造过程中起着至关重要的作用。为了达到健康监测桥梁结构的目的，光纤传感技术有如下功能:评定桥梁的最大荷载，预先检查的桥梁的性能设计，显示异常状态或行为并制定维修预案。
光纤光栅传感器安装于碳纤维筋的表面上，通过测量传感器的应变变化可以
[6]监测碳纤维筋的长期可靠性。由于碳纤维筋被预拉至8000με，在其服役期间将会出现应力释放的过程，从而使光纤光栅传感器处于压应力状态中。
漯河市在去年新建了一条解放路大桥，在光纤传感测量技术的帮助下，快速的完成了测量工作，并即时投入建设。
3.1.2铁路轨道监测上的应用
在铁路轨道监测过程当中，光纤布拉格光栅传感器也起着着非常重要的作用。如轴数、列车速度实时监测、列车重量和车轮不平衡的测量、列车识别等。与传统的电子测量仪器相比，光纤光栅传感器具有许多独特的优点，非常适合铁路轨道监测的应用。这些优点在于:
1. 抗电磁干扰。电气化铁路通过修建铁路高压线路为列车供电。这些高压线路会产生强烈的电磁干扰。传统的电传感器在强电磁场环境中工作很困难。 2. 可重用性。光纤可与多个光纤光栅好传感器串联连接 ，大大简化了安装工作，降低了安装成本。
3. 远程监测。光纤光栅在普通通信光纤内部被刻蚀，具有损耗小的优点。 4. 固有的自参考能力，无须校准。光纤光栅传感器所测量的应变信息与光纤光栅反射波长有关。光波长是一个独立物理参量，与光强无关。 光纤传感器安装在地铁轨道监测列车的响应时，火车通过。智能化铁轨就是嵌入了光纤布拉格光栅传感器的铁轨。光纤布拉格光栅传感器网络可以实现对列车位置、列车速度、列车重量等各种信息的实时监测。
3.2 光纤传感技术在医学上的应用
肿瘤是目前世界上一种非常严重的一病症，而现在这种病症又变得比较常见，其高发的死亡率让大家对于这个病几乎是“谈病色变”。目前治疗肿瘤的一种新兴手段是利用温度进行微波热疗，是一种无创伤、无痛苦、无毒副作用、安全有效的新疗法，微波热疗可有效弥补单纯手术、化疗和放疗的不足，能有效提高恶性肿瘤的治愈率和缓解率。
目前主要应用范畴:
1.单独局部热疗治疗恶性肿瘤
适应症:一些浅表性肿瘤，如乳腺癌、皮肤癌、头颈癌等;
a. 手术无法切除的残存肿瘤;
b. 晚期癌症的顽固性疼痛。
2.热疗与放疗合并应用
3.热疗与化疗药物合并应用
4.热疗合并放疗、化疗治疗恶性肿瘤
其主要原理是利用合适的温度杀死病变细胞的同时又不伤害正常细胞。在治疗过程中，正常组织细胞的温度一般在44摄氏度左右，而肿瘤的温度保持在43摄氏度以上的温度下，42摄氏度以上1摄氏度的温度之间的温度差会导致细胞
[5]存活率的变化，但是温度多高又会对正常组织细胞造成伤害，因此微波热疗的关键就是控制温度。
在微波治疗仪中安装的就是一种光纤传感器。
3.3光纤传感技术在管道泄漏监测系统中的应用
长期以来，管道的外壁难以实时监测，管道运输大多是在人烟稀少的荒野地区，周围环境相对较差，而管道直接在阳光下，容易造成局部温度过高，局部温度的过高则会导致管道的外壁发生泄漏，当管道泄漏的东西达到一定的浓度时，会引起火灾或者爆炸等的严重事故，这些事故的产生会对人们的生活环境造成污染，同时也会对社会经济带来极大的损失。
分布式光纤管道泄漏监测系统是针对输送管道工作状态的泄漏而进行的监测系统。因为在输送泄漏时，内部液体温度高于外部温度或液体到气体的过程中会降低管道的温度，通过实时监测环境温度参数对管道的温度和管道参数的影响，能够及时的报告实时变化的温度异常，以此来确定传输管道泄漏，结合光纤的光时域反射(通过散射光的返回时间精确定位温度点)确定泄漏点的实际物理位置;为确保管道全寿命周期内的安全运行提供基本的管理数据和科学依据，显著提高管道的整体管理水平，从而实现管道泄漏的早期检测和泄漏定位。
系统功能:
实时监测管道表面和管道接头温度，以直观的曲线形式显示温度，可以随时了解并检查当前管道运行监测情况。
报警设置。根据不同的环境，报警可以设置沿管道长度的分区，灵活设置任何级别的预警和报警值可以绝对温度报警，相对温度报警或温升率报警，有效避免事故的误报和漏报。
对管道的危险区域实现预先报警，可以提早排除故障，避免产生不良后果和造成
[7]重大损失。同时对管道的环境温度进行了监测，发现了其他原因引起的异常温度。
历史记录查询。收集到的数据形成数据库，有利于查询、历史数据的比较和分析为管理者提供依据。
监测系统温度数据和报警信号可上传至中控室，实现网络监控。
3.4光纤传感技术油罐/液化气罐光纤感温探测报警系统中的应用
石油化工储罐区大多是在人烟稀少的荒野地区，周围环境相对较差，而油罐直接在阳光下暴晒，容易造成局部温度过高，甚至随着石油和天然气发挥到一定浓度，导致火灾的发生。长期以来，由于油罐本身的是一种高危险产品——各种油品，而油罐位于荒野地区，管壁温度难以实时监测。传统的温度传感火灾监测系统难以保证其可靠性和实时性。所以，近年来诸多储罐地区发生了多起火灾事故，造成了巨大的经济损失。
油罐光纤温度监测系统是测量油罐上一些比较重要地方的温度系统。在储罐顶板和墙面有一定范围(一般为3米距离)分布的安装有高温响应的光纤光栅温
[8]度传感探头，实现对油罐/液化气罐等的实时温度监测和火灾自动报警。具有实时电子地图显示，分析现场温度功能，并能多级报警、历史记录、报表分析等功能，确保油罐全寿命周期内的安全运营提供基础管理数据及科学依据，显著提高油罐整体管理水平，从而实现早期检测和预测风险。
光纤光栅感温火灾探测系统主要由光纤光栅温度传感器、光纤传感分析仪、信号传输光缆和自动报警软件系统等组成。光纤光栅温度传感探头与抗静电光纤尾纤串联连接形成链，最后汇聚成多芯光纤，光纤传感分析仪连接到遥控室。
4. 光纤传感技术的发展
经过三十多年的技术沉淀及市场发展，我国光纤传感技术市场产业化格局已基本形成。从原来单一的技术和产品推广逐渐走向成熟的解决方案，在产品类型、工艺质量和项目实施服务等方面逐步完善，行业规范和标准也逐步形成，市场接
[9]受度稳步提升。许多中小高新技术企业的先进技术和市场正在形成，并促进中国的光纤传感技术的快速发展。
范文三：光纤传感技术的发展及应用
光纤与电缆及其应用技术2007年第3期No.3
