第一篇：光纖傳感(教案)（范文模版）

第一章 光纖傳感器

1.1 概論

1.1.1 光纖傳感器技術(shù)的形成及其特點

（1）來源

上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)，是傳感器技術(shù)的新成就。

最早用于光通信技術(shù)中。在實際光通信過程中發(fā)現(xiàn)，光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如：壓力、溫度、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，將引起光纖傳輸?shù)墓獠浚绻鈴姟⑾辔弧㈩l率、偏振態(tài)等變化。

（2）特點

靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗電量少、耐腐蝕、絕緣性好、光路可彎曲，以及便于實現(xiàn)遙測等。

1.1.1 光纖傳感器的組成與分類

（1）組成

光纖、光源、探測器

（2）分類：一般分為兩大類

功能型傳感器：利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器。

只能用單模光纖構(gòu)成。

傳光型傳感器：光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。主要由多模光纖構(gòu)成。

（a）功能型

（b）傳光型

圖1-1 光纖類型

根據(jù)對光調(diào)制的手段不同，光纖傳感器分為：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、頻率調(diào)制型、偏振調(diào)制型和波長調(diào)制型等。

根據(jù)被測參量的不同，光纖傳感器又可分為位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動、應(yīng)變、電壓、電流、磁場、化學(xué)量、生物量等各種光纖傳感器。

舉例：

功能型：測溫等

傳光型：光纖血流計 1.2 光導(dǎo)纖維以及光在其中的傳輸

1.2.1 光導(dǎo)纖維及其傳光原理

(1)芯子：直徑只有幾十個微米；芯子的外面有一圈包層，其外徑約為：100－200?m(2)數(shù)值孔徑：NA?sin?max?n12?n22

(3)光纖（或激光）的模：包括橫模和縱模

激光的橫模：光束在諧振腔的兩個反射鏡之間來回反射將形成各種光程差的光波存在，這些光波的相互干涉可能使振動加強或減弱。但是只有那些加強的光波才有可能產(chǎn)生振蕩。顯而易見，這些光波的位相差??必須是2?的整數(shù)倍，即

???2?N??

—光波在諧振腔中經(jīng)過一個來回時的位相差。同時又知道：

2nL

????

L—諧振腔的長度； n—腔內(nèi)介質(zhì)的折射率；

?—激光波長。

根據(jù)上面兩個式子得出符合諧振條件的光波波長為

?N?

或諧振頻率為

?N?Nc2nL2nLN

激光的縱模：原則上諧振腔內(nèi)可以有無限多個諧振頻率，每一種諧振頻率代表一種振蕩方式，成為一個模式。對軸向穩(wěn)定的光場分布模式通常稱為軸模或縱模。

光纖的縱模：沿著芯子傳輸?shù)墓猓梢苑纸鉃檠剌S向與沿界面?zhèn)鬏數(shù)膬煞N平面波成分。因為沿截面?zhèn)鬏數(shù)钠矫娌ㄊ窃谛咀优c包層的界面處全反射的，所以，每一往復(fù)傳輸?shù)南辔蛔兓??整數(shù)倍時，就可以在界面內(nèi)形成駐波。像這樣的駐波光線組又稱為“模”。“模”只能離散地存在。就是說，光導(dǎo)纖維內(nèi)只能存在特定數(shù)目的“模”傳輸光波。如果用歸一化頻率?表達(dá)這些傳輸模的總數(shù)，其值一般在?22—?24之間。歸一化頻率

??2?aNA?

能夠傳輸較大?值的光纖成為多模光纖；僅能傳輸?小于2.41的光纖稱為單模光纖。二者都稱為普通光纖。?越小，越容易實現(xiàn)單模。1.3 光纖傳感器對光源的要求

1.3.1 對光源的要求

（1）由于光纖傳感器結(jié)構(gòu)有限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合；

（2）光源要有足夠的亮度；

（3）光波長適合，以減少傳輸損耗；

（4）光源工作時穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長期工作；

（5）便于維修，使用方便。

1.3.2 光源的種類

光纖傳感器使用的光源分為相干光源和非相干光源兩大類。

常用的相干光源有：半導(dǎo)體激光器、氦氖激光器和固體激光器等。

常用的非相干光源有：白熾光源、發(fā)光二極管。

1.4 光纖傳感器用光探測器

1.4.1 光纖傳感器對光探測器的要求

一般要求如下：

（1）線性好，按比例地將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

（2）靈敏度高，能敏感微小的輸入光信號，并輸出較大的電信號；（3）響應(yīng)頻帶寬、響應(yīng)速度快，動態(tài)特性好；（4）性能穩(wěn)定，噪聲小等。

1.4.2 光纖傳感器常用的光探測器

在光纖傳感器中常用的光探測器大多是光電式傳感器（也稱光電器件）。光電式傳感器所應(yīng)用的效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光磁電效應(yīng)。

光纖傳感器常用的光探測器有：（1）光敏二極管、光電倍增管。

它們的特點是響應(yīng)速度較快，一般只需要幾個納秒。

一般只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。（2）光敏電阻

它是利用光電導(dǎo)效應(yīng)：即當(dāng)光照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時，透入內(nèi)部的光子能量足夠大，半導(dǎo)體材料中一些電子吸收了光子的能量，從原來束縛狀態(tài)變成為能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，這時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，也就是電阻值下降。

（3）光電池

利用光生伏特效應(yīng)，直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，它是一個大面積的pn結(jié)。

1.5 光調(diào)制技術(shù)

光纖傳感器也利用光調(diào)制技術(shù)。按照調(diào)制方式分類，光調(diào)制可以分為強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長調(diào)制等。所有這些調(diào)制過程都可以歸結(jié)為將一個攜帶信息的信號疊加到光在波上。而能完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。1.5.1 相位調(diào)制與干涉測量

相位調(diào)制常與干涉測量技術(shù)并用，構(gòu)成相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器。

其基本原理是通過被測物理量的作用，使某段單模光纖內(nèi)傳播的光波發(fā)生相位變化。

實現(xiàn)干涉測量的常用干涉儀主要有四種：邁克耳遜干涉儀、馬赫—澤德干涉儀、賽格納克干涉儀和法布里—珀羅干涉儀。

光學(xué)干涉儀的共同特點是它們的相干光在空氣中傳播，由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，引起空氣的折射擾動及聲波干擾。這種影響就會導(dǎo)致空氣光程的變化，從而引起測量工作不穩(wěn)定，以致準(zhǔn)確度降低。利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除上述影響，并可以克服光路加長時對相干長度的嚴(yán)格限制，從而可以制造出千米量級光路長度的干涉儀。

圖1-2 3db耦合器

當(dāng)一真空中波長為?0的光入射到長度為L的光纖時，若以其入射端面為基準(zhǔn)，則出射光的相位為

??2?L/?0?K0nL

式中，K0為光在真空中的傳播常數(shù)；n為纖芯折射率。

由此可見，纖芯折射率的變化和光纖長度L的變化都會導(dǎo)致光相位的變化，即

???K0(?nL??Ln)

3dB耦合器：

如圖所示，圓圈內(nèi)的兩股光纖是融合到一起的，所以輸入為1，輸出就為0.5，故稱為3dB耦合器。

?10lgP1P0??10lg0.5P0P0?3.01

1.5.2 頻率調(diào)制

光纖傳感中的相位調(diào)制（或強度調(diào)制、偏振調(diào)制）是通過改變光纖本身的內(nèi)部性能來達(dá)到調(diào)制的目的，通常稱為內(nèi)調(diào)制。而頻率（或波長調(diào)制），基本上不是以改變光纖的特性來實現(xiàn)調(diào)制。因此，在這種調(diào)制中光纖往往只起著傳輸光信號的作用，而不是作為敏感元件。

一、光學(xué)多普勒頻移原理

（1）相對論多普勒頻移基本公式

光學(xué)中的多普勒現(xiàn)象是指由于觀察者和目標(biāo)的相對運動，使觀察者接受的光波頻率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。

f1?f1??v/c??2?12?1??v/c?cos???f?1??v/c?cos??

式中，c為真空中的光速；?為物體至光源方向與物體運動方向的夾角。

上述公式是相對論多普勒頻移的基本公式。但是，一般最關(guān)心的還是物體所散射的光的頻移，而光源與觀察者是相對靜止的。對于這種情況，可以作為雙重多普勒來 考慮。

圖1-3 多普勒頻移

當(dāng)物體相對于光源以速度v運動時，在P點所觀察到的光頻率為上面公式：

f1?f1??v/c??2?12?1??v/c?cos???f?1??v/c?cos?1?

在Q處觀察到的光頻率f2為

f2?f1?1??v/c?由于v＜＜c，所以上式寫成

f2?f2?12?1??v/c?cos???f?1??v/c?cos?2?

?1?(v/c)cos?1?cos?2?

二、光纖多普勒技術(shù)

利用光纖多普勒頻移原理，利用光纖傳光功能組成測量系統(tǒng)，可用于普通光學(xué)多普勒測量裝置不能安裝的一些特殊場合，如密封容器中流速的測量和生物體中液體的測量。

1.6 光纖位移傳感器

一、簡單的光纖開關(guān)、定位裝置

最簡單的位移測量時采用各種光開光裝置進(jìn)行的，即利用光纖中光強度的跳變來測出各種移動物體的極端位置，如定位、技術(shù)，或者是判斷某種情況。測量精度最低，它只反映極限位置的變化，其輸出是跳變的信號。

圖1-4 簡單的光纖開關(guān)、定位裝置

（a）計數(shù)裝置；（b）編碼器裝置；（3）定位裝置；（4）液位控制裝置

二、移動球鏡光學(xué)開關(guān)傳感器

圖1-5所示為一種移動球鏡位移傳感器原理圖，這是一種高靈敏度面位移檢測裝置。當(dāng)球透鏡在平衡位置時，從兩個接收光纖得到的光強I1和I2是相同的。如果球透鏡在垂直于光路方向上產(chǎn)生微小的位移，兩光強將發(fā)生變化。光強比值I1I2的對比數(shù)值與球透鏡位移量x呈線性關(guān)系，而光強的比值I1I2與初始光強無關(guān)。即：

lgI1I2?kx

圖1-5 移動球鏡位移傳感器原理圖

三、光纖自動測位裝置

圖1-6所示是用光纖傳感器檢測位置偏差的自動測位裝置見圖。被測工件在傳送帶上移動，兩組光纖傳感器的視場分別對準(zhǔn)工件的兩個邊緣，測量工件邊緣影響位置的變化。

第二篇：光纖傳感實驗報告

光纖傳感實驗報告

１、基礎(chǔ)理論 1 1、1 1 光纖光柵溫度傳感器原理

1、１、1 光纖光柵溫度傳感原理 光纖光柵得反射或者透射峰得波長與光柵得折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有關(guān),而外界溫度得變化會影響光纖光柵得折射率調(diào)制周期與纖芯折射率，從而引起光纖光柵得反射或透射峰波長得變化,這就是光纖光柵溫度傳感器得基本工作原理.光纖 Bragg 光柵傳感就是通過對在光纖內(nèi)部寫入得光柵反射或透射 Brａｇg 波長光譜得檢測，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)得應(yīng)變與溫度得絕對測量。由耦合模理論可知，光纖光柵得 Bragｇ中心波長為

式中 Λ為光柵得周期;nｅff 為纖芯得有效折射率。外界溫度對 Bｒａgg 波長得影響就是由熱膨脹效應(yīng)與熱光效應(yīng)引起得。由公式(1）可知,Bｒagg 波長就是隨與而改變得。當(dāng)光柵所處得外界環(huán)境發(fā)生變化時,可能導(dǎo)致光纖光柵本身得溫度發(fā)生變化。由于光纖材料得熱光效應(yīng)，光柵得折射率會發(fā)生變化;由于熱脹冷縮效應(yīng)，光柵得周期也會發(fā)生變化，從而引起與得變化，最終導(dǎo)致 Brａｇg 光柵波長得漂移。

只考慮溫度對 Bragｇ波長得影響，在忽略波導(dǎo)效應(yīng)得條件下,光纖光柵得溫度靈敏度為

式中Ｆ為折射率溫度系數(shù);α 為光纖得線性熱膨脹系數(shù)；p１1 與 p12 為光彈常數(shù)。

由式（2)可知光纖光柵受到應(yīng)變作用或當(dāng)周圍溫度改變時，會使 n eｆf 與發(fā)生變化,從而引起Ｂｒａgg 波長得移動。通過測量Ｂrａｇg 波長得移動量,即可實現(xiàn)對外部溫度或應(yīng)變量得測量。

1、1、2 光纖光柵溫度傳感器得封裝 為滿足實際應(yīng)用得要求,在設(shè)計光纖光柵溫度傳感器得封裝方法時，要考慮以下因素:(1)封裝后得傳感器要具備良好得重復(fù)性與線性度;(2）必須給光纖光柵提供足夠得保護(hù),確保封裝結(jié)構(gòu)要有足夠得強度;(3）封裝結(jié)構(gòu)必須具備良好得穩(wěn)定性,以滿足長期使用得要求。為了能夠有效起到增敏作用一般采用合金、鋼、銅、鋁等熱膨脹系數(shù)大得材料對光纖光柵進(jìn)行封裝。

１、１、2、1 蝶形片封裝

1、1 蝶形片封裝 光纖預(yù)拉后兩頭用環(huán)氧樹脂固定在蝶形片上，中間光柵工作區(qū)懸在槽內(nèi),測量時將蝶形片固定在待測物體上。

1、1、2、2 套管封裝 套管分裝一類就是在套管內(nèi)填充環(huán)氧樹脂進(jìn)行溫度補償式分裝,另一類就是套管封裝。

1、２鋼管內(nèi)腔充滿環(huán)氧樹脂封裝

1、3 管式封裝 1、1、2、３其她封裝方式 考慮到待測物及增敏敏效果等其她因素，還有其她一些特殊封裝方式。

2、光纖光柵溫度傳感器得具體實驗 2 2、1 1 實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握光纖光柵溫度傳感器得基礎(chǔ)理論知識（２)驗證光纖光柵溫度傳感器相關(guān)理論（３)對比光纖光柵溫度傳感器在不同封裝情況下傳感效果（4)學(xué)會各類儀器得造作與使用（5)學(xué)會相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法 2 2、2 2 實驗器材

溫控箱、波長解調(diào)儀、兩只支光纖光柵傳感器(一支經(jīng)過增敏鍍膜處理)、相關(guān)軟件 2 2、2 2 實驗過程

2、1 實驗系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖(1）將各類器件按結(jié)構(gòu)圖連接好，將 Bｒaｇg 光柵溫度傳感器放入溫控箱內(nèi),檢查溫控箱氣密性。

(2)打開數(shù)據(jù)采集軟件、解調(diào)儀,檢查傳感器聯(lián)通情況。

(３)打開溫控箱電源進(jìn)行升溫實驗,溫度從 30°到 80°每次１0°遞增。

（4）溫控箱溫度恒定時記錄數(shù)據(jù)采集軟件相關(guān)數(shù)據(jù)。(記錄時間間隔 1－1000ms)（5)達(dá)到８0 攝氏度后，進(jìn)行降溫實驗,溫度從 80°到 3０°每次 1０°遞減．(6)溫控箱溫度恒定時記錄數(shù)據(jù)采集軟件相關(guān)數(shù)據(jù)。

(7）數(shù)據(jù)處理與分析 ２、３采集數(shù)據(jù)

（一)升溫

℃

4０ ℃

℃

℃

７0 ℃

℃

溫度:℃

波長:nm

１ 1３19、7852 1３19、８801 1319、９75 132０、0745 １32０、19 13２0、３４11 1 0 0、0949 0、1898 0、2８93 0、４０48 0、５５59 ２ １３2０、5314 1３20、６３９８ 1320、７45 13２０、8５7 1３20、975 １３21、１0１9 2 0 0、1084 0、21３６ 0、325６ 0、4436 ０、57０５（二）降溫

８0 ℃

℃

6０ ℃

５0 ℃

℃

3０ ℃1３20、3411 1３20、１9 1320、074５ １３1９、９７5 13１9、880１ １３19、７８52 1 0、5559 0、4048 0、2893 ０、１89８ 0、０９49 ０ 2 1321、１019 １320、９7５ 132０、85７ 1320、74５ 13２0、63９８ 13２０、531４ 2 0、570５ 0、4436 0、325６ 0、2１36 ０、1084 0 溫度:℃

波長:nm 2 2、2 兩種封裝光纖光柵升溫波長輸出對比

?２、4 4 實驗數(shù)據(jù) 分析

傳感器得靜態(tài)特性就是表示傳感器在被測輸入量得各個值處于穩(wěn)定狀態(tài)時得輸入一輸出關(guān)系.衡量傳感器靜態(tài)特性得主要技術(shù)指標(biāo)就是:線性度、靈敏度、遲滯與重復(fù)性。

2、4、１線性度 線性度又稱非線性,就是表征傳感器輸出一輸入校準(zhǔn)曲線與所選定得擬合直線之間吻合程度得指標(biāo)。通常用相對誤差來表示線性度,即

式中,△ｍａx 為輸出平均值與擬合直線間得最大偏差;為理論滿量程輸出.本次實驗采用最小二乘法直線法。2、４

正常封裝傳感器升溫波長2、4 正常封裝傳感器升溫波長增量圖

從圖中可以瞧出,正常封裝傳感器得靈敏度就是 S=0、０1０89，線性度=99、748%。2、5 5 增敏封裝傳感器升溫波長變化量圖

從圖中可以瞧出，增敏封裝傳感器得靈敏度就是 S＝0、０1１26，線性度=９9、693%。2、6 正常封裝傳感器降溫波長變化量圖

從圖中可以瞧出,增敏封裝傳感器得靈敏度就是 S＝0、01０66,線性度=９８、９０6％。

２、7 增敏封裝傳感器降溫波長變化量圖

從圖中可以瞧出,增敏封裝傳感器得靈敏度就是 S=０、01134,線性度=99、85２% 測量數(shù)據(jù)處理匯總表

升溫普通 升溫增敏 靈敏度提高 降溫普通 降溫增敏 靈敏度提高 靈敏度 ０、０10８９ 0、01126 3、398％ 0、01066 0、０1１34 6、379% 線性度 ９9、7５% 99、69%

98、9１% 9９、８5%

從表中可以可以瞧出增敏后傳感器靈敏度有明顯提高。

3、實驗結(jié)論 1、光纖光柵溫度傳感器有較好得溫度靈敏度;2、升溫時與降溫時靈敏度數(shù)據(jù)有差別； 3、通過實驗發(fā)現(xiàn)不同封裝與加工工藝對光纖光柵溫度傳感器對溫度得靈敏度有很大影響，增敏封裝后得光纖傳感器靈敏度提高比較明顯。2、3 兩種封裝光纖光柵降溫波長輸出對比

第三篇：光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了達(dá)到實時控制、精確管理、科學(xué)決策的目的，人們對事物的感知、控制的要求越來越高。在通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的帶動下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生，將成為繼計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)與移動通信之后的又一次信息革命。

這個學(xué)期，姜德生教授在學(xué)科導(dǎo)論中，給我們詳細(xì)的講解了光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)與應(yīng)用，包括物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，傳感網(wǎng)的分類，光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)。通過學(xué)科導(dǎo)論的學(xué)習(xí)，以及課后閱讀的關(guān)于光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)的知識，我對光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有了一個大概的了解，下面我就簡要的談一下我對光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識。

我國早在1999年就開始了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)——傳感網(wǎng)的研究。中科院在該將傳感網(wǎng)的研究列入了知識創(chuàng)新工程，啟動了傳感網(wǎng)的研究，只是由于當(dāng)時的條件，該研究僅限于特定用途的軍用傳感網(wǎng)。國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的真正興起，是源于溫家寶總理2009年8月在無錫視察中科院無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時，對該中心予以高度關(guān)注，指出：“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要盡早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術(shù)”，“在國家重大專項中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展，指出要盡快突破核心技術(shù)，把傳感技術(shù)和TD的發(fā)展結(jié)合起來，建設(shè)感知中國中心”。自此，物聯(lián)網(wǎng)在中國社會受到了極大關(guān)注，被列入國家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。下面我介紹光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容和應(yīng)用。

1、物聯(lián)網(wǎng)的研究內(nèi)容與難點

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)構(gòu)成主要包括四個層次：a、傳感網(wǎng)絡(luò)，它是由眾多傳感器節(jié)點組成的有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點密集部署在所關(guān)注的物或事物的內(nèi)部或周圍，實現(xiàn)對物的連接、感知和監(jiān)控；b、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)或者一些專用的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感網(wǎng)探測數(shù)據(jù)和控制信息的控制與分發(fā)；c、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，主要涉及數(shù)據(jù)的海量存儲與管理、云計算、數(shù)據(jù)模型表示和智能化處理等；d、用戶與應(yīng)用接口，包括計算機(jī)和手機(jī)等終端設(shè)備。在這四個層面上，物聯(lián)網(wǎng)的主要研究內(nèi)容是：（1）總體技術(shù)的研究；（2）研究如何建立物聯(lián)網(wǎng)的頂層架構(gòu)；（3）制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系；（4）引導(dǎo)和規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。

2、光纖傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

在物聯(lián)網(wǎng)中要用到各種各樣的大量的傳感器。傳感器可用于感知各種各樣的環(huán)境參數(shù)，如溫度、重力、光電、聲音、位移、振動等，為物聯(lián)網(wǎng)提供最原始的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過處理后為人們提供服務(wù)。

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感器迅速崛起，其集成了光纖技術(shù)、激光技術(shù)和光電探測等多領(lǐng)域所取得的巨大成就，以其體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸安全、集傳輸傳感合二為

一、便于構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等諸多優(yōu)點，在物聯(lián)網(wǎng)這一新技術(shù)革命的推動下，正在越來越廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，大有取代電子傳感器之勢。

光纖傳感系統(tǒng)主要由光源、傳輸光纖、探測器與信號處理部分等組成。光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖傳輸至傳感頭，當(dāng)光通過傳感頭時，根據(jù)光纖傳感器的設(shè)計不同，外部被測物理量對光的相位、強度、波長、偏振態(tài)等一個或多個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制信號光經(jīng)光纖傳輸至光電探測器后轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號處理后還原出被測物理量。

光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，就是把光纖傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種重大工程設(shè)施中，通過光纜連接，形成所謂“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)”，然后將此“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，構(gòu)成“光纖物感網(wǎng)”，即“光纖物聯(lián)網(wǎng)”。它與無線物聯(lián)網(wǎng)組合在一起，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在功能強大的中心計算機(jī)群，采集和存儲著物理的與虛擬的海量信息，通過分析處理與決策，完成從信息到知識、再到控制指揮的智能演化，進(jìn)而實現(xiàn)整合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，實施實時的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，從而提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。在這“智慧地球”的建設(shè)過程中，這種三纖合一的、新的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)將為之作出革命性的貢獻(xiàn)，從而使光纖技術(shù)的發(fā)展再一次邁向新的高峰。

第四篇：光纖光柵傳感方式的特征及優(yōu)點論文

1.引言

在對港口機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的監(jiān)測中，主要有基于電阻應(yīng)變電測技術(shù)的監(jiān)測方法和基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測方法，其配套設(shè)備、數(shù)據(jù)采集原理、系統(tǒng)框架都存在巨大的差異。

2.電測式監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)成應(yīng)變電測法的測量系統(tǒng)通常由應(yīng)變片、應(yīng)變儀、記錄儀及計算分析設(shè)備等部分組成。它的基本原理是:將應(yīng)變片按構(gòu)件的受力狀況，合理的固定在被測構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件受力變形時，應(yīng)變片的電阻值就發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻應(yīng)變儀將這種電阻值的變化測量出來，并換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號(電流或電壓)，用記錄儀器記錄此電信號，再作分析與處理。也可用分析設(shè)備或計算機(jī)按預(yù)定的要求直接接受模擬電信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到應(yīng)力、應(yīng)變值或其他物理量。基于電阻應(yīng)變電測技術(shù)的港機(jī)金屬結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)基本框架圖描述如下：

3.光纖光柵式監(jiān)測系統(tǒng)的基本構(gòu)成光纖光柵式結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備通常包括以下幾類:①光纖光柵應(yīng)變傳感器;②數(shù)據(jù)接收器;③光纖光柵解調(diào)器;④工控機(jī)(數(shù)據(jù)分析系統(tǒng));⑤無線局域網(wǎng)+遠(yuǎn)程主機(jī)等(如果需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，則還需要在采集器中集成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊)。綜合看來，基于光纖光柵傳感技術(shù)的港機(jī)金屬監(jiān)測方法系統(tǒng)一般框架圖可以描述如下:此系統(tǒng)中，光纖光柵傳感器直接埋入或粘貼在結(jié)構(gòu)的表面，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線全程信號采集(其中包括用于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位健康狀傳感器和用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的傳感器)，在結(jié)構(gòu)上合理布置的。再用多種復(fù)雜技術(shù)(時分，頻分和波分)對光信號進(jìn)行直接傳輸。從重大工程結(jié)構(gòu)上采集后的光信號，通過遠(yuǎn)程傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)浇】当O(jiān)測和損傷診斷中心。同時，可以在中心對數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。

4.兩種方式的比較

4．1傳感原理比較

①電阻應(yīng)變測試技術(shù)。電阻應(yīng)變測試技術(shù)，它是采用電阻應(yīng)變計(又稱電阻應(yīng)變片)作為傳感元件將構(gòu)件表面應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，然后用電阻應(yīng)變儀把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，經(jīng)放大并測量這種變化再用其他儀器記錄，由所測應(yīng)變換算出應(yīng)力。應(yīng)變片測量應(yīng)變的工作原理是基于金屬絲的電阻隨其機(jī)械形變而變化的一種特性。令金屬絲的長度為L，直徑為D，截面積為A，電阻率為，則金屬絲的電阻為:K與兩個因數(shù)有關(guān)，一個是電阻絲材料的泊松比，由電阻絲幾何尺寸改變引起，當(dāng)選定材料后，泊松比為常數(shù);另一個是電阻絲發(fā)生單位應(yīng)變引起的電阻率的改變，對大多數(shù)電阻絲而言也是一個常量。因此可以認(rèn)為是一個常數(shù)。由此可見，應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值呈線性關(guān)系。②光纖光柵傳感技術(shù)。如圖3所示，當(dāng)一束寬光譜光λ，經(jīng)過光纖Bragg光柵時，被光柵反射回一單色光λB，相當(dāng)于一個窄帶的反射鏡。反射光的中心波長λB與光柵的折射率變化周期Λ和纖芯有效折射率neff有關(guān)。光纖光柵的傳感與原理如圖4所示。光纖光柵的反射或透射波長主要取決于光柵周期改變量ΔΛ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個參數(shù)發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵波長的漂移，具體的關(guān)系式如下:由于光柵無論是拉伸還是壓縮，均會導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化。此外，光纖本身具有的彈光效應(yīng)決定了它的有效折射率neff必定隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，因此應(yīng)力應(yīng)變是所有反映光柵波長漂移的最直接外界因素，這就是光纖光柵材料可以制作成光纖應(yīng)變傳感器并檢測應(yīng)力應(yīng)變特性等基本物理參量的重要原因。試驗證明，采用光纖光柵溫度補償傳感器可以克服溫度對應(yīng)變測量的影響。

4.2傳感器的性能比較

①干擾問題。電阻式傳感器響應(yīng)輸出的電信號易受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁干擾等)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致傳感的準(zhǔn)確度、靈敏度、持久性的降低。光纖光柵傳感器的測量信息是波長編碼的，所以，光纖光柵傳感器不受光源的光強波動、光纖連接及耦合損耗、以及光波偏振態(tài)的變化等因素的影響，有較強的抗干擾能力;同時光纖光柵具有非傳導(dǎo)性，對被測介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點。

②分布性能及布線問題。電類傳感器大多為分離型器件，不易與復(fù)合物集成，沒有分布測量的能力，并且需要另外的信號傳輸載體，導(dǎo)致傳感器及引線的巨大增加，現(xiàn)場實施困難。光纖光柵傳感器在一根光纖中寫入多個光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，可實現(xiàn)分布式傳感。

③壽命問題。受光纖材料的影響，光纖傳感器存在抗外力能力弱的缺點，使用時需做好保護(hù)工作。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對其進(jìn)行封裝后才能使用。較為傳統(tǒng)的傳感組元和傳感技術(shù)如應(yīng)變片、加速度計、超聲設(shè)備等并不具備上述能力，但是隨著傳感器制作工藝的不斷精細(xì)化及其使用市場的擴(kuò)大化，此類傳感器的使用壽命正逐漸得到改善和加強。

④被測參量的多樣、多維性。基于波長調(diào)制的光纖光柵式傳感器，可以在統(tǒng)一的光纖介質(zhì)下，依據(jù)不同原理制作生產(chǎn)出光纖光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等。在此基礎(chǔ)下，信號的轉(zhuǎn)換處理程序較為便利。⑤配套設(shè)備設(shè)施。由圖1、2可知，電測式監(jiān)測系統(tǒng)除電阻式傳感器外，所需的設(shè)備有動態(tài)應(yīng)變解調(diào)儀、屏蔽電纜、若干條并接應(yīng)變片的電纜(有線情況下)等，而光纖光柵式監(jiān)測系統(tǒng)除光纖光柵式應(yīng)變傳感器外，還需要一條串接傳感器的光纖線及光纖光柵解調(diào)儀等基本設(shè)備。

5.結(jié)束語

結(jié)合上面的分析及描述，從傳感原理、傳感器性能以及監(jiān)測系統(tǒng)實用性和經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合比較，可以得出下表1的結(jié)論。從上面的分析看來，光纖光柵式傳感器在技術(shù)上整體優(yōu)于應(yīng)變電測式傳感器。逐漸成熟并發(fā)展的基于光纖光柵傳感技術(shù)的監(jiān)測方法克服了電類傳感器在檢測中出現(xiàn)的相關(guān)問題，可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳感監(jiān)測，且靈敏度也大大的提高，提升了整個監(jiān)測系統(tǒng)的工作品質(zhì)。光纖傳感技術(shù)特別是光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于大型港口起重機(jī)械領(lǐng)域，將為大型港口起重機(jī)械健康監(jiān)測和安全狀況評估注入新的活力，為起重機(jī)械長期在線健康監(jiān)測學(xué)科的發(fā)展帶來了契機(jī)。

第五篇：傳感論文

摘要：壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。下面是對壓力式傳感器的介紹。

Abstract: the pressure sensor is the most commonly used in industrial practice of a sensor,which is widely used in various industrial control environment, relating to the water conservancy and hydropower, railway transportation, intelligent building, production control, aerospace, military, petrochemical, oil, electricity, shipbuilding, machine tools, pipeline and other industries.The following is the introduction of pressure sensor.關(guān)鍵詞：壓力傳感器工作原理，應(yīng)用范圍以及發(fā)展方向.Key word: Pressure type msensor working principle, application range and development direction of online translation.一．應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用

力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計者設(shè)計，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

電阻應(yīng)變片的工作原理：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）S——導(dǎo)體的截面積（cm2）L——導(dǎo)體的長度（m）

我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情.二．陶瓷壓力式傳感器原理及應(yīng)用

抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋(閉橋)，由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標(biāo)準(zhǔn)的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸 陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

三．壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的 “居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用

現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。

壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛

壓電式傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)。科學(xué)家就是根據(jù)這個效應(yīng)研制出了壓力傳感器。

壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。因此對于從事現(xiàn)代測量與自動控制專業(yè)的技術(shù)人員必須了解和熟識國內(nèi)外壓力傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

四．壓力傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從世界范圍看壓力傳感器的發(fā)展動向主要有以下幾個方向。（一）光纖壓力傳感器

這是一類研究成果較多的傳感器,但投入實際領(lǐng)域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受壓力作用時的形變與反射光強度相關(guān)的特性,由硅框和金鉻薄膜組成的膜片結(jié)構(gòu)中間夾了一個硅光纖擋板,在有壓力的情況下,光線通過擋板的過程中會發(fā)生強度的改變,通過檢測這個微小的改變量,我們就能測得壓力的大小。這種敏感元件已被應(yīng)用與臨床醫(yī)學(xué),用來測擴(kuò)張冠狀動脈導(dǎo)管氣球內(nèi)的壓力。可預(yù)見這種壓力傳感器在顯微外科方面一定會有良好的發(fā)展前景。同時,在加工與健康保健方面,光纖傳感器也在快速發(fā)展。

（二）電容式真空壓力傳感器

E + H公司的電容式壓力傳感器是由一塊基片和厚度為0.8～2.8mm的氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成,其間用一個自熔焊接圓環(huán)釬焊在一起。該環(huán)具有隔離作用,不需要溫度補償,可以保持長期測量的可靠性和持久的精度。測量方法采用電容原理,基片上一電容CP 位于位移最大的膜片的中央,而另一參考電容CR 位于膜片的邊緣,由于邊緣很難產(chǎn)生位移,電容值不發(fā)生變化,CP 的變化則與施加的壓力變化有關(guān),膜片的位移和壓力之間的關(guān)系是線性的。遇到過載時,膜片貼在基片上不會被破壞,無負(fù)載時會立刻返回原位無任何滯后,過載量可以達(dá)到100 %,即使是破壞也不會泄漏任何污染介質(zhì)。因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

（三）耐高溫壓力傳感器

新型半導(dǎo)體材料碳化硅的出現(xiàn)使得單晶體的高溫傳感器的制作成為可能。實驗結(jié)果表明,在輸入電壓為5V ,被測壓力為6.9MPa 的條件下,23500 ℃時的滿量程輸出為44.66～20.03mV ,滿量程線度為20.17 % ,遲滯為0.17 %。在500 ℃條件下運行10h ,性能基本不變, 在100 ℃和500 ℃兩點的應(yīng)變溫度系數(shù)(TCGF), 分別為20.19 %/ ℃和-0.11 %/ ℃。這種傳感器的主要優(yōu)點是PN 結(jié)泄漏電流很小,沒有熱匹配問題以及升溫不產(chǎn)生塑性變型,可以批量加工。Rene 報導(dǎo)了使用單晶體n 型β-碳化硅材料制成的壓力傳感器,這種壓力傳感器工作溫度可達(dá)573K,耐輻射。

（四）硅微機(jī)械加工傳感器

在微機(jī)械加工技術(shù)逐漸完善的今天,硅微機(jī)械傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越多。而隨著微機(jī)械傳感器的體積越來越小,線度可以達(dá)到1～2mm ,可以放置在人體的重要器官中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

（五）具有自測試功能的壓力傳感器

為了降低調(diào)試與運行成本,Dirk De報導(dǎo)了一種具有自測試功能的壓阻、電容雙元件傳感器,它的自測試功能是根據(jù)熱驅(qū)動原理進(jìn)行的,該傳感器尺寸為1.2mm ×3mm ×0.5mm ,適用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[7 ]。(六)多維力傳感器

六維力傳感器的研究和應(yīng)用是多維力傳感器研究的熱點,現(xiàn)在國際上只有美、日等少數(shù)國家可以生產(chǎn)。在我國北京理工大學(xué)在跟蹤國外發(fā)展的基礎(chǔ)上,又開創(chuàng)性的研制出組合有壓電層的柔軟光學(xué)陣列觸覺,陣列密度為2438tactels/ cm2 ,力靈敏1g ,結(jié)構(gòu)柔性很好,能抓握和識別雞蛋和鋼球,現(xiàn)已用于機(jī)器人分選物品[8 ]。

五．壓力傳感器的發(fā)展趨勢

當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛,幾乎滲透到了各行各業(yè),但歸納起來主要有以下幾個趨勢:(1)小型化目前市場對小型壓力傳感器的需求越來越大,這種小型傳感器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下,并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù),對周圍的環(huán)境影響也很小,可以放置在人體的各個重要器官中收集資料,不影響人的正常生活。

(2)集成化壓力傳感器已經(jīng)越來越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過程控制和工廠自動化中可提高操作速度和效率。

(3)智能化由于集成化的出現(xiàn),在集成電路中可添加一些微處理器,使得傳感器具有自動補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。

(4)廣泛化壓力傳感器的另一個發(fā)展趨勢是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展,例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。

隨著硅、微機(jī)械加工技術(shù)、超大集成電路技術(shù)和材料制備與特性研究工作的進(jìn)展,使得壓力傳感器在光纖傳感器的批量生產(chǎn)、高溫硅壓阻及壓電結(jié)傳感器的應(yīng)用成為可能,在生物醫(yī)學(xué)、微型機(jī)械等領(lǐng)域,壓力傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

（1）《傳感檢測與測量儀器》 付濤主編 河南工業(yè)大學(xué)出版社

（2）《傳感器與檢測技術(shù)》 宋文緒，楊帆主編 第二版 高等教育出版社（3）《智能傳感器系統(tǒng)》 劉君華 西安電子科技大學(xué)出版社

河南機(jī)電高等專科學(xué)校

《電子測量與傳感器原理》大作業(yè)

題目：壓力式傳感器在工業(yè)方面的應(yīng)用

系 部 電子通信工程系 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級 應(yīng)電103 學(xué)生姓名 校付蘋 學(xué) 號 100415103

2012 年 月 20 日