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