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1、现代传感器技术的必要性与发展趋势现代传感器技术的必要性与发展趋势班级：供电班级：供电 39133913姓名：王宇姓名：王宇学号：学号：4444现代传感器技术的必要性与发展趋势现代传感器技术的必要性与发展趋势摘要：随着科学技术的发展，传感器技术发展的趋势将是开发新材料与传感器智能化发展相结合。智能化传感器是传感器技术未来发展的主要方向。在今后的发展中,智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。对传感器与仪表进行改进，可以使电站效率和生产力均得以提高，是节约成本有效的途径，同时可增加电站的市场竞争力。关键字：传感器 发展 新材料 智能化 多功能正文：传感器材料是传感器技术
2、的重要基础, 是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的开发,为传感器的发展提供了物质基础。80 年代发展起来的智能化传感器是微电子技术、微型电子计算机技术与检测技术相结合的产物，具有测量、存贮、通信、控制等特点。智能化传感器一般主要由主传感器、辅助传感器及微机硬件系统三大部分构成。也就是说,智能化传感器是一种带有微处理器的传感器,它兼有检测判断和信息处理功能。一一 传感器技术发展的必要性传感器技术发展的必要性 每一个燃煤或核电站通常有约 5000 个过程传感器与仪表，分布在电厂各个角落，用
3、于监视电站各种运行系统或工艺流程。其中约有 1000 个传感器用于测量压力、温度、料位和流量，并用其来控制整个电站。对传感器与仪表进行改进，可以使电站效率和生产力均得以提高，是节约成本有效的途径，同时可增加电站的市场竞争力。许多燃煤电站逐渐从原来的带基本负荷运行转为带调峰负荷运行。这样电站的运行方式也应作相应改变，应对负荷作出快速响应，并应优化关键部件的使用寿命。另一方面，电站改变负荷越快，因燃烧所损耗的燃料就越少；但是负荷变化越快，在诸如锅炉过热器、再热器和集汽联箱，以及汽机转子等处的热应力就越大，其金属就极易疲劳。我国对电站的排放要求越来越严格。电站的排放控制十分复杂，优化控制可减少某些污
4、染物的排放。电站经济运行的必要性要求电站必须采用先进的控制系统硬件，具有如现代控制、智能控制等新的自动化功能的先进算法、先进的仪表，改进的终端执行元件和真正开放的系统结构。目前，用于如压力、料位、流量和温度测量过程仪表的基本传感器元件均是上世纪 50 年代的产物。唯一的改变大多只是增加了微处理器和诊断技术。电站采用 DCS 后，减少了运行成本，增加了电站运行的灵活性。但是由于目前所采用的传感器的弊端，使 DCS 的长处不能发挥得淋漓尽致，传感器成为电站控制和运行优化的瓶颈。这就造成了电站效率的损失和较高的维修成本。根据美国核电站的统计，电站的事故停机约 12%是由于过程传感器与仪表而造成。在
5、1224 个月期间，压力和差压传感器的漂移常高达全量程的 12%。若主汽流量测量值低于实际值的 1%，则会导致电站热率(燃料成本)增加 1%；相反，若是高 1%，则机组净负荷减少 1%。从 30 多个电站的统计数据表明，主汽流量测量的误差高达(35)%。确定锅炉应力的一种最直接和最精确的方法是在其关键部位安装应变传感器。但是，普通应变计在环境温度大于 540左右时，其可靠性并不能得到保证。此外，专用应变计的价格相当昂贵，也不能保障长期使用的可靠性。二二 现代传感器技术的发展及应用现代传感器技术的发展及应用目前所使用的传感器，校正相当费时费力，经济上很不合算。研究表明，目前的传感器技术已达其技术
6、极限。例如，压力变送器通过革新可能增加少许的精确度，但不能明显减少对其校正的频繁性要求，同时也不能消除其基本的故障模式。为了明显地改进过程测量，迫切需要没有当前设计所存在的内在限制的新型传感器技术。1. 光纤测量技术的发展及应用光纤测量技术具有分散测量的能力。对光纤的测量值进行滤波或输出处理后，一根光纤整个长度均可作为一个传感器，可提供优于点测量的断面测量。此外，光纤传感器还具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁场干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”干扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等优点
7、。此外，光纤可实现的传感信息量很广。如光导纤维本身就对压力和应变力极为敏感，这意味着光纤可同时作为压力、温度和应力传感器而使用。目前，一些工业先进国家已将光纤用于测量磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压、传象和某些化学量等。光纤分布式温度传感器最大优点之一，是能经济地实现对大量地点的温度监视。国外正逐渐将它用于对电站关键部件的温度监视。现在，国外光导纤维温度传感器业已进入商业化应用阶段。如日本 Wakamatsu 增压循环流化床电站已采用英国 York 传感器公司的DTS(分布光导纤维温度传感器)测量气体清洁过滤器的热点表面温度，采用长约 4km 特殊设计的高温光
8、导纤维作为温度传感器。其光纤传感器沿过滤器钢板表面敷设，每 2min 可测量约 3000 点温度值，常规点式温度传感器不可能做到。DTS 用光电元件测量出沿光纤整段长度的温度信号值，并实现连续刷新。DTS 是唯一能够测量长距离温度的有效且经济的手段，这是固定点式温度测量装置所不能比拟的。运行人员可在控制室内通过 CRT 屏幕观察温度变化情况，并可在设备温度恶化时作出相应操作。另外，DTS 有抗 EMI(电磁干扰)的能力。这是因为在数据从传感器传送至控制室时采用了光缆，不存在电流信号。因此，DTS 特别适合于在电站等有许多电磁或射频干扰的恶劣环境中使用。2. 红外测量技术的应用红外光不能引起视觉
9、，但有显著的热效应，且具有一定穿透力。利用其特有的热效应及穿透力而开发的热图像红外传感器，可工作于室温，其灵敏度与波长无关。可用于检查金属、非金属等热处理和加工工序，也可用于监视轴承发热情况并对其进行热分析，对重要设备如发电机、汽轮机等进行非破坏性检查等。如国外一些电厂已采用美国 Flirthermography 公司的红外摄像机、红外辐射测温计、红外辐射热成像仪及其系列处理软件等产品对高压带电设备的热故障、锅炉水冷壁管缺陷、锅炉汽包水位、发电机定子线棒接头焊接质量等进行测量、检测和诊断。此外，红外传感器也广泛应用于军事上，如夜视镜、红外制导、响尾蛇空对空及空对地导弹等。3. 其他先进测量技术
10、的发展化学成分如 CO、CO2、NOX 和 SO2 等，均具有特定波长，因此可以用分光器技术进行测量，一表多用，如德国 SICK/MAIHAK 公司的烟气排放连续监测系统 CEM 就采用了该技术。利用多普勒频变效应对被测对象进行远距离或近距离非接触式运动速度和间距进行精确测量，工业上有多普勒超声流量计应用的实例，多普勒雷达在气象、宇宙探索和军事等方面也在进一步得到广泛应用。美国目前也还在进一步研究微波和磁谐振映像技术，可以用于诸如星际空间探索中对星球外貌等的探测。许多这些新兴技术对电磁干扰和射频干扰本身也具有一定免疫力。三三 传感技术的发展方向传感技术的发展方向当今传感器技术的主要发展动向：开
11、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。(1)(1)发现并利用新现象与新效应发现并利用新现象与新效应研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。据报道，美国国立实验室的研究人员正在研制变色传感器，当存在目标物质时传感器由蓝色变成红色。参照细胞膜的模型，可针对一种特定的生物目标设计传感器。一旦识别出目标物质，膜将由蓝色变成红色，提示有目标物质存在。(2)(2)利用新材料利用新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们
12、可制造出各种新型传感器。目前人们已在采用硅或金属和非金属合成的化合物半导体等敏感材料、陶瓷材料、非晶化或薄膜化磁性材料和智能材料(包括生物体材料、形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物等)等来研制传感器。例如：等离子聚合法聚苯乙烯薄膜湿度传感器测湿范围宽、使用温度范围可达-400+1500、响应速度快(小于 1s)，且其尺寸小，可用于小空间测湿。例如,根据以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化,以及半导体光热探测器具有灵敏度高、精度高、非接触性等特点,发展红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器;在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原
13、料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器。此外,高分子有机敏感材料,是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。美国 NRC 公司已开发出纳米 ZrO2 气体传感器,控制机动车辆尾气的排放,对净化环境效果很好,应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器,具有庞大的界面,能提供大量的气体通道,而且导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展，随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。(3
14、)(3)微型化、量子化拓广微型化、量子化拓广采用微细加工技术(包括离子束、电子束、分子束、激光束、化学刻蚀等微电子加工技术)制造各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，利用溅射薄膜工艺制成压力传感器等。此外，传感器的检测极限正在迅速延伸，如利用约瑟夫逊效应研制的热噪声温度计和SQOTO 磁传感器，可测出 0.00001K 的低温和 1/1011 的微弱场强。(4)(4)向集成化、多功能化、多维化与数据融合、系统化方向发展向集成化、多功能化、多维化与数据融合、系统化方向发展随着半导体技术的发展，现在已经将原先分开的敏感元件与信号处理以及电源
15、部分制作在同一基片上，从而使检测及信号处理一体化、集成化，便于提高生产率。如利用光电转换原理组成网状阵列，将电信号转换成光学图像的显示器件。为了进一步简化，现在已经出现了多功能传感器，使一种传感器可以同时测量多种参数或具有多种功能。如美国单片硅多维力传感器(3 个线速度、3 个离心加速度、3 个角加速度)；温、气、湿三功能陶瓷传感器；多种离子或气体传感器等。数据融合技术是指建立在多个测试参数、多个数据信息进行综合处理的基础上而实现的数据融合，广泛应用于系统工程中。多维传感、智能传感、光信息传感等，必须构成复杂的传感系统。例如航空测量中已投入使用的侧视孔径合成雷达，就是通过多个传感器在计算机中形
16、成虚拟光学成象系统的一种新型传感系统的例子。(5)(5)向智能化发展向智能化发展随着微处理器芯片的发展，其性/价比逐渐提高，已广泛内置在各种传感器中，在此基础上再利用人工神经网、人工智能和先进信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能。传感器的智能化是一门现代综合技术，它把传感器变换、调理、采集、处理、存储、输出等多种功能集成一体，具有自校准、自补偿、自诊断、自动量程、人机对话、数据自动采集存储与处理等能力，又具有分析、判断、自适应、自学习等功能，大大提高了传感器的测量精确度和方便性，从而可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。例如美国霍尼尔公司的 ST - 3000 型传感器,是一种能够进行检测和信号处理的智能传感器,具有微处理器和存贮器功能,可测量差压、静压及温度等。又如一典型智能化压力传感器,其中主传感器为压力传感器,它的作用是用来测量被测压力参数的。20 多年来,智能化传感器有了很大的发展。近年来,智能化传感器开始同人工智能相结合,创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术
