傳感與檢測(cè)技術(shù)

分 數(shù): 任課教師簽字： 華北電力大學(xué)研究生結(jié)課作業(yè)學(xué)年學(xué)期：2013-2014第一學(xué)期名 稱：傳感與檢測(cè)技術(shù)學(xué)生姓名：張文正學(xué) 號(hào)：2132215061提交時(shí)間：2013年11月6日《傳感與檢測(cè)技術(shù)》結(jié)課報(bào)告一、 傳感與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀1、傳感器的現(xiàn)狀傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器產(chǎn)品的門(mén)類品種繁多，用于流程工業(yè)的主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、重量傳感器、流量傳感器、液位傳感器、氧敏傳感器,各種力敏傳感器、氣敏傳感器、分析儀表等，用于機(jī)械工業(yè)的還有：開(kāi)關(guān)類的接近/定位傳感器、安門(mén)開(kāi)關(guān)等安全傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、視覺(jué)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。目前國(guó)內(nèi)傳感器共分10大類，24小類，6000個(gè)品種。而國(guó)內(nèi)品種更多，如美國(guó)約有17000種傳感器，所以我國(guó)發(fā)展傳感器品種的領(lǐng)域很寬廣。中國(guó)傳感器的市場(chǎng)近幾年一直持續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度超過(guò)15%,2003年銷售額為186億元，同比增長(zhǎng)32.9%；而世界非軍用傳感器市場(chǎng)1998年為325億美元，平均增長(zhǎng)率為9%，預(yù)計(jì)2008年將增加到506億美元。2003年中國(guó)傳感器應(yīng)用四大領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)及汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品專用設(shè)備，其中工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品占市場(chǎng)份額的33.5%。由于改革開(kāi)放，我國(guó)巨大的市場(chǎng)，引來(lái)了各國(guó)廠商如西門(mén)子、橫河、霍尼韋爾、歐姆龍、邦納等公司，這為最終用戶和工業(yè)設(shè)備制造廠帶來(lái)了很大的便利，而國(guó)內(nèi)傳感器和檢測(cè)儀表生產(chǎn)雖有發(fā)展，但這遠(yuǎn)不能跟上形勢(shì)的要求。各國(guó)傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，美國(guó)約有1300家生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)傳感器的廠家，100多個(gè)研究院所和院校，日本有800家廠商。我國(guó)近年建立了傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研發(fā)基地，初步建立了敏感元件和傳感器產(chǎn)業(yè)，2000年總產(chǎn)量超過(guò)13億只，目前我國(guó)已有1688家從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)，其中從事MEMS研制生產(chǎn)的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和傳感器年總產(chǎn)量已達(dá)到20億只。傳感器技術(shù)包括敏感機(jī)理、敏感材料、工藝設(shè)備和計(jì)測(cè)技術(shù)四個(gè)方面，約有30多種技術(shù)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)發(fā)展很快，我國(guó)研發(fā)的力量尚需大量投入，特別要加強(qiáng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器的開(kāi)發(fā)、科研成果的轉(zhuǎn)化及傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，在我國(guó)更是迫在眉睫的問(wèn)題，在批量生產(chǎn)情況下，控制傳感器產(chǎn)品性能（主要是穩(wěn)定性、可靠性），使之合格率很高，就需要有先進(jìn)的制造工藝和自動(dòng)化水平很高的工藝設(shè)備，我國(guó)應(yīng)在開(kāi)發(fā)專用工藝設(shè)備上下功夫，解決傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的“瓶頸”問(wèn)題；在傳感器的應(yīng)用上，特別是新型傳感器的應(yīng)用上，還沒(méi)大力推廣，改革開(kāi)放創(chuàng)造了有利條件，各種工業(yè)設(shè)備應(yīng)用了先進(jìn)的傳感器，這擴(kuò)大了傳感器市場(chǎng)，也使我國(guó)新型傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化有了動(dòng)力。我國(guó)在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，應(yīng)該兼顧引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和自主創(chuàng)新兩方面。在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)中，可以提高自己的技術(shù)，同時(shí)也滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。如橫河公司最近發(fā)布的EJX多變量變送器，就是個(gè)可以考慮引進(jìn)技術(shù)的例子，它精度高（0.025%）、智能化程度高，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由于能把質(zhì)量流量、介質(zhì)壓力及導(dǎo)管堵塞、診斷、蒸氣伴熱診斷和孔板磨損情況等多種變量和信息經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給中央控制室；對(duì)保證生產(chǎn)和提供設(shè)備維護(hù)信息、保證安全運(yùn)行都很有利，這種新型變送器的發(fā)展，配合了自動(dòng)化系統(tǒng)管控一體化的變革，只有信息源頭能力強(qiáng)了，信息豐富了，才能使信息化更好促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。2、傳感器的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前技術(shù)水平下的傳感器系統(tǒng)正向著微小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。今后，隨著CAD技術(shù)、MEMS技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法的繼續(xù)向前發(fā)展，未來(lái)的傳感器系統(tǒng)必將變得更加微型化、綜合化、多功能化、智能化和系統(tǒng)化。在各種新興科學(xué)技術(shù)呈輻射狀廣泛滲透的當(dāng)今社會(huì)，作為現(xiàn)代科學(xué)“耳目”的傳感器系統(tǒng)，作為人們快速獲取、分析和利用有效信息的基礎(chǔ)，必將進(jìn)一步得到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。（一） 、利用新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象、效應(yīng)。傳感器本來(lái)就是基于一系列效應(yīng)制造出來(lái)的，目前應(yīng)用的效應(yīng)很多，比如壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)等等，還有一些效應(yīng)是我們未知的，等著我們?nèi)フJ(rèn)識(shí)；（二） 、采用高新技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)以及制造加工技術(shù)的發(fā)展，傳感器也進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，這些技術(shù)都是開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)傳感器的基礎(chǔ)。高科技含量的傳感器是未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)方向。（三） 、新材料的開(kāi)發(fā)。傳感器的感應(yīng)元件、傳感器保護(hù)的基礎(chǔ)都是各種材料，隨著人們對(duì)新材料性能的掌握，將大大促進(jìn)傳感器的發(fā)展。近年，廣泛應(yīng)用的材料有陶瓷、光纖、高分子有機(jī)材料等。（四） 不斷提高傳感器的性能。影響傳感器的性能因素很多，有系統(tǒng)的，還有檢測(cè)的。隨著檢測(cè)技術(shù)跟精密制造的發(fā)展，這方面也將得到大大提高。（五） 傳感器應(yīng)用的擴(kuò)展。物聯(lián)網(wǎng)的橫空出世，傳感器應(yīng)用也在不斷拓展。近些年，地震災(zāi)害、海嘯災(zāi)害、食品危機(jī)不斷，對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)，也是個(gè)挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)出各種傳感器檢測(cè)這些現(xiàn)象的發(fā)生，及早預(yù)警。（六） 傳感器的集成化和多功能化。以前的傳感器一般只能檢測(cè)一種物理量，一個(gè)系統(tǒng)光傳感器就需要很口?，F(xiàn)在，已經(jīng)出現(xiàn)了多功能和集成化的傳感器，比如溫濕度和檢測(cè)各種氣體的集成傳感器，這也將是以后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。（七） 微型與低功耗化。有些精密儀器或設(shè)備，體積本身就小，還需要接上各種傳感器進(jìn)行感知和控制，這也對(duì)傳感器提出了更高的要求。二、傳感器的分類與應(yīng)用根據(jù)各個(gè)傳感器的不同工作原理，結(jié)構(gòu)和材料的區(qū)別，可以將傳感器分為如下幾類：力學(xué)量傳感器、溫度傳感器、磁敏傳感器、光敏傳感器、光纖傳感器、氣，濕敏傳感器、離子敏，生物敏傳感器、壓電傳感器與SAW傳感器等。1）力學(xué)量傳感器又稱為力敏傳感器，其所實(shí)現(xiàn)的物理量的測(cè)量都與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)。包括以下三類：幾何學(xué)量，如位移、形變、長(zhǎng)度、距離、位置、尺寸（長(zhǎng)寬高）厚度、深度等有長(zhǎng)度量綱的量，以及角度、角位移等有角度量綱的量。運(yùn)動(dòng)學(xué)量，如速度、加速度、角加速度、是集合學(xué)量的時(shí)間函數(shù)。力學(xué)量，指質(zhì)量、力、力矩、應(yīng)力、壓力等狹義的力學(xué)量。力學(xué)量傳感器的種類繁多，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。而壓力傳感器是工業(yè)實(shí)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)2） 溫度傳感器溫度是一個(gè)狀態(tài)量，從超低溫到超高溫，測(cè)量范圍極寬，測(cè)量對(duì)象涉及到許多方面。溫度傳感器主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃油溫度以及催化溫度等。溫度用傳感器有熱電勢(shì)式測(cè)溫傳感器、金屬測(cè)溫電阻器和半導(dǎo)體溫度傳感器和集成溫度傳感器。3） 磁敏傳感器磁敏傳感器是伴隨著測(cè)磁儀器的進(jìn)步而逐漸發(fā)展起來(lái)的。在眾多的測(cè)磁方法中，大都將磁場(chǎng)信息變成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)磁儀器中“探頭”或“取樣裝置”就是磁敏傳感器。包括霍爾器件傳感器、磁阻元件傳感器、磁敏二極管和磁敏三極管。隨著信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、電力電子技術(shù)、辦公自動(dòng)化、家用電器、醫(yī)療儀器等的飛速發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，需要大量的傳感器將所測(cè)量和控制的非電參量轉(zhuǎn)換成可以與計(jì)算機(jī)兼容的電信號(hào)，作為輸入信號(hào)，這就給磁敏傳感器的快速發(fā)展提供了機(jī)遇和應(yīng)用渠道。4） 光敏傳感器光敏傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，其種類極多，包括光電導(dǎo)型傳感器、光電二極管、光敏晶體管、色敏傳感器、CCD圖像傳感器、紅外熱釋電式光敏器件等。它們共同的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，易于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，非常適于與計(jì)算機(jī)接口。光敏傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、航空、航天、廣播電視等許多領(lǐng)域。如果把計(jì)算機(jī)比喻為人的大腦，那么光敏傳感器則是人的眼鏡。5） 光纖傳感器按照光纖在傳感器中的應(yīng)用，把光纖傳感器系統(tǒng)分為功能型和非功能型兩種。光纖傳感器由于極高的靈敏度和精度，固有的安全性，良好的抗電磁場(chǎng)干擾能力，高絕緣強(qiáng)度以及耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的重視。在機(jī)械、電子儀器儀表、航空航天、石油、化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、電力、冶金、交通運(yùn)輸、輕紡、食品等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警以及軍事方面有著廣泛的應(yīng)用。6） 氣、濕敏傳感器氣、濕敏傳感器主要包括可燃性氣體傳感器、氧傳感器、化學(xué)傳感器以及濕度傳感器等。A.氣敏傳感器關(guān)于氣敏傳感器的應(yīng)用，其檢測(cè)對(duì)象主要包括三個(gè)方面：（1） 可燃性氣體造成的火災(zāi)或爆炸；（2） 有毒氣體造成的中毒；（3） 空氣中的惰性氣體含量過(guò)高造成的窒息。B.濕敏傳感器空氣的濕度對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類的生活有著密切的關(guān)系。濕度傳感器可以用于測(cè)量絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、比濕度和飽和度等。可用于檢測(cè)水質(zhì)（酸堿度、濁度、色度、PH值）、檢測(cè)水中的農(nóng)藥毒物，有害微生物和大氣中的有毒物質(zhì)。7） 離子敏、生物敏傳感器隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，離子敏傳感器在生物學(xué)、床醫(yī)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域要求快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)各種離子（如鉀、鈉、鈣氯、PH等）的活度顯得越來(lái)越重要。人們把用固定化的生物體成分（酶、抗原、抗體、激素）或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織）作為敏感元件所構(gòu)成的傳感器稱為生物敏傳感器。如今，生物敏傳感器已在醫(yī)學(xué)診斷、生物化工、發(fā)酵與食品工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制方面得到了相對(duì)成熟的應(yīng)用。8） 壓電傳感器與SAW傳感器a.壓電傳感器的壓電元件是利用材料的壓電效應(yīng)制成的，當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。其可應(yīng)用于力的測(cè)量（加速度）微觀過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)或性狀檢測(cè)（介電常數(shù)、電阻率、密度…），使用于電化學(xué)過(guò)程（可達(dá)到ng質(zhì)量）、生物醫(yī)學(xué)以及有機(jī)化學(xué)。b.聲表面波SAW是在任何固體上都會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，在IDT發(fā)明之后，大大加速了聲表面波技術(shù)的研究，使SAW技術(shù)逐漸發(fā)展成一門(mén)新興的聲學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科?，F(xiàn)在SAW技術(shù)已經(jīng)在地震學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域取得了迅速發(fā)展，并在雷達(dá)、衛(wèi)星、彩電、計(jì)算機(jī)等電子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。三、關(guān)于光纖傳感器的調(diào)研光纖傳感器由于極高的靈敏度和精度，固有的安全性，良好的抗電磁場(chǎng)干擾能力，高絕緣強(qiáng)度以及耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬屏帶等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛的重視。在機(jī)械、電子儀器儀表、航空航天、石油、化工、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、電力、冶金、交通運(yùn)輸、輕紡、食品等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制、在線監(jiān)測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警、以及軍事方面有著廣泛的應(yīng)用。通常，按照光纖在傳感器中的應(yīng)用，把光纖傳感器系統(tǒng)分為兩種類型：功能型（或稱傳感型、探測(cè)型）和非功能型（或稱傳光型、結(jié)構(gòu)型、強(qiáng)度型、混合型）。1）在功能型光纖傳感器中，光纖不僅起傳光作用，有事敏感元件，即光纖本身同時(shí)具有“傳”與“感”兩種功能。功能型光纖傳感器是利用光線本身的傳輸特性受被測(cè)量的作用而發(fā)生變化，使光纖中波導(dǎo)光的屬性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）被調(diào)制這一特點(diǎn)，而構(gòu)成的一類傳感器。其中有光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。圖1功能型傳感器的工作方式此類傳感器的產(chǎn)品實(shí)例：A.光線壓力傳感器，如圖2所示。壓力V可拖動(dòng)濫光活動(dòng)板光源壓力V可拖動(dòng)濫光活動(dòng)板光源圖2光線壓力傳感器其原理是利用光線的微彎損耗效應(yīng)。微彎損耗效應(yīng)是光線中的一種特殊的光學(xué)現(xiàn)象，它的主要敏感元件是一對(duì)齒形波紋板和一根光纖，光纖穿過(guò)波紋板夾縫，在波紋板感受壓力P的作用下而產(chǎn)生微小位移時(shí)，波紋板中間的光纖便處于微變效應(yīng)狀態(tài)。微彎產(chǎn)生，傳輸損耗發(fā)生，其變化量與壓力有關(guān)。壓力越大，光纖變形彎曲越大，光損耗越大。因此可用其輸出光照度變化量來(lái)確定感受壓力的變化量?？梢?jiàn)光纖不僅傳光，而且還能感受到被測(cè)壓力的變化。這種傳感器不僅可以檢測(cè)壓力。也可測(cè)量微位移、應(yīng)變等參量。因此稱之為結(jié)構(gòu)型傳感器。光纖壓力傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出壓力的變化，并且安全性好，適用于一些有害、易燃、易爆液體壓力的測(cè)定，也可為醫(yī)用原始設(shè)備制造商設(shè)備設(shè)計(jì)，非凡的測(cè)量性能非常適合血管、子宮或顱腔的壓力監(jiān)測(cè)。B.光纖位移傳感器反射式光強(qiáng)調(diào)制測(cè)量位移由光纖輸出的光照射到反射面上發(fā)生反射，其中一部分反射光返回光纖，測(cè)出反射光的光強(qiáng)，就能確定反射面位移情況。這種傳感器可使用兩根光纖，分別作傳輸發(fā)射光及接收光用；也可以用一根光纖同時(shí)承擔(dān)兩種功能。為增加光通量可采用光纖束，此方法測(cè)量范圍在9mm以內(nèi)，其光強(qiáng)調(diào)制的示意如下圖所示。

圖4光纖位移傳感器測(cè)量曲線圖4光纖位移傳感器測(cè)量曲線2）非功能型光學(xué)傳感器中，光纖不是敏感元件。它是在光纖的端面或在光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件來(lái)感受被測(cè)量的變化。在這種情況下，光纖只是作為傳輸光信息的通道。將光束傳輸?shù)焦怆娫蜋z測(cè)電路，被測(cè)對(duì)象的“感覺(jué)”功能則依靠其他敏感元件來(lái)完成。如圖5所示。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)；比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：靈敏度較低。此類傳感器的產(chǎn)品實(shí)例：A.光纖報(bào)警器，如圖6所示。圖6光纖報(bào)警器其原理是當(dāng)水銀柱尚未升到預(yù)定的報(bào)警溫度限時(shí)，由光源來(lái)的光能通過(guò)溫度計(jì)而達(dá)到與之對(duì)應(yīng)的光纖，當(dāng)水銀柱升到預(yù)定的報(bào)警溫度限時(shí)，由于水銀柱的上升擋住了光纖通道的光，由信號(hào)處理裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)?？梢?jiàn)這類傳感器中光纖不僅作為光傳輸導(dǎo)體，而且其本身又具有測(cè)量功能，可直接用光纖作為敏感元件，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)和相位的變化來(lái)測(cè)量外界的被測(cè)物理參數(shù)，如應(yīng)變、溫度、壓力、電壓、電流、磁場(chǎng)等。B.光纖高溫測(cè)量系統(tǒng)

圖7圖7光纖高溫測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量光纖插入鋼水內(nèi)部約40cm深。光纖可采用金屬套層光纖，光纖插入鋼水瞬間，光纖被燒蝕，端面形成半圓形凹面，這時(shí)，在金屬套層被燒蝕前，光纖最前端可近似視為黑體。在測(cè)量段光纖被燒蝕前，鋼水測(cè)量點(diǎn)處的溫度可傳出。鋼水內(nèi)部溫度通過(guò)對(duì)光纖端面的輻射由光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換及單片機(jī)處理系統(tǒng)。利用輻射式測(cè)溫原理，測(cè)溫公式為：ln喬-2ln喬-2lnB一5ln三、波長(zhǎng)調(diào)制型光纖溫度傳感器溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。但真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，就是后來(lái)的熱電偶傳感器。50年以后，德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開(kāi)發(fā)了包含半導(dǎo)體熱電偶傳感器在內(nèi)的多種溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開(kāi)發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。而光纖自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，從理論和實(shí)踐上都已證明光纖具有一系列的優(yōu)越性，光纖在傳感技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益受到廣泛重視，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許許多多的光纖溫度傳感器，并且可以預(yù)料，在新技術(shù)革命的浪潮中，光纖溫度傳感器必將得到廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮出更多的作用。光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，待測(cè)參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號(hào)光。再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。光纖溫度傳感器種類很多，但概括起來(lái)按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性（相位、偏振、強(qiáng)度等）隨溫度變換的特點(diǎn)，進(jìn)行溫度測(cè)定。這類傳感器盡管具有傳、感合一的特點(diǎn)，但也增加了增敏和去敏的困難。傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號(hào)傳輸?shù)淖饔?，以避開(kāi)測(cè)溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境。對(duì)待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，且對(duì)機(jī)械振動(dòng)之類的干擾比較敏感。1.波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器的介紹波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器：被測(cè)場(chǎng)或參量與敏感光纖相互作用，引起光纖中傳輸光的波長(zhǎng)改變，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量光波長(zhǎng)的變化來(lái)確定北側(cè)參量的傳感方法。光纖光柵傳感器是一種典型的波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器?；诠饫w光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界參量對(duì)布拉格中心波長(zhǎng)九B的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：九二2nAB eff式中：neff為纖芯的有效折射率；人是光柵周期。這是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖溫度傳感器，它具有一下明顯優(yōu)勢(shì)：（1）抗干擾能力強(qiáng)。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸介質(zhì)，因而不怕強(qiáng)電磁干擾，也不影響外界的電磁場(chǎng)，并且安全可靠。這使它在各種大型機(jī)電、石油化工、冶金高壓、強(qiáng)電磁干擾、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能方便而有效地傳感，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。（2） 傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，外形可變，適合埋入大型結(jié)構(gòu)中測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷，穩(wěn)定性、重復(fù)性好，適用于許多應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。（3） 測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性。（4） 便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。（5） 可用于外界參量的絕對(duì)測(cè)量。（6） 光柵的寫(xiě)入技術(shù)已經(jīng)較為成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。（7） 輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫(xiě)入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感。由于以上優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感器在大型土木工程結(jié)構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域的健康檢測(cè)以及能源化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是它也存在一些不足之處。因?yàn)楣饫w光柵傳感的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)波長(zhǎng)漂移的檢測(cè)，而目前對(duì)波長(zhǎng)漂移的檢測(cè)需要用較復(fù)雜的技術(shù)和較昂貴的儀器或光纖器件，需大功率的寬帶光源或可調(diào)諧光源，其檢測(cè)的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍也受到一定的限制等。光纖布拉格光柵無(wú)疑是一種優(yōu)秀的光纖傳感器，尤其在測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變的場(chǎng)合，具有其它一些傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最有希望集成在材料內(nèi)部，作為檢測(cè)材料的結(jié)構(gòu)和載荷，探測(cè)其損傷的傳感器。2.傳感設(shè)計(jì)根據(jù)耦合模理論，光纖布拉格光柵的中心反射波長(zhǎng)可以表示為：九二2nABeff式中neff為導(dǎo)模的有效折射率，A為光柵的周期。由（1）式可以看出，中心反射波長(zhǎng)幾B與有效折"ef射率和光柵周期A有關(guān)；有效折射率"ef和光柵周期A會(huì)隨著溫度、壓力、應(yīng)變的變化而變化，從而根據(jù)中心反射波長(zhǎng)的變化量來(lái)測(cè)量溫度，壓力，應(yīng)變等變化量。當(dāng)光纖光柵受到軸向外力及溫度的影響時(shí)，其光柵周期A和纖芯折射率"ef將會(huì)發(fā)生變化，光纖光柵反射波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。其關(guān)系式為：AX二2nAA+2AnAB eff eff對(duì)于（2）式，假設(shè)僅有溫度變化時(shí)，由熱膨脹效應(yīng)引起的光柵周期變化為：

AA=a?A?AT(3)式中8為光纖的熱膨脹系數(shù)。熱光系數(shù)引起有效折射率變化為:An=g?n?AT(4)effeff式中E為光纖的熱光系數(shù)，表示折射率隨溫度的變化率。因此可得光纖布喇格光柵的溫度靈敏度系數(shù)：K=b=a+g(5)

tAT?九B對(duì)于普通的光纖光柵，比如摻鍺石英光纖，。二°5x10-6/oC，E二7.0x10-6/°C，可以估算出常溫下光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)大約為7.5x10-6/°CA九A九AT?紜B=a+E+(1—P)(a—a)es設(shè)計(jì)高靈敏溫度光纖光柵傳感器，常用方法是采用熱膨脹系數(shù)大的材料封裝光纖光柵。常用的材料是熱膨脹系數(shù)大的金屬材料，聚合物材料，合金材料等。常用的封裝方式有：選用熱膨脹系數(shù)較大的金屬材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行貼片封裝和把光纖光柵以嵌入式的方法封裝在熱膨脹系數(shù)較大的聚合物材料中等。解調(diào)方案影響到整個(gè)傳感系統(tǒng)的精度、分辨率的參數(shù)?，F(xiàn)今常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)編碼的解調(diào)方法包括：可調(diào)激光器解調(diào)方案、可調(diào)濾波解調(diào)方案、邊緣濾波解調(diào)方案和干涉儀解調(diào)方案等。其中利用可調(diào)濾波器和干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)解調(diào)是目前最重要也是應(yīng)用最廣泛的兩種方法。干涉儀解調(diào)基本方法是：把從傳感FBG反射的光用耦合器分為光強(qiáng)相等的兩路，然后引入一定的路程差，當(dāng)兩路光重新匯合發(fā)生干涉的時(shí)候，就存在一個(gè)相位差。對(duì)于不同中心波長(zhǎng)的發(fā)射光，經(jīng)過(guò)相同路程差所引入的相位差是不一樣的，其所得的干涉光的光強(qiáng)也是不一樣的。通過(guò)從干涉光強(qiáng)中解出相位差的信息，就能得到反射光中心波長(zhǎng)的信息。

Jsohlor Coupler.Amplifiq.Jsohlor Coupler.Amplifiq.圖8基于非平衡M-Z干涉儀的解調(diào)方案用于信號(hào)解調(diào)的干涉儀有M-Z干涉儀、Michelson干涉儀和Sagnac環(huán)干涉儀等。1992年以來(lái)A.D.Kersey等人就先后提出了一系列基于非平衡M-Z干涉儀的解調(diào)方案，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。假設(shè)非平衡M-Z干涉儀兩臂引入的路程差為AL，那么干涉時(shí)的相位差可表示為：c 2兀AnALP（九）= 尹B如果不引入其他噪聲，且兩束干涉光光強(qiáng)相等時(shí)，其干涉光強(qiáng)可表示為：宀 2兀AnALI（九）=A+Acos（ ef——）B 九B可見(jiàn)輸出光強(qiáng)是反射光中心波長(zhǎng)的函數(shù)。另外從上式中可以看到，干涉光強(qiáng)中帶有直流信號(hào)，這樣會(huì)影響到系統(tǒng)的分辨率。因此，如圖1所示，通過(guò)差分放大，能夠抑制干涉信號(hào)的直流分量，從而提高系統(tǒng)的分辨率。這種解調(diào)方案分辨率高，響應(yīng)速度快，非常適合于動(dòng)態(tài)測(cè)量。但是由于是通過(guò)相位差來(lái)反映中心波長(zhǎng)，其最大變化范圍為2沢，超過(guò)以后將無(wú)法得到正確的中心波長(zhǎng)值，因此限制系統(tǒng)的測(cè)量范圍。另外，由于干涉強(qiáng)度對(duì)于相位差相當(dāng)敏感，因此干涉兩臂所處環(huán)境的噪聲對(duì)系統(tǒng)影響較大，也是該系統(tǒng)缺陷之一。FBG溫度傳感器增敏的原理是利用FBG對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感的特性，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，把FBG和高熱膨脹系數(shù)材料封裝在一起，當(dāng)被測(cè)溫度變化時(shí)，通過(guò)高熱膨脹系數(shù)材料的形變向FBG施加一個(gè)應(yīng)變量，使得FBG的返回波長(zhǎng)變化量加大。基于此