应力传感器

近年来，传感器朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能 尽缘、无感应的电气性能 耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区或者对人有害的地区，如核辐射区)，起到人的线人作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 　　基本工作原理及应用领域 　　光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送进调制器，使待测参数与进进调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送进光探测器，经解调后，获得被测参数。 　　光纤传感器的应用于对磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的丈量。光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了很多行业多年来一直存在的技术困难，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用： 　　1、市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松驰、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。 　　2、电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时丈量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时丈量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，丈量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。 　　在实际生活中，光纤传感器种类是非常多的，但是，我们将这些传感器类型归结为两大类型，即传感型与传光型。和传统电传感器进行比较，光纤传感器具有很多的优点，例如抗干扰能力较强、绝缘性好、灵敏度偏高，所以，当前在各个领域都有光纤传感器的身影。 　　光纤传感器助力物联网发展市场容量将近万亿 　　自出现光纤传感器后，它的优势与应用引起了各个国家人们的高度关注。并且对光纤传感技术进行了深入的研究。现如今，通过光纤传感器可以对位移、温度、速度、角度等物理量进行测量。现如今，很多西方发达国家将对光纤传感器研究的重点放在光纤控制系统、核辐射监控、民用计划等多个方面，同时已经取得了可喜的成绩。 　　我国对光纤传感器的研究起步较晚，有很多研究所、企业等对光纤传感器的深入研究促进了光纤传感技术的发展。在2010年，张旭平的关于&ldquo 布里渊效应连续分布式光纤传感技术&rdquo 通过了专家的鉴定。专家组都认为此技术有很强的创新性，技术已达到世界先进水平，因此，有广阔的发展前景。此技术的发展主要是应用了物联网技术，从而加速了我国物联网的发展。 　　传感器成为物联网极其重要的一组成部分。因此，传感器性能好坏决定了物联网的性能好坏。可以说，物联网获得信息的主要手段为传感器。这样一来，传感器所采集信息的可靠性与准确性都会对控制节点处理和传输信息产生一定影响。由此看来，传感器的可靠性、抗干扰性等都会对物联网应用性能发挥举足轻重的作用。 　　光纤传感技术在物联网中的应用 　　通过上述分析得知，物联网的发展必须要借助大量传感器获得各种环境参数，从而为物联网更可靠的数据信息，再经过系统的处理，得到人们需要的结果。以下是对光纤传感技术在物联网中的应用进行详细的探讨。 　　目前应用最广的光纤传感器有四种，分别是光纤陀螺、光纤水听器、光纤光栅传感器和光纤电流传感器。其中，光纤陀螺有干涉型、谐振型和布里渊型三种类型，干涉型光纤陀螺是技术上很成熟的第一代商品化阶段，谐振光纤陀螺是处于实验室研究阶段的第二代，布里渊型光纤陀螺是在理论研究阶段的第三代光纤陀螺传感器 光纤水听器是在光纤、光电子技术基础上的一种水下声音信号传感器，这种传感器通过高度灵敏的光纤相干检测，把水中的声音信号转换成光信号，再通过光纤传到信号处理系统转换为声音信号，这种传感器按原理可以分为干涉型、强度型、光栅型等类型 在光纤光栅传感器的产品中包括应变传感器、温度传感器和压力传感器，其中光纤bragg光栅传感器是这几年的研究热点，它们大部分属于光强型和干涉型，并且各有利弊。自今年来电力的发展是突飞猛进的，这种情况下，面对着强大电流的测量问题，光纤电流传感器可以很好的避免一些由于电力过强而引发的事故。

p style=" text-indent: 2em " 在英国《自然· 电子学》杂志14日在线发表的一篇动物研究论文中，美国科学家介绍了一种可移植、可伸展的应变及压力传感器，可以在有效使用期结束后自然降解。该装置将用于实时监测受损软组织所受的微弱应力和压力变化，有助于为患者设计个性化的康复方案。 /p p style=" text-indent: 2em " 传感器技术早已“轻松”应用于多种不同的环境，它们能集成到小型化的发射器或接收器系统中，也能与人体直接接触服务于医疗应用。这其中，可降解传感器是一种新兴技术，它们在预定的使用期限结束后会自然降解，因此不需要通过二次手术取出来。 /p p style=" text-indent: 2em " 但是，生物相容性微传感器的生产目前还是一个非常耗时和昂贵的过程，现有的这类传感器的感应性能十分有限，或是其生物相容性还未经证明。 /p p style=" text-indent: 2em " 此次，美国退伍军人事务部研究人员佩吉· 福克斯、斯坦福大学鲍哲南及他们的同事，报告了一种由完全生物可相容材料构成的、可伸展、可生物降解的应变及压力传感器。这一可移植传感器具有高灵敏度，能够区分小到0.4%的应变和12Pa的压力（一粒盐产生的压力）变化。 /p p style=" text-indent: 2em " 为了测试该传感器的生物相容性，研究团队将其移植进一只大鼠的背部。在移植手术8周后，未观察到负面炎症反应（除了第1周出现初期炎症反应）。 /p p style=" text-indent: 2em " 研究人员表示，他们能够控制传感器的降解，使其寿命与组织愈合所需的时长一致。此外，经过一定的设计，在降解过程中，该传感器的灵敏度也不会有明显下降。 /p p style=" text-indent: 2em " 针管有一次性的，医疗电子仪器也可以有一次性的。可降解的生物传感器一旦进入实用，我们就可以将很多临床定性描述转为量化指标，病人的恢复快慢可显示在屏幕上，痛觉程度也不再模糊。医生的工作将因此大大便利。 /p

褚君浩，中国科学院院士，红外物理学家、半导体物理和器件专家，中国科学院上海技术物理研究所研究员，东华大学理学院院长。他是我国培养的第一个红外物理博士，从20世纪70年代末开始，他就专注于红外探测器的研究，并与汤定元、徐世秋两位科学家研究了一种全新的半导体材料，创造性地提出了测算这种材料特性的公式，该公式最终以三位中国科学家的名字命名，被称为CXT公式，成为判断红外探测器新材料、新结构的参照标准。他的专著《窄禁带半导体物理学》，被国外20多个研究机构作为相关材料和器件研究的理论依据。　　智能时代，传感器无处不在。传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱，成为衡量一个国家科技水平以及是否处在国际战略竞争制高点的一个重要标志。各种机器设备中的传感器就相当于人类的五官和神经系统，它们让机器能听、能闻、能看，从而更好地感知、学习和进化，为我们提供高精度、智能化的服务。传感器家族有哪些成员？它们能为我们提供怎样的服务？高性能传感器的市场长期被美国、日本、德国的企业占据，我国科学家如何才能在这一领域拼出一席之地？　　简单来说，传感器就是用材料经过一定的设计，做成的一个器件，取代耳朵、鼻子、舌头、眼睛、皮肤的功能。它能够看得见、听得见，能够闻得出味道，能够感知到。它可以比人类的功能更强大，所以传感器要具有高性能。传感器具有的高性能，一般要超过人类的五官，能够听得到很远的声音，能够看得见红外光。　　日常生活当中传感器非常多，最敏感的一个传感器大家可能没注意：你把手机靠近耳朵的时候，手机的屏幕就暗了，所以随便怎么碰耳朵，照样可以打电话，这就是手机传感器在起作用。手机里面传感器最多，而且都很小、很灵敏。现在传感器的发展趋势就是高精度、高灵敏、高速响应、高稳定性、高可靠性、微型化、柔性化、多功能集成化、数字化、智能化、无线通信化，另外还要绿色环保。　　没有传感器就无法数字化　　2019年，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面。嫦娥四号搭载了多种科学探测仪器，可以探测月球表面的地形地貌、月表物质的成分和月球表层的结构。嫦娥四号的着陆器上还安装了4个与月壤直接接触的温度计，可每900秒测量一次月壤的温度，这也是人类首次实现在月球背面对月壤温度进行原位测量。我们进入了一个智能化的时代，上至宇宙探索，下至日常生活，数字技术已经渗透到方方面面，农业测产、荒野探矿、太空探月都离不开传感器，传感器信息采集功能的重要性也因此越来越凸显。物联天下，传感先行，无论是“大数据”“人工智能”，还是“物联网”，其最重要的“基石”就是传感器技术。那么，传感器技术怎样进行数据的采集、存储、计算？　　智能时代的最大特点就是智能化系统的运用。智能化系统有三大支柱：动态感知、智慧识别、自动反应控制。比如机器人能够把乒乓球打到，首先是动态感知，看到这个球怎么过来；其次要分析这个球会从哪里进来，这是智慧分析；然后它采取措施，打到这个球。智能化系统最后的出路就是推动人工智能、智慧地球、数字城市的建设。这个系统最大的核心就是数字化，因为只有数字化才能定量化、精准化、规律化、智慧化，最后促进数字经济的发展。　　数字经济的“数字”从哪里来？就是靠传感器来的，所以传感器是大数据的源头。数据有两类：一类是文本大数据，另一类是物理大数据。物理大数据是靠传感器实时获得的，这类数据好多都是声、光等类型的，它们属于一个波动世界。这个波动世界里面的数据量特别大，一个波有振幅、有位相、有频率，还有偏振等等，再加上时间、空间等海量的大数据，就可以告诉我们好多信息，然后对这些信息进行分析。　　传感器和物联网是智慧地球、智慧城市两个核心技术。智慧分析就是从大数据分析出一些我们所需要的信息。现在浙江省义乌市有一座大桥里面安装了好多传感器，通过传感器看它里面振动的应力波形，不同的车辆开过去波形都会有变化。如果有一天发现应力情况异常，就会报警。　　传感器是支撑智能化最重要的“一条腿”。无线通信接收信号要靠传感器，通信卫星主要就是发射和接收，接收需要传感器，没有传感器，通信就中断了，后面的智能化更无法实现。可以说没有传感器，就没有智能时代；没有传感器，也没有信息化时代。　　我国传感器技术与国外的差距及优势　　一部智能手机中有20多个传感器，一部汽车更是有多达上百个各类传感器。无处不在的传感器，已经成为全世界最具发展潜力的高新技术产业。但是，目前全球2万多种传感器产品中，我国能生产的只有大约6000种，远远不能满足国内市场的需求。智能手机中，传感器几乎均为国外产品，每年我国各种中高端传感器进口占比高达80%，传感器芯片进口的占比甚至要达90%。我国传感器技术与国外的差距究竟在哪里？如何才能打开自己的一片天地？　　传感器国内一般来说都能制造，在一般的应用上面也都适用，但是在高端应用、精细应用方面和国外有差距，这就要发扬工匠精神赶超世界一流。　　我们也有自己的优势领域，有一本最有名的科学手册叫《LandoldtBoerstein》，这本科学手册，到现在已经有140年历史了，它每隔10年到15年要修订一次，我就是负责碲镉汞材料修订的作者负责人，因为在这个领域，我国科学家做的工作国际上认可，所以我们有这个资格来承担这项工作。　　发展传感器，我国过去有一个弊端，就是买得到自己就不做了，但是红外探测器高端的买不到，就只能自己做，我们反而做出来了。其实在有些核心的关键领域还是要自立自强。我们现在好多企业，在红外传感器方面，水平不断地在提升。另外，要发展智能化，把芯片技术感受到的传感信息，智能化地分析处理，这就是当前传感器发展的趋势。　　智能时代的“桥梁”　　2019年4月15日，法国巴黎圣母院起火，考虑到空中投水可能造成建筑及文物损毁，法方派遣无人机捕获实时图像，为消防员实现精确定点扑救提供了重要支持。这其实得益于物联网技术的普及。互联网、物联网，一字之差，但两者截然不同。如果说，互联网是人们用来进行信息传播和共享的平台，那么，物联网就是“物物相连的互联网”，所不同的是，物联网是通过传感器、红外等各种感知设备，将信息传送到接收器，再通过互联网实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护。如今，物联网已经广泛应用在智慧城市、智慧医疗、智慧农业等众多领域，而传感器作为智能时代的“桥梁”，在各个领域智慧建设中已不可或缺。未来，传感器在智慧城市、智慧医疗、智慧农业等领域还能起到怎样的作用？　　江苏无锡有一家公司，在公司每个区域里所有的转动部分都安装了传感器，这样在办公室里可以监控所有的电梯、马达是否正常。如果哪个地方不正常，控制室就亮黄灯了，马上就可以派人去修理。这就是智慧城市管理的一方面。　　现在抑郁症很多，还有一些小孩患抑郁症，抑郁症当然有多种识别方法，也可以做成一个小的设备，定量分析患者的抑郁程度，这都是传感器信息获取分析的可能应用。如果我们人体里面都有传感器，比如口袋里放个心脏传感器，心电图随时可以拿到，如果一个人心脏有点不舒服了，跟医生打个电话，说我现在心脏不舒服，或者发条微信给他，这个是互联网技术的应用；但如果这个传感器的信号直接送到分析中心，分析中心就能够根据GPS定位知道人在什么位置，马上通知相关机构采取措施，这就是物联网技术应用。物联网技术在人类健康上面大有用处。　　人类现在要进入智能时代，智能时代的最大特点就是智能化系统的运用，智能化系统非常重要的核心就是传感器，传感器就是我们的敏感神经。在智能时代的背景下，我们要努力打造敏感神经，通过科技创新手段不断提升信息传感水平，不断提升智慧分析水平，从而发展物联网、人工智能、智慧地球的事业，促进数字经济的发展和城市数字化转型，最终提升人们的生活水平。