【传感器技术在轨道交通中的应用探究8200字（论文）】

传感器技术在轨道交通中的应用研究目录1引言 12传感器技术概述与分类 22.1传感器技术概述 22.2传感器分类 22.2.1化学传感器 22.2.2生物传感器 22.2.3微、纳米级高精度传感器 32.2.4智能传感器 33传感器技术发展现状 43.1传感器技术发展历程 43.2我国传感器技术的研发 44光电传感器技术的研究现状 54.1光电传感器的构造 54.2光电传感器的工作原理 54.3光电传感器的应用 65传感器技术在轨道交通中的应用 75.1自动售票机 75.2纸币机 75.3闸机通道 75.4硬币模块 85.5安全门 86轨道交通传感器技术发展方向 106.1开发新材料,制造新型传感器 106.2采用新工艺,将MEMS技术应用于传感器领域 106.3传感器集成化和多功能化 106.4传感器智能化 11结束语 12参考文献 131引言当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。传感器技术是一项综合性较强、技术含量较高的技术，对机电自动化控制技术的发展有着非常重要的意义。假如将机电自动化控制技术比作是一个人，那么传感器技术就是人的感觉器官，可以快速、准确获取有用信息，是确保机电自动化控制技术有效运行与发展的基础与前提。在机电自动化控制技术中，如果传感器技术发生问题，就会对控制系统的信息采集、传递、管理等产生影响。所以，强化对传感器技术在机电自动化控制中的应用进行研究是非常必要的。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。2传感器技术概述与分类2.1传感器技术概述最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会（IEC）的定义为：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。所谓传感器,是指能感受规定的被测量,并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置.传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。其中敏感元件是指能直接感受(或响应)被测量的部分,即将被测量通过敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量；转换元件的作用是将上述非电量转换成电参量;转换电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流等可测电量,以便进行显示、记录、控制和处理。2.2传感器分类经过不断地发展，各种新型传感器如雨后春笋般纷纷涌现，传感器种类及品种繁多，原理也各式各样。下面简单的说一些传感器的研发以及应用的领域。2.2.1化学传感器化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。对比于人的感觉器官，化学传感器大体对应于人的嗅觉和味觉器官，分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器等几种类型。化学传感器必须具有对待测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能（接受器功能）和将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。它主要应用范围非常的广泛在，工农业生产、家庭安全、环境监测、能源、医疗卫生等领域都能应用的到。2.2.2生物传感器生物传感器上世纪60年代由Clark和Lyon提出设想开始，是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，具有成本低、设备简单的特点。它是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统，具有接受器与转换器的功能。生物传感器应用于发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等领域，为人类的保健、环境、衣业和食品工业等行业而服务。2.2.3微、纳米级高精度传感器传感器已开始向小型化、微、纳米级精度发展，利用集成电路技术、微机械加工与封装技术制成的体积非常微小的传感器，其尺寸可小到微米数量级。通过微型传感器可以在大脑和机器之间建立一套“沟通语言”，这样帮助神经功能有障碍的人恢复生活自理能力的理想就能够得以实现。与传统的传感器相比，利用纳米技术制作传感器体积减小、精度提升等性能大大改善，更重要的是纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大的丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域，广泛应用于生物、化学、军事、航空、等领域。纳米传感技术具有庞大的界面，提供大量的物质通道，导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展。2.2.4智能传感器微处理器从数字化革命迅速发展到虚拟仪器，传统传感器已不能适应多种测试要求。这一问题的出现导致对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求变得非常严格。微处理智能技术和微机械加工技术与传感器相结合就产生了智能传感器。智能传感器核心结构是传感器和微处理器相结合，它的原理是依赖计算机的计算存储功能对传感器的数据分析处理，并对传感器的内部工作进行调节。3传感器技术发展现状3.1传感器技术发展历程传感器技术可以说是仿生学中的一部分，从远古时期就已经渗透到人类生活的各个方面。传感器技术正式问世是在20世纪中期，随着各国信息化产业的发展带动了传感器的研发水平，传感器技术水平不断的提高并快速发展，其大体经历结构型传感器、固体传感器、智能传感器三个历程。结构型传感器利用结构参量变化来感受和转化信号；固体传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，它是利用某些材料的特殊性质来完成物理特性测试并转化的。智能传感器具有信息处理功能的传感器，具有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。传感器的作用类似于人的感觉器官，也可以认为是人类感官的延伸。传感器主要用于检测自动化系统自身与操作对象、作业环境状态，为有效控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。现代科技的发展不断地向传感器技术提出新的要求，推动传感器技术的发展。与此同时，传感器技术迅速吸取和综合各个科技领域（如物理学、化学、生物学等）的新成就，开发出新的方法和装置。传感技术已成为重要的现代科技领域，传感器及其系统生产已成为重要的新兴行业。3.2我国传感器技术的研发20世纪60年代以来我国致力于传感器的研究与开发，经过“六五”到“九五”的国家攻关，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系。但是由于国民经济发展水平及资金的限制以及没有认清其重要性，传感器行业技术的发展速度明显比其他国家的缓慢。目前我国传感器产品的改进与革新速度缓慢，传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，不能适应我国经济与科技的迅速发展，需要进口的传感器技术相关的产品还有很多。我国传感器技术相对于发达国家有很大的差距，企业分散，实力不强，市场开拓不力、传感器研究方面科研投资强度偏低、科研设备落后。因此，对传感器技术研究、开发的投人，缩短与国外同类技术的差距迫在眉睫。建议我国传感器技术的发展向着以下几个方面发展：（1）加速开发新型敏感材料。（2）研制灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器。（3）向高可靠性、微型化、微功耗及无源化、智能化数字化、宽温度范围发展。4光电传感器技术的研究现状21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段。其中，光电信息学与生物学的迅猛发展已成为这一时期科学技术发展的重要标志，并最有机会寻求更大的突破与飞跃。传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科，在人类迈向新世纪，步入信息化社会的关键阶段想要寻求空前迅速的发展，很大程度上取决于传感器在这两个前沿领域中的深入研究与广泛应用。同时，将光电传感器纳入地铁行业的设备安装标准已逐步在全国主要城市的地铁项目中逐步推广了。4.1光电传感器的构造光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电开关（光电传感器）在一般情况下，有三部分构成：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。光电式传感器（PhotoelectricSensor）是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。近年来，随着各种新型光电器件的不断涌现，特别是激光技术和图像技术的迅猛发展，光电传感器已成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，在传感器领域的扮演着重要角色，在非接触测量领域占据绝对统治地位。目前，光电式传感器已在国民经济和科学技术各个领域得到广泛的应用，并发挥着越来越重要的作用。4.2光电传感器的工作原理光电传感器的一般组成形式主要包括光源、光通路、光电元件和测量电路四个部分组成。其中，光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，并负责把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号。光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用广泛。光电式传感器既可以测量光信号，也可以测量其他非光信号；它可以实现对直接引起光源变化的被测量进行测量，也可以对使光路产生变化的被测量进行测量；测量电路对光电器件输出的电信号进行放大或转换。光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。4.3光电传感器的应用光电传感器在当前科研领域的运用范围很广，影响力巨大。尤其是基于光电传感器技术原理研发和制造出的新型光电传感器已成为当今传感器市场的主流。在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。同样地，目前光电传感器已应用于轨道交通的安全门领域。5传感器技术在轨道交通中的应用随着各城市地铁客流的不断攀升，设备的工作频率也不断提高，要使我们的设备能经受住客流考验，其中一个重要环节就是要确保我们设备中的传感器处于一个正常的状态。因为传感器如果出现异常情况，将有可能直接导致整台设备的故障或停用。通过对光电传感器的原理结构分析结合现场设备中传感器的使用情况，总结出多种方法来减少外界环境因素对传感器的使用产生的不良干扰，或者说如何保养维护好本专业设备中的传感器。光电传感器可用于检测多种非电量，按其输出量的性质可分为：第一类，模拟量光电传感器检测系统；第二类，开关量光电传感器检测系统。按照工作方式可分为：第一类，漫反射式光电开关；第二类，镜反射式光电开关；第三类，对射式光电开关；第四类，槽式光电开关；第五类，光纤式光电开关。5.1自动售票机漫反射式光电开关：集发射器和接收器于一体，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和颜色决定。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。这类光电开关其实在地铁站内的自动售票机上就有安装，用于检测若有乘客靠近便从广告模式转为售票模式。5.2纸币机镜反射式光电开关：亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。特征：辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，使用在野外或者有灰尘的环境中比较可靠。地铁车站内的自动售票机内的纸币机就有用到这种光电传感器，通过镜面反射的原理来测量投入纸币的长度、颜色等参数。5.3闸机通道对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。闸机通道传感器便是采用了这种光电开关，当乘客通过时，阻断了发射器发出的光线，于是光电开关产生开关信号。5.4硬币模块槽式光电开关：通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体，使用安全可靠。自动售票机内部的纸币模块、硬币模块以及单程票模块很多位置均采用了槽式光电开光。5.5安全门将传感器纳人地铁行业的设备安装标准已逐步在全国主要城市的地铁项目中逐步推广了。安装传感器在屏蔽门的装置上，最为主要的目的是为了保护人身安全。光纤式光电开关：主要对距离远的被检测物体进行检测。装置在屏蔽门上的光纤式光电开关传感器是对于现场安全控制必须的检测工具。针对于屏蔽门的应用，邦纳为地铁的屏蔽门应用推荐了一款针对超长距离障碍物检测的红外高能对射传感器。在站台的两端分别加装发射和接收，一旦有人闯人屏蔽门和列车车体之间的空隙，就会遮挡红外光线，判断出有障碍物，并及时输出声光报警信号(可选配邦纳公司的高亮度LED指示报警灯)，同时通知列车司机或车站管理人员。两个传感器在相距超过200米的对射距离内，可以检测位于光轴上，且直径大于30mm的不透明物体。对屏蔽门(或安全门)与列车车体之间，乘客或大件物品有意、无意被夹在屏蔽门/安全门与列车车体之间造成危险发出信号给控制器。全新的红外高能传感器具有圆柱形和方形合一的紧凑型结构，适合多种安装方式，抗电磁及射频干扰，安全等级达到IP67，最重要的是拥有业界光电产品里最远的检测距离超过200米，使其可应用于各种恶劣的工业现场环境。其卓越的性能参数足以让用户再也不用担心传感器信号受环境干扰和衰减造成的误判和漏判。同时，红外高能传感器抗震性强，发射器在轻微震动的情况下，150米远处的接收器也能够可靠工作。同时，安装非常方便。在发射器和接收器间距150米时，安装人员易于对准调试，从而大大缩短了安装时间。超过200米的检测范围内，可靠检测位于光轴上，且直径大于30mm的不透明物体。安全等级达到IP67高防护等级，防水，并且发射器采用红外光源，对人体无害，抗环境光干扰强。强大功能，更适合于国内地铁的现场应用。6轨道交通传感器技术发展方向随着对地铁安全、地铁动能、地铁节能和环保要求的不断提高,地铁电子信息产品在地铁上的应用日益广泛,并且不断向智能化、电子化、小型化和轻型化的方向发展。由于电子控制系统的多样化,使其所需要的传感器种类和数量不断增加,为此,研制新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器是十分必要的,以实现传感器技术的多功能化、集成化、智能化。6.1开发新材料,制造新型传感器传感器的制造材料是传感器技术的重要基础,用复杂材料制造性能良好的传感器是今后传感器技术的发展方向之一。近年来对传感器材料的开发研究主要体现在：从单晶体到多晶体、非晶体；从单一型材料到复合型材料；原子分子型材料的人工合成；半导体敏感材料；陶瓷材料；磁性材料和智能材料等。在开发新材料的同时,进一步探索具有新效应敏感功能的材料,研制出具有高性能、低成本的新型传感器，以便更好地应用于轨道交道领域。6.2采用新工艺,将MEMS技术应用于传感器领域传感器技术新工艺主要指与发展新型传感器联系密切的微电子机械加工技术(MEMS)。利用微电子机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在同一芯片上,使其具有体积小、价格便宜、可靠性高等特点,并且可以明显提高系统测试精度。采用MEMS技术可以制作检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器.由于MEMS微型传感器具有降低轨道交通电子产品成本及提高其性能方面的优势,已逐步应用于现代轨道交通电子控制领域。6.3传感器集成化和多功能化随着传感器应用领域的不断扩大,借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、精密加工及组装技术等,传感器从单个元件、单一功能向集成化和多功能化方向发展.所谓集成化,主要是指利用半导体加工技术,将敏感元件、信息处理或转换元件以及电源电路等元件制作在同一芯片上,如集成压力传感器、集成温度传感器、集成磁敏传感器等.集成化是多功能化的基础,轨道交通发动机控制系统采用的热膜式空气流量传感器就是一种集成化、多功能化的传感器,不仅具有测量空气流量的功能,而且还有温度补偿功能。6.4传感器智能化智能传感器是指将传感器与微处理机相结合,使其具有信息检测与处理的功能.智能传感器通常将信号检测、处理和驱动回路等外围电路全部集成在一块基片上,使传感器具有数据处理、逻辑判断、自诊断及自适应等功能.它不仅能够提供用于模拟和处理的信号,而且还能对信号作放大处理,可以对信息自动进行时飘、温飘和非线性的自校正,具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力,保证传感器信号质量不受影响,即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点,是传感器技术的发展方向。总之,轨道交通传感器向集成化、智能化方向发展已是大势所趋。结束语随着各种学科的交融，传感器技术的重要性日益凸显。现在各国争相提高本国的传感器技术水平。传感器的类型更在向着多元化的方向发展，应用的领域在不断的扩增，现代传感器技术正在昂首阔步的前进。然而我们应该看到，我国在传感器技术方面的研究和应用实力，仍不及世界上的一些其他国家。为此，国内传感器的研究开发工作应重视基础性研究,针对中试规模的新产品,在攻克制造工艺技术的前提下,进行工艺稳定性研究及市场应用研究,在确定产品性能稳定可靠、工艺易于批量化生产、市场应用前景广阔的基础上,开展产业化技术及产业化配套技术研究、可靠性技术等方面研究。以市场需求为导向,积极调动各方面力量,以促进我国传感器行业的产业化进程。相信，传感器技术的发