张晋宾先生，西南电力设计院主任工程师；周四维先生，高级工程师。 关键词：传感器　传感技术　发展方向 　　传感技术作为现代信息技术的三大核心技术之一，是人类探知自然界信息的触觉，是人类认识和控制对象的条件和依据，是21世纪世界各国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。 　　传感器是自动化系统和信息系统的关键性基础器件，其技术水平直接影响到自动化系统和信息系统的水平，传感器的好坏对系统质量起着决定性作用。目前，我国在工业上应用的大多数传感器技术存在很多不足。为使产品在市场经济中更具竞争力，在开发及采用新型仪表和控制技术同时，也应对传感器技术的开发予以高度重视。全美电站有关统计数据表明，改进、优化过程传感器与仪表能改善电站热效率达1%，热效率的改善可为燃煤电站每年节约约3亿美元。另外，采用先进传感器与仪表若使设备利用率提高1%的话，每年可节约约30亿美元。 一 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12～24个月期间，压力和差压传感器的漂移常高达全量程的1～2%。 　　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±(3～5)%。 　　锅炉管道故障是燃煤电站锅炉故障的主要原因，而应力却是管道故障的主要罪魁祸首。目前常采用监视蒸汽和金属温度差的方法来预测管道联箱所承受的应力值。尽管这不失为一种预测管道联箱应力的简便方法，但是其精确度却受制于所采用的数学分析模型。 　　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 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。 　　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，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 传感技术的发展方向 　　当今传感器技术的主要发展动向：开展基础研究，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)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)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。 　　(3)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)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