振动传感器与磁敏传感器应用于国土安全技术

4．5．1　振动传感

利用压电式传感器，能测量各种各样的动态力，甚至准静态力。它不但可以测单向力，还可以对空间多个力同时进行测量;利用压电元件的压电效应制成的超声波振荡器，装配成带有超声波探头的超声波传感器，可在几十千赫到几千兆赫的范围内进行无损探伤和超声波医疗诊断;利用压电效应开发的、由石英晶体谐振器构成的振动梁式差压传感器，通过测量石英晶体的谐振频率，可以达到测量压力的目的。压电元件还可以用来制成压电扬声器、声响器件、拾音器、送话器、水声传感器，也可以用于打火机、煤气炉点火、引信引爆和料位测量等。

迄今为止，压电传感器已应用于工业、军事和民用等各个领域。

振动的监控、检测是压电式传感器应用的典型。众所周知，振动存在于所有具有动力设备的各种工程或装置中，并成为这些工程设备的工作故障源以及工作情况监测信号源。目前，对这种振动的监控、检测，多数采用压电式加速度传感器。图4．17为发电厂汽轮发电机运行（振动）监测系统工作示意图。众多的压电式加速度传感器分布在轴承等高速旋转的要害部位，并用螺栓刚性固定在振动体上。当传感器感受振动体的振动加速度时，质量块产生的惯性力F作用于压电元件上，从而产生电荷q输出。通常，这种传感器输出q与输入加速度成正比，因此就不难求出加速度a。

图4．17　汽轮发电机运行监测系统

传感器的电荷灵敏度为：

式中，d为压电常数;a为被测加速度;m为传感器中质量块的质量。

由公式可见，通过选用较大的质量和压电常数就能提高灵敏度，但质量增大将引起传感器固有频率下降，频宽减小，且体积、质量增加。通常多采用较大压电常数的材料或多个压电片组合来提高灵敏度。

4．5．2　磁敏传感

磁敏传感器，顾名思义就是对磁信号变化敏感的传感器。磁敏传感器是对磁场参量敏感的元器件或装置，具有把磁学物理量转换为电信号的功能，它们的主要作用是在有效范围内感知磁性物体的存在或者磁性强度。这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料（铁、钴、镍及其它们的合金），可以感知磁场的变化，当然也可包括感知通电（直、交）线包或导线周围的磁场。

磁敏传感器的主要作用是进行电磁检测。在电磁检测领域中，磁性检测的准确度长期以来远低于电检测的准确度。近年来，随着磁学理论的深入研究和性能优良的磁性材料的不断发现，对磁检测技术也不断提出新的要求，同时也为磁检测提供了新的器件和新的测量手段，使磁检测技术得到了很大发展。

磁敏检测的方法多种多样，按原理可分为磁电感应法测磁场、磁通门磁强计测磁场、霍尔效应测磁场、核磁共振测磁场、超导效应测磁场、磁阻效应测磁场、PN结效应测磁场。

磁敏传感器种类多样，按应用来分，可分为直接应用型和间接应用型。直接应用型主要是磁量测量，包括测量磁场强度的各种磁场计，如地磁的测量、磁带和磁盘的读出、漏磁探伤、磁控设备等。间接应用型主要是以磁场为媒介检测非磁信号，如电流、功率、频率、相位等，非电量测量厚度、位移、振动、转速、流量、压力等。磁敏传感器可实现非接触测量，在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要附加能源。因此，这类传感器被广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。

4．5．3　典型振动、磁敏侦察系统

英国CLASSIC　2000由本地区域传感系统（LASS）演化而来。该系统可以通过远程地面传感器，检测分类并远程显示目标信息，包括人员、轮式或履带式车辆。

CLASSIC　2000系统是一个小巧、轻便、易操作、手工放置的道路或关键部位监视系统。系统检测到的目标数据通过加密无线电传输到远端显示。(www.xing528.com)

一个CLASSIC　2000系统包括四个主要组成部分：RA4310显示单元、TA4312振动／PIR（人体热式）传感器、TA4314磁性／PIR传感器以及RTA4311继电器组。结合了一系列不同的传感器，每种传感器都带有相对稳定的内存来储存数据。图4．18所示的是CLASSIC系统的传感器和地震检波器。

单个监测仪可以接收多达99个传感器的数据，监测仪连接了一个数据库。数据可以通过一台PC机，用CLASSIC　2000的程序软件下载。数据库中包括每个传感器的如下信息：

（1）装备类型;

（2）可信警告间隔;

（3）干预动作;

（4）通道号;

（5）传输频率。

监测仪可以通过被限制的一些传感器，根据设计方案来控制发出警告。监测仪不仅仅被用来接收和向操作人员显示信息，还可以用来向传感器端下载信息等。图4．19所示的是CLASSIC系统的监测仪。

TA4312振动／PIR传感器是一个多用途单元，可以进行多种传感类型的操作，包括地震检波器、压电电缆等。TA4314传感器中具有一个完整的磁性传感器，其基本功能是检测低速运动的车辆及武装人员。RTA4311继电单元用于扩充监测仪监视传感器的范围，或用于克服无线电信号卡死的问题。继电单元还具有一个相对稳定的内存，用于存储监测仪的程序软件。

图4．18　CLASSIC传感器及地震检波器

图4．19　CLASSIC（L）以及CLASSIC　2000（R）监测仪

微型干扰传感器（MIS）可以作为一个附加的传感器应用在该系统中。MIS是一种被动的地面传感器，可以提供更多的感知范围及更强的感知能力，同时还保持了很好的通用性。它具有一个内部的振动传感器，并且将接受外部传感器诸如磁性、PIR、压电电缆等。振动检测的范围为20～60m，压电电缆检测的范围为20m，外部磁性检测的范围为15～40m，PIR检测的范围为1～100m。图4．20所示的是MIS装置。

图4．20　微型干扰传感器（MIS）

MIS没有外部控制和对于背景环境的MIS自适应。数据融合的过程在系统内部进行。在使用超过一种内部传感器类型的情况下，MIS提高了目标检测和辨别的能力，使得车辆及船只的分类算法得到深入和升级。该设备能够支持非目标的判别不显示，因此具有非常低的误警率。