軌道交通等產(chǎn)業(yè)需求將帶動國內(nèi)傳感器技術(shù)的發(fā)展

編者語：國內(nèi)的傳感器市場還有待發(fā)展,尤其是大電流傳感器技術(shù),遠遠落后于國際水平。但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展,無論是軌道交通或者風電等新能源行業(yè)的發(fā)展需求都將帶動國內(nèi)傳感器技術(shù)的發(fā)展越來越多的傳感器廠家把目光投向軌道交通、新能源等行業(yè)。

風電行業(yè)推進傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的發(fā)展

從人類發(fā)展的早期開始,便將風能作為一種能源使用,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們開始更加精準地運用風能。

德國的石勒蘇益格-荷爾斯泰因州位于北海和波羅的海之間,即使在風力不大的情況下,力士樂公司生產(chǎn)的風力發(fā)電機組仍可運行。如果風向從西北向北變化8度,測風儀就會把感測到的信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng),控制偏航驅(qū)動裝置將機艙定位到合適的位置。測風儀包括風速傳感器和風向傳感器,是隨著風電行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。一般來說,風速傳感器應(yīng)滿足測量范圍為0～60米/秒,誤差范圍在0.5米/秒以內(nèi),工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足當?shù)貧鉁貤l件。而風向傳感器應(yīng)滿足測量范圍為0～360度,精確度在2.5度以內(nèi),工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足當?shù)貧鉁貤l件。

中國科學(xué)院電工研究所新能源組的副研究員李建林表示,“風電行業(yè)對測量高電壓、大電流傳感器,振動傳感器,溫度、濕度、測風、以及壓力傳感器等產(chǎn)品應(yīng)用均會有所推進。”其中,由于電流傳感器是風能渦輪機中轉(zhuǎn)換器必不可少的元件,在風電行業(yè)中的應(yīng)用尤為重要。在某些逆變器內(nèi),小型和PCB安裝電流傳感器的應(yīng)用非常廣泛。這些傳感器是轉(zhuǎn)換器閉環(huán)控制的一部分,可以確保逆變器快速反應(yīng)。

當逆變器與發(fā)電機的智能功率控制同時使用時,可以確保在風能渦輪機啟動之后在一個很寬的風速范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供持續(xù)功率,直到渦輪機在上限風速時停機為止。為了對驅(qū)動器進行最佳定位,各個轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳感器會對電流進行連續(xù)測量,電路控制器的質(zhì)量和反應(yīng)時間最終由電流傳感器的設(shè)計和性能而確定。這就是具有小電流額定值的閉環(huán)電流傳感器廣泛應(yīng)用在風電行業(yè)的原因。除了具有極好的線性度和精確度之外,閉環(huán)電流傳感器本身還具有高帶寬以及快速的反應(yīng)時間等優(yōu)點。

李建林指出,國內(nèi)的電流傳感器市場還有待發(fā)展,尤其是大電流傳感器技術(shù),遠遠落后于國際水平。由于國內(nèi)的大電流傳感器技術(shù)相對不夠成熟,國內(nèi)風電整機廠商在采購大電流傳感器時,大多數(shù)會選擇進口產(chǎn)品,由于進口產(chǎn)品的價格往往高于國內(nèi)產(chǎn)品的價格,這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本壓力。而在小電流傳感器技術(shù)方面,國內(nèi)的技術(shù)水平與國際水平已沒有多少差距。

由于國內(nèi)風力發(fā)電站多設(shè)在“三北地區(qū)”(華北、東北、西北)及沿海地區(qū),氣候相對惡劣,因此風電機組對傳感器性能的要求較高,尤其是對加熱功能、抗震性、抗高頻電磁干擾、防極性接反(連接)及風向指針抗沖擊和振動等能力的要求要遠高于通用傳感器的性能指標,而潮汐發(fā)電站的機組還要求傳感器具有良好的防海水腐蝕性能。

李建林告訴記者,傳感器在風電行業(yè)的應(yīng)用并非僅僅局限于風力發(fā)電行業(yè),就我國電力行業(yè)來說,使用傳感器的場合非常多。在電廠、電站主要使用壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器,在輸變電領(lǐng)域主要使用電壓傳感器、電流傳感器。它們大都屬于技術(shù)水平不高但對可靠性和穩(wěn)定性要求較高的通用傳感器,而技術(shù)水平要求較高的光傳感器現(xiàn)在在電力行業(yè)應(yīng)用還較少。

由于電廠、電站的傳感器一般都是由機組設(shè)備廠商進行選擇,所以國內(nèi)傳感器應(yīng)用的相對較多。輸變電領(lǐng)域則不同,相對發(fā)電領(lǐng)域,由于傳感器的一次性投入比較小,各個電網(wǎng)區(qū)域選擇品牌時對價格不是很敏感,而且使用一些比較新的技術(shù)可以提高輸變電水平,所以國外品牌的傳感器應(yīng)用比較多。”

軌道交通帶動新型傳感器技術(shù)的發(fā)展

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,在現(xiàn)代化先進的城市地鐵、輕軌車輛的牽引控制系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)中,均使用了VVVF調(diào)壓調(diào)頻方式的牽引逆變器及CVCF的輔助逆變器。和干線交-直-交傳動機車一樣,電流傳感器和電壓傳感器亦大量應(yīng)用在上述系統(tǒng)的直流和交流回路中,以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

但是,城市軌道交通對傳感器技術(shù)最大的推動卻在于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),紅外傳感器技術(shù)受力傳感器、氣體傳感器、速度傳感器和光電傳感器技術(shù)等新型傳感器領(lǐng)域,而不僅僅是電流傳感器和電壓傳感器等傳統(tǒng)傳感器領(lǐng)域。中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司副總工程師、高級工程師兼國際項目管理專家王術(shù)合指出,“在地鐵領(lǐng)域,與通風空調(diào)有關(guān)的如溫濕度和CO2傳感器,和防恐有關(guān)的一些有毒氣體傳感器的需求量及技術(shù)含量都很高。

在高速動車組領(lǐng)域,對與封閉車廂內(nèi)的氧氣量監(jiān)測與補給、地震、速度監(jiān)測、軸溫檢測、連接部位松動監(jiān)測、異物監(jiān)測等相關(guān)傳感器的需求非常高,這些技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善中。而防盜搶類傳感器,如高壓室玻璃破碎、誤進入,以及電纜盜搶傳感器等都很重要。”王術(shù)合進一步指出,這些傳感器與系統(tǒng)設(shè)備以及人身的安全息息相關(guān)。

在城市軌道交通車輛的空調(diào)系統(tǒng)中,常采用傳感器與電子溫控器相配合進行溫度控制。溫控器多使用電子調(diào)節(jié)器,傳感器用作溫度檢測,一般采用熱電偶或熱敏電阻作傳感器。而在客室內(nèi),由于人的呼吸,二氧化碳(CO2)的含量會增加,當增加到一定濃度后就會影響人的健康,車內(nèi)乘客攜帶的物品中產(chǎn)生的有害氣體等也會使車內(nèi)空氣變得污濁,這時就需要外界產(chǎn)生新鮮空氣,對車內(nèi)的空氣進行一定的更換,因此傳感器對氣體的精確檢測就顯得尤為重要。

自2005年1月美國華盛頓市的兩個地鐵站啟用一種能檢測到化學(xué)毒氣的傳感器開始,越來越多的地鐵站開始運用傳感檢測技術(shù)保證軌道交通的安全運行。2008北京奧運會后,國內(nèi)的許多城市都規(guī)定了軌道交通各個站點應(yīng)強制安置對爆炸物和有毒有害化學(xué)危險品檢測的傳感器。而由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括了可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多類型的傳感器,因此成為軌道交通安全保證系統(tǒng)中的主要傳感器技術(shù)。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是當代科學(xué)技術(shù)的熱點也是難點之一,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由隨機布設(shè)的大量多種類傳感器節(jié)點組成,能夠迅速組成自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),對分布式動態(tài)信息進行協(xié)同感知與處理,形成殘缺、受限的自治綜合信息系統(tǒng),是人類的遠程神經(jīng)末梢。上海微系統(tǒng)所已在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MEMS傳感器、芯片、節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同處理等方面攻克多項關(guān)鍵技術(shù)和樣機,在隨機布設(shè)組網(wǎng)、多種分簇組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架、多種通信體制、虛擬MIMO等方面取得顯著進展。在傳感網(wǎng)的盲源分離、多目標協(xié)同識別、跟蹤定位等領(lǐng)域的部分關(guān)鍵技術(shù)居世界先進水平,并針對國家重大需求,得到一定規(guī)模的重要應(yīng)用。

傳感器在保證軌道交通安全上的另一個重要應(yīng)用是屏蔽門,過去曾多次出現(xiàn)過將乘客夾在屏蔽門和列車門之間的事故,現(xiàn)在越來越多的軌道交通車站正在安裝或計劃安裝紅外傳感器或光傳感器,以防乘客變成“夾心餅干”。

國家對軌道交通建設(shè)的大力投入將進一步帶動傳感器市場的發(fā)展,除了上述傳感器以外,還包括了機器視覺傳感器,作為軌道建設(shè)中地下施工最高設(shè)備的盾構(gòu)機用傳感器等。

傳感器市場在進一步發(fā)展的同時,越來越多的傳感器廠商加入到市場的爭奪中來。作為傳感器廠商能否緊跟市場需求的牽引,不斷拓展業(yè)務(wù)藍海,提高自身的技術(shù)實力,將成為今后一段時間發(fā)展獲得突破的關(guān)鍵。