傳感器和檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

我國傳感器產(chǎn)業(yè)要適應(yīng)技術(shù)潮流，根據(jù)市場(chǎng)需求，做到“新苗交替、遠(yuǎn)近結(jié)合、品種齊全、滿足需求”，做到“大、中、小并舉”，“集團(tuán)化和專業(yè)化生產(chǎn)并存”，向國內(nèi)外兩個(gè)市場(chǎng)相結(jié)合的國際化方向發(fā)展，讓傳感器和檢測(cè)儀表抓住信息化的發(fā)展機(jī)遇。傳感器和檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀，并預(yù)測(cè)了今后的發(fā)展趨勢(shì)。 工業(yè)設(shè)備在制造過程及整機(jī)性能測(cè)試中離不開各種機(jī)械量和幾何量，有些工業(yè)設(shè)備在運(yùn)行中還要經(jīng)常對(duì)多種物量進(jìn)行檢測(cè)或監(jiān)視，包括位移、速度、加速度、力、力矩、功率、壓力、流量、溫度、硬度、密度、濕度、比重、黏度、長度、角度、形狀、位置、表面粗糙度、表面波形等，這些均屬于物理量。實(shí)際生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中還會(huì)遇到化學(xué)量、生物量（包括醫(yī)學(xué)），而所有這一切，從信號(hào)工程的角度來看，都需要通過傳感器，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（近代還可以轉(zhuǎn)換成光信號(hào)），而后再進(jìn)行信號(hào)的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、控制……，從信息的角度看，這些信號(hào)連同聲音和圖象信息都是信息的源頭，所以傳感器和檢測(cè)儀表、測(cè)量儀表是信息科學(xué)技術(shù)的三部分（信息獲取、信息傳輸、信息處理）中的重要部分。 在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中，傳感器和檢測(cè)儀表是不可或缺的一部分的理由，還可由以下兩方面來看，傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備如在其上增加了必要的傳感器，配備精密測(cè)量部件（附件），則其功能和精度可以提高，便于用戶操作和維護(hù)，安全等級(jí)也可以提高，設(shè)備可以增值；工業(yè)設(shè)備作為自動(dòng)化系統(tǒng)的控制對(duì)象或作為自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分，必須能與自動(dòng)化系統(tǒng)的三部分（檢測(cè)、控制、執(zhí)行）相兼容或提供接口，使之集成為一個(gè)有機(jī)的整體，無論是單機(jī)自動(dòng)化或作為大型自動(dòng)化裝置的一部分，都使該工業(yè)設(shè)備的用途擴(kuò)大。綜上所述，作為工業(yè)設(shè)備本身增加傳感器和檢測(cè)儀表、測(cè)量儀表或提供接口，是傳統(tǒng)設(shè)備更新?lián)Q代的必要條件。 傳感器是一種把非電量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件，而檢測(cè)儀表在模擬電子技術(shù)條件下，一般是包括傳感器、檢測(cè)點(diǎn)取樣設(shè)備及放大器（進(jìn)行抗干擾處理及信號(hào)傳輸），當(dāng)然還有電源及現(xiàn)場(chǎng)顯示部分（可選擇），電信號(hào)一般為連續(xù)量、離散量兩種，實(shí)際上還可分成模擬量、開關(guān)量、脈沖量等，模擬信號(hào)傳輸采用統(tǒng)一信號(hào)（4-20mADC等）。數(shù)字化過程中，檢測(cè)儀表變化比較大，經(jīng)過幾個(gè)階段，近來多采用ASIC專用集成電路，而且把傳感器和微處理器及網(wǎng)絡(luò)接口封裝在一個(gè)器件中，完成信息獲取、處理、傳輸、存貯等功能。在自動(dòng)化儀表中經(jīng)常把檢測(cè)儀表稱為變送器，如問題變送器、壓力變送器等。 因?yàn)閭鞲衅饔糜诟餍懈鳂I(yè)，加之近年家用電器、汽車、信息產(chǎn)業(yè)三方面的飛速發(fā)展，對(duì)傳感器需求大增，所以傳感器制造業(yè)發(fā)展很快，形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，這就拉動(dòng)了工業(yè)設(shè)備，特別是半導(dǎo)體設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展，所以人們有必要特別關(guān)注傳感器產(chǎn)業(yè)。 傳感器產(chǎn)品品種繁多，基于的科學(xué)原理多，技術(shù)密集，具有多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性，需要多學(xué)科、多種高新技術(shù)配合。雖然傳感器具有高附加效益，但本身價(jià)格不高，所以要推動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是有難度的。 傳感器和檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀 傳感器產(chǎn)品的門類品種繁多，用于流程工業(yè)的主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、重量傳感器、流量傳感器、液位傳感器、氧敏傳感器、力敏傳感器、氣敏傳感器、分析儀表……，用于機(jī)械工業(yè)的還有：開關(guān)類的接近/定位傳感器安全門開關(guān)等安全傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、視覺傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等，國內(nèi)傳感器共分10大類，24小類，6000個(gè)品種，而國外品種更多，如美國約有17000種傳感器，所以發(fā)展傳感器品種的領(lǐng)域很寬廣。中國傳感器的市場(chǎng)近幾年一直持續(xù)增長，一般增長速度超過15%，2003年銷售額為186億元，同比增長率為9%，預(yù)計(jì)2008年將增加到506億美圓。2003年中國傳感器應(yīng)用四大領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)及汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品、專用設(shè)備，其中工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品占市場(chǎng)份額的33.5%。由于改革開放，我國巨大的市場(chǎng)，引來了各國廠商，如西門子、橫河、霍尼威爾、歐姆龍、邦納等公司，這為最終用戶和工業(yè)設(shè)備制造商帶來了很大的便利，而國內(nèi)傳感器和檢測(cè)儀表生產(chǎn)雖有發(fā)展，但這遠(yuǎn)不能跟上形勢(shì)的需求。各國傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，美國約有1300家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家，100多個(gè)研究院所和院校，日本有800家廠商。我國近年建立了傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研發(fā)基地，初步建立了敏感元件和傳感器產(chǎn)業(yè)，2000年總產(chǎn)量超過13億只，目前我國已有1688家從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)，其中MEMS研制生產(chǎn)的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和傳感器年總產(chǎn)量已達(dá)到20億只。 我國在參加國際傳感器市場(chǎng)競爭方面也走出了新路子，如沈陽儀表科學(xué)研究院的“傳感器國家工程研究中心?！币严蛎绹隹诹γ魝鞲衅餍酒?0萬只。 傳感器技術(shù)包括敏感機(jī)理，敏感材料，工藝設(shè)備和計(jì)測(cè)技術(shù)四個(gè)方面約有30多種技術(shù)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)發(fā)展很快，我國研發(fā)的力量尚需大量投入，特別要加強(qiáng)具存自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器的創(chuàng)新開發(fā)?？蒲谐晒霓D(zhuǎn)化及傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問題，在我國更是迫在眉睫的問題，在批量生產(chǎn)情況下，控制傳感器產(chǎn)品性能（主要是穩(wěn)定性、可靠性），使之合格率達(dá)到商業(yè)化產(chǎn)業(yè)要求，就需要有先進(jìn)的制造工藝和自動(dòng)化水平很高的工藝設(shè)備，因此應(yīng)在開發(fā)專用工藝設(shè)備上下功夫，解決傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的“瓶頸”問題。在傳感器的應(yīng)用上，特別是新型傳感器的應(yīng)用上，還得大力推廣，改革開放創(chuàng)造了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件，各種工業(yè)設(shè)備應(yīng)用了先進(jìn)的傳感器，這擴(kuò)大了傳感器市場(chǎng)，也使我國新型傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化有了動(dòng)力。 在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過程中，應(yīng)該在引進(jìn)國際技術(shù)和自主創(chuàng)新兩方面都不放松。在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)中，可以提高自己的技術(shù)，同時(shí)也滿足了國內(nèi)市場(chǎng)的需求，形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)模。如橫河公司最近發(fā)布的EJX多變量變送器，就是個(gè)可以考慮引進(jìn)技術(shù)的例子，它精度高（0.025%）、智能化程度高，采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，由于能把質(zhì)量、流量、介質(zhì)壓力及導(dǎo)管堵塞診斷、蒸氣體熱診斷和孔板磨損情況等多種變量和信息經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給中央控制室；對(duì)保證生產(chǎn)和提供設(shè)備維護(hù)信息、保證安全運(yùn)行都很有利，這種新型變送器的發(fā)展，配合了自動(dòng)化系統(tǒng)管控一體化的變革，只有信息源頭能力強(qiáng)了，信息豐富了，才能使信息化更好促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。另外，廣闊的重化工工業(yè)市場(chǎng)使得新型傳感器變送器在石油化工、冶金、電力等多個(gè)行業(yè)用量可以達(dá)到批量化產(chǎn)業(yè)要求。 傳感器和檢測(cè)儀表的發(fā)展趨勢(shì) 近年來，傳感器正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，它不僅促進(jìn)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。微型化是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)基礎(chǔ)上的，目前已成功應(yīng)用在硅器件上形成硅壓力傳感器（如上述EJX變送器）。微電子機(jī)械加工技術(shù)，包括體微機(jī)械加工技術(shù)、表面微機(jī)械加工技術(shù)、LIGA技術(shù)（X光深層光刻、微電鑄和微復(fù)制技術(shù)）、激光微加工技術(shù)和微型封裝技術(shù)等。MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器的檢測(cè)儀表，在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上，內(nèi)置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路（運(yùn)算放大器、A/D或D/A、存貯器、網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路）等封裝在一起完成了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化。（注：MEMS技術(shù)還完成了微電動(dòng)機(jī)或執(zhí)行器等產(chǎn)品，將另作文介紹）網(wǎng)絡(luò)化方面，目前主要是指采用多種現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)），這要按各行業(yè)的特點(diǎn)，選擇其中的一種或多種，近年內(nèi)最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS-Interbus、TCP/IP等。 除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導(dǎo)傳感器、焦平面陳列紅外探測(cè)器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò)化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn)，它形成于20世紀(jì)80年代，它不同于一般信號(hào)處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)和測(cè)量，而是對(duì)基于多個(gè)傳感器測(cè)量結(jié)果基礎(chǔ)上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎(chǔ)上，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，這是必然的趨勢(shì)，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義概括：把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類傳感器所提供的局部數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，降低其不確實(shí)性，獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)層（像素層）融合、特征層融合、決策層（證據(jù)層）融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯(cuò)性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性，所以逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，已適用于自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人、海洋監(jiān)視、地震觀測(cè)、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。