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傳感器和檢測儀表的現狀及發(fā)展趨勢分析

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     近年來(lái),傳感器正處于傳統型向傳感器轉型的發(fā)展階段。傳感器的特點(diǎn)是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化,它不僅促進(jìn)了傳統產(chǎn)業(yè)的改造,而且可導致建立工業(yè)和軍事變革,是21世紀新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。我國在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中,應該在引進(jìn)國外技術(shù)和創(chuàng )新兩方面都不放松。在引進(jìn)國外技術(shù)中,可以提高自己的技術(shù),同時(shí)也滿(mǎn)足了國內市場(chǎng)的需求,形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規模。 傳感器和檢測儀表的重要性  工業(yè)設備在制造過(guò)程中及整機性能測試中會(huì )遇到各種機械量和幾何量,有些工業(yè)設備在運行中還要經(jīng)常對一些機械量、電量進(jìn)行檢測或監視。這些機械量有位移、速度、加速度、力、力矩、功率、壓力、流量、溫度、硬度、密度、溫度、比重和粘度等,幾何量有長(cháng)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)際在人們生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗中還會(huì )遇到化學(xué)量、生物量(包括醫學(xué)),而這一切,從信號的角度來(lái)看,都需要通過(guò)傳感器,將其轉換成電信號(近代還可以轉換成光信號),而后再進(jìn)行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制……,從信息的角度看,這些信號連同聲音和圖像信息都是信息的源頭,所以傳感器和檢測儀表、測量?jì)x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。  

    在現代工業(yè)設備中,傳感器和檢測儀表是不可或缺的一部分的理由,還可由以下兩方面來(lái)看:傳統的工業(yè)設備如在其上增加了必要的傳感器,配備精密測量部件(附件),則其功能和精度可以提高,便于用戶(hù)操作和維護,安全等級也可以提高,設備可以增值;工業(yè)設備作為自動(dòng)化系統的控制對象或作為自動(dòng)化系統的一部分,必須能與自動(dòng)化系統的三部分(檢測、控制、執行)相兼容或提供接口,使之集成為一個(gè)有機的整體,無(wú)論是單機自動(dòng)化或作為大型自動(dòng)化裝置的一部分,都使該工業(yè)設備的用途擴大。綜上所述,作為工業(yè)設備本身增加傳感器和檢測儀表、測量?jì)x表或提供接口,是傳統設備更新?lián)Q代的必要條件。 傳感器是一種把非電量轉變的電信號的器件,而檢測儀表在模擬電路情況下,一般是包括傳感器、檢測點(diǎn)取樣設備及放大器(進(jìn)行抗干擾處理及信號傳輸),當然還有電源及現場(chǎng)顯示部分(可選擇),電信號一般分連續量、離散量?jì)煞N,實(shí)際上還可分成模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量等,模擬信號傳輸采用統一信號(4~20mADC等)。數字化過(guò)程中,檢測儀表變化比較大,經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段,近來(lái)多采用ASIC專(zhuān)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)常把檢測儀稱(chēng)為變送器,如溫度變送器、壓力變送器等。  因為傳感器用于各行各業(yè),加之這些年來(lái),家用電器、汽車(chē)、信息產(chǎn)業(yè)三方面的飛速發(fā)展,對傳感器需求大增,所以傳感器制造業(yè)發(fā)展很快,形成獨立的產(chǎn)業(yè),這就拉動(dòng)了工業(yè)設備,特別是半導體、設備制造業(yè)的發(fā)展,所以中國有必要特別關(guān)注傳感器產(chǎn)業(yè)。  

    傳感器產(chǎn)品品種多,采用的科學(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、多種技術(shù)配合,雖然具有高附加效益,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?!鞲衅骱蜋z測儀表的現狀  傳感器產(chǎn)品的門(mén)類(lèi)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,各種力敏傳感器、氣敏傳感器、分析儀表等,用于機械工業(yè)的還有:開(kāi)關(guān)類(lèi)的接近/定位傳感器、安全門(mén)開(kāi)關(guān)等安全傳感器、旋轉編碼器、視覺(jué)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等?!?/p>

    目前國內傳感器共分10大類(lèi),24小類(lèi),6000個(gè)品種。而國內品種更多,如美國約有17000種傳感器,所以我國發(fā)展傳感器品種的領(lǐng)域很寬廣。 中國傳感器的市場(chǎng)近幾年一直持續增長(cháng),增長(cháng)速度超過(guò)15%,2003年銷(xiāo)售額為186億元,同比增長(cháng)32.9%;而世界非軍用傳感器市場(chǎng)1998年為325億美元,平均增長(cháng)率為9%,預計2008年將增加到506億美元。2003年中國傳感器應用四大領(lǐng)域為工業(yè)及汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品專(zhuān)用設備,其中工業(yè)和汽車(chē)電子產(chǎn)品占市場(chǎng)份額的33.5%。由于改革開(kāi)放,我國巨大的市場(chǎng),引來(lái)了各國廠(chǎng)商如西門(mén)子、橫河、霍尼韋爾、歐姆龍、邦納等公司,這為終用戶(hù)和工業(yè)設備制造廠(chǎng)帶來(lái)了很大的便利,而國內傳感器和檢測儀表生產(chǎn)雖有發(fā)展,但這遠不能跟上形勢的要求。各國傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規模在不斷擴大,美國約有1300家生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)傳感器的廠(chǎng)家,100多個(gè)研究院所和院校,日本有800家廠(chǎng)商。我國近年建立了傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、微米/納米國家重點(diǎn)實(shí)驗室等研發(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(guò)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),其中從事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)量已達到20億只。  

    我國在參與傳感器市場(chǎng)競爭方面也走出了新路子,如沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院的“傳感器國家研究中心”,已向美國出口力敏傳感器芯片40萬(wàn)只。  傳感器技術(shù)包括敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術(shù)四個(gè)方面,約有30多種技術(shù)。隨著(zhù)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,特別要加強具有知識產(chǎn)權的傳感器的開(kāi)發(fā)、科研成果的轉化及傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題,在我國更是迫在眉睫的問(wèn)題,在批量生產(chǎn)情況下,控制傳感器產(chǎn)品性能(主要是穩定性、可靠性),使之合格率很高,就需要有的制造工藝和自動(dòng)化水平很高的工藝設備,我國應在開(kāi)發(fā)專(zhuān)用工藝設備上下功夫,解決傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的“瓶頸”問(wèn)題;在傳感器的應用上,特別是傳感器的應用上,還沒(méi)大力推廣,改革開(kāi)放創(chuàng )造了有利條件,各種工業(yè)設備應用了的傳感器,這擴大了傳感器市場(chǎng),也使我國傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化有了動(dòng)力?!?/p>

    我國在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中,應該兼顧引進(jìn)國外技術(shù)和創(chuàng )新兩方面。在引進(jìn)國外技術(shù)中,可以提高自己的技術(shù),同時(shí)也滿(mǎn)足了國內市場(chǎng)的需求,形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規模。如橫河公司近發(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,采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù),由于能把質(zhì)量流量、介質(zhì)壓力及導管堵塞、診斷、蒸氣伴熱診斷和孔板磨損情況等多種變量和信息經(jīng)現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸給中央控制室;對保證生產(chǎn)和提供設備維護信息、保證安全運行都很有利,這種變送器的發(fā)展,配合了自動(dòng)化系統管控一體化的變革,只有信息源頭能力強了,信息豐富了,才能使信息化更好促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展?!?/p>

    另外,它有廣闊的市場(chǎng),因為它在石油化工、冶金、電力等多個(gè)行業(yè)均用量很大。 傳感器和檢測儀表的發(fā)展趨勢  近年來(lái),傳感器正處于傳統型向傳感器轉型的發(fā)展階段。傳感器的特點(diǎn)是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化,它不僅促進(jìn)了傳統產(chǎn)業(yè)的改造,而且可導致建立工業(yè)和軍事變革,是21世紀新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。  

    微型化是建立在微電子機械系統(MEMS)技術(shù)基礎上的,目前已成功應用在硅器件上形成硅壓力傳感器(如上述EJX變送器)。微電子機械加工技術(shù),包括體微機械加工技術(shù)、表面微機械加工技術(shù)、L1GA技術(shù)(X光深層光刻、微電鑄和微復制技術(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。傳感器和檢測儀表,在微電子技術(shù)基礎上,內置微處理器,或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路(運算放大器、A/D、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字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、系統化。網(wǎng)絡(luò )化方面,目前主要是指采用多種現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng)),這要按各行業(yè)的需求,選擇其中的一種或多種,近年內流行的有FF、Profibus、CAN、LonWorks、AS-I、Interbus、TCP/IP等?!〕齅EMS外,傳感器的發(fā)展還有賴(lài)于敏感材料、敏感元件和納米技術(shù),如光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、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?!?/p>

    多傳感器數據融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn),它形成于20世紀80年代,它不同于一般信號處理,也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監測和測量,而是對基于多個(gè)傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過(guò)程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高,在信息獲取基礎上,多種功能進(jìn)一步集成以至于融合,這是必然的趨勢。多傳感器數據融合技術(shù)也促??概括為:把分布在不同位置的多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器所提供的局部數據資源加以綜合,采用計算機技術(shù)對其進(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,降低其不確定性,獲得對被測對象的一致性解釋與描述,從而提高系統決策、規劃、反應的快速性和正確性,使系統獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現,包括數據層(像素層)融合、特征層融合、決策層(證據層)融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn),即容錯性、互補性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟性,所以逐步推廣應用。應用領(lǐng)域除軍事外,還適用于自動(dòng)化技術(shù)、機器人、海洋監視、地震觀(guān)測、建筑、空中交通管制、醫學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。


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