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傳感器和檢測(cè)儀表的重要性
2012-09-22
傳感器和檢測(cè)儀表的重要性
工業(yè)設(shè)備在制造過(guò)程中及整機(jī)性能測(cè)試中會(huì)遇到各種機(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)一些機(jī)械量、電量進(jìn)行檢測(cè)或監(jiān)視。這些機(jī)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(zhǎng)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(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)的角度來(lái)看，都需要通過(guò)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)連同聲音和圖像信息都是信息的源頭，所以傳感器和檢測(cè)儀表、測(cè)量?jī)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(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(lái)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(hù)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(wú)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?jī)x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)變的電信號(hào)的器件，而檢測(cè)儀表在模擬電路情況下，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)一般分連續(xù)量、離散量?jī)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(hào)傳輸采用統(tǒng)一信號(hào)(4~20mA DC等)。數(shù)字化過(guò)程中，檢測(cè)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(cè)儀稱(chēng)為變送器，如溫度變送器、壓力變送器等。
因?yàn)閭鞲衅饔糜诟餍懈鳂I(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(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，所以中國(guó)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、多種高新技術(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。
傳感器和檢測(cè)儀表的現(xiàn)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(jī)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(zhuǎn)編碼器、視覺(jué)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。目前國(guó)內(nèi)傳感器共分10大類(lèi)，24小類(lèi)，6000個(gè)品種。而國(guó)內(nèi)品種更多，如美國(guó)約有17000種傳感器，所以我國(guó)發(fā)展傳感器品種的領(lǐng)域很寬廣。
中國(guó)傳感器的市場(chǎng)近幾年一直持續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度超過(guò)15％，2003年銷(xiāo)售額為186億元，同比增長(zhǎng)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(zhǎng)率為9％，預(yù)計(jì)2008年將增加到506億美元。2003年中國(guó)傳感器應(yīng)用四大領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)及汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品專(zhuān)用設(shè)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(guó)巨大的市場(chǎng)，引來(lái)了各國(guó)廠(chǎng)商如西門(mén)子、橫河、霍尼韋爾、歐姆龍、邦納等公司，這為最終用戶(hù)和工業(yè)設(shè)備制造廠(chǎng)帶來(lái)了很大的便利，而國(guó)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)的要求。各國(guó)傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，美國(guó)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(guó)近年建立了傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國(guó)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(guò)13億只，目前我國(guó)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(dá)到20億只。
我國(guó)在參與國(guó)際傳感器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)家研究中心”，已向美國(guó)出口力敏傳感器芯片40萬(wàn)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(guó)研發(fā)的力量尚需大量投入，特別要加強(qiáng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器的開(kāi)發(fā)、科研成果的轉(zhuǎn)化及傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，在我國(guó)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(wěn)定性、可靠性)，使之合格率很高，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，我國(guó)應(yīng)在開(kāi)發(fā)專(zhuān)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(wèn)題；在傳感器的應(yīng)用上，特別是新型傳感器的應(yīng)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(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(guó)新型傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化有了動(dòng)力。
我國(guó)在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，應(yīng)該兼顧引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和自主創(chuàng)新兩方面。在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)中，可以提高自己的技術(shù)，同時(shí)也滿(mǎn)足了國(guó)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(xiàn)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、蒸氣伴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(xiàn)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，它有廣闊的市場(chǎng)，因?yàn)樗谑突?、冶金、電力等多個(gè)行業(yè)均用量很大。
傳感器和檢測(cè)儀表的發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，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)和軍事變革，是21世紀(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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)、L1GA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。傳感器和檢測(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、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。網(wǎng)絡(luò)化方面，目前主要是指采用多種現(xiàn)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(nèi)最流行的有FF、Profibus、CAN、LonWorks、AS-I、Interbus、TCP/IP等。
除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴(lài)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(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(chǔ)上，多種功能進(jìn)一步集成以至于融合，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(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)，降低其不確定性，獲得對(duì)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，所以逐步推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外，還適用于自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)器人、海洋監(jiān)視、地震觀(guān)測(cè)、建筑、空中交通管制、醫(yī)學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。
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