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傳感器和檢測儀表的現狀及發展趨勢分析

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     近年來,傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發展階段。新型傳感器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化,它不僅促進了傳統產業的改造,而且可導致建立新型工業和軍事變革,是21世紀新的經濟增長點。我國在傳感器生產產業化過程中,應該在引進國外技術和自主創新兩方面都不放松。在引進國外先進技術中,可以提高自己的技術,同時也滿足了國內市場的需求,形成了傳感器生產產業規模。 傳感器和檢測儀表的重要性  工業設備在制造過程中及整機性能測試中會遇到各種機械量和幾何量,有些工業設備在運行中還要經常對一些機械量、電量進行檢測或監視。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。實際在人們生產、生活和科學實驗中還會遇到化學量、生物量(包括醫學),而所有這一切,從信號的角度來看,都需要通過傳感器,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、測量儀表是信息科學技術的三部分(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看:傳統的工業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,便于用戶操作和維護,安全等級也可以提高,設備可以增值;工業設備作為自動化系統的控制對象或作為自動化系統的一部分,必須能與自動化系統的三部分(檢測、控制、執行)相兼容或提供接口,使之集成為一個有機的整體,無論是單機自動化或作為大型自動化裝置的一部分,都使該工業設備的用途擴大。綜上所述,作為工業設備本身增加傳感器和檢測儀表、測量儀表或提供接口,是傳統設備更新換代的必要條件。 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、檢測點取樣設備及放大器(進行抗干擾處理及信號傳輸),當然還有電源及現場顯示部分(可選擇),電信號一般分連續量、離散量兩種,實際上還可分成模擬量、開關量、脈沖量等,模擬信號傳輸采用統一信號(4~20mADC等)。數字化過程中,檢測儀表變化比較大,經過幾個階段,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絡接口封裝在一個器件中,完成信息獲取、處理、傳輸、存貯等功能。在自動化儀表中經常把檢測儀稱為變送器,如溫度變送器、壓力變送器等。  因為傳感器用于各行各業,加之這些年來,家用電器、汽車、信息產業三方面的飛速發展,對傳感器需求大增,所以傳感器制造業發展很快,形成獨立的產業,這就拉動了工業設備,特別是半導體、設備制造業的發展,所以中國有必要特別關注傳感器產業。  

    傳感器產品品種多,采用的科學原理多,技術密集,具有多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性,需要多學科、多種高新技術配合,雖然具有高附加效益,但本身價格不高,所以要推動傳感器產業的發展,是有難度的。 傳感器和檢測儀表的現狀  傳感器產品的門類品種繁多,用于流程工業的主要有: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,用于機械工業的還有:開關類的接近/定位傳感器、安全門開關等安全傳感器、旋轉編碼器、視覺傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。 

    目前國內傳感器共分10大類,24小類,6000個品種。而國內品種更多,如美國約有17000種傳感器,所以我國發展傳感器品種的領域很寬廣。 中國傳感器的市場近幾年一直持續增長,增長速度超過15%,2003年銷售額為186億元,同比增長32.9%;而世界非軍用傳感器市場1998年為325億美元,平均增長率為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域為工業及汽車電子產品、通信電子產品、消費電子產品專用設備,其中工業和汽車電子產品占市場份額的33.5%。由于改革開放,我國巨大的市場,引來了各國廠商如西門子、橫河、霍尼韋爾、歐姆龍、邦納等公司,這為最終用戶和工業設備制造廠帶來了很大的便利,而國內傳感器和檢測儀表生產雖有發展,但這遠不能跟上形勢的要求。各國傳感器生產和研發的規模在不斷擴大,美國約有1300家生產和開發傳感器的廠家,100多個研究院所和院校,日本有800家廠商。我國近年建立了傳感器技術國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室等研發基地,初步建立了敏感元件和傳感器產業,2000年總產量超過13億只,目前我國已有1688家從事傳感器的生產和研發的企業,其中從事MEMS研制生產的已有50多家,到“十五”末期,敏感元件和傳感器年總產量已達到20億只。  

    我國在參與國際傳感器市場競爭方面也走出了新路子,如沈陽儀表科學研究院的“傳感器國家研究中心”,已向美國出口力敏傳感器芯片40萬只。  傳感器技術包括敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術四個方面,約有30多種技術。隨著微電子技術的發展,傳感器技術發展很快,我國研發的力量尚需大量投入,特別要加強具有自主知識產權的傳感器的開發、科研成果的轉化及傳感器生產產業化問題,在我國更是迫在眉睫的問題,在批量生產情況下,控制傳感器產品性能(主要是穩定性、可靠性),使之合格率很高,就需要有先進的制造工藝和自動化水平很高的工藝設備,我國應在開發專用工藝設備上下功夫,解決傳感器生產產業化的“瓶頸”問題;在傳感器的應用上,特別是新型傳感器的應用上,還沒大力推廣,改革開放創造了有利條件,各種工業設備應用了先進的傳感器,這擴大了傳感器市場,也使我國新型傳感器生產產業化有了動力。 

    我國在傳感器生產產業化過程中,應該兼顧引進國外技術和自主創新兩方面。在引進國外先進技術中,可以提高自己的技術,同時也滿足了國內市場的需求,形成了傳感器生產產業規模。如橫河公司最近發布的EJX多變量變送器,就是個可以考慮引進技術的例子,它精度高(0.025%)、智能化程度高,采用現場總線技術,由于能把質量流量、介質壓力及導管堵塞、診斷、蒸氣伴熱診斷和孔板磨損情況等多種變量和信息經現場總線傳輸給中央控制室;對保證生產和提供設備維護信息、保證安全運行都很有利,這種新型變送器的發展,配合了自動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生產力發展。 

    另外,它有廣闊的市場,因為它在石油化工、冶金、電力等多個行業均用量很大。 傳感器和檢測儀表的發展趨勢  近年來,傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發展階段。新型傳感器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化,它不僅促進了傳統產業的改造,而且可導致建立新型工業和軍事變革,是21世紀新的經濟增長點。  

    微型化是建立在微電子機械系統(MEMS)技術基礎上的,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,包括體微機械加工技術、表面微機械加工技術、L1GA技術(X光深層光刻、微電鑄和微復制技術)、激光微加工技術和微型封裝技術等。MEMS的發展,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,在微電子技術基礎上,內置微處理器,或把微傳感器和微處理器及相關集成電路(運算放大器、A/D、D/A、存貯器、網絡通訊接口電路)等封裝在一起完成了數字化、智能化、網絡化、系統化。網絡化方面,目前主要是指采用多種現場總線和以太網(互聯網),這要按各行業的需求,選擇其中的一種或多種,近年內最流行的有FF、Profibus、CAN、LonWorks、AS-I、Interbus、TCP/IP等。 除MEMS外,新型傳感器的發展還有賴于新型敏感材料、敏感元件和納米技術,如新一代光纖傳感器、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、新型量子傳感器、微型陀螺、網絡化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。 

    多傳感器數據融合技術正在形成熱點,它形成于20世紀80年代,它不同于一般信號處理,也不同于單個或多個傳感器的監測和測量,而是對基于多個傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過程。有鑒于傳感器技術的微型化、智能化程度提高,在信息獲取基礎上,多種功能進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也促??概括為:把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的局部數據資源加以綜合,采用計算機技術對其進行分析,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點,即容錯性、互補性、實時性、經濟性,所以逐步推廣應用。應用領域除軍事外,還適用于自動化技術、機器人、海洋監視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫學診斷、遙感技術等方面。


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