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傳感器和檢測儀表的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

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     近年來,傳感器正處于傳統(tǒng)型向傳感器轉型的發(fā)展階段。傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化,它不僅促進了傳統(tǒng)產業(yè)的改造,而且可導致建立工業(yè)和軍事變革,是21世紀新的經濟增長點。我國在傳感器生產產業(yè)化過程中,應該在引進國外技術和創(chuàng)新兩方面都不放松。在引進國外技術中,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(yè)規(guī)模。 傳感器和檢測儀表的重要性  工業(yè)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(yè)設備在運行中還要經常對一些機械量、電量進行檢測或監(jiān)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(yī)學),而這一切,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(xiàn)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看:傳統(tǒng)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)設備作為自動化系統(tǒng)的控制對象或作為自動化系統(tǒng)的一部分,必須能與自動化系統(tǒng)的三部分(檢測、控制、執(zhí)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(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、測量儀表或提供接口,是傳統(tǒng)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(xiàn)場顯示部分(可選擇),電信號一般分連續(xù)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(tǒng)一信號(4~20mADC等)。數(shù)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(yè),加之這些年來,家用電器、汽車、信息產業(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,形成獨立的產業(yè),這就拉動了工業(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注傳感器產業(yè)。  

    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(yè)的發(fā)展,是有難度的?!鞲衅骱蜋z測儀表的現(xiàn)狀  傳感器產品的門類品種繁多,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,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?!?/p>

    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(fā)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(xù)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(yè)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(yè)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,這為終用戶和工業(yè)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(fā)展,但這遠不能跟上形勢的要求。各國傳感器生產和研發(fā)的規(guī)模在不斷擴大,美國約有1300家生產和開發(fā)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(fā)基地,初步建立了敏感元件和傳感器產業(yè),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(fā)的企業(yè),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(fā)展,傳感器技術發(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權的傳感器的開發(fā)、科研成果的轉化及傳感器生產產業(yè)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(wěn)定性、可靠性),使之合格率很高,就需要有的制造工藝和自動化水平很高的工藝設備,我國應在開發(fā)專用工藝設備上下功夫,解決傳感器生產產業(yè)化的“瓶頸”問題;在傳感器的應用上,特別是傳感器的應用上,還沒大力推廣,改革開放創(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,也使我國傳感器生產產業(yè)化有了動力?!?/p>

    我國在傳感器生產產業(yè)化過程中,應該兼顧引進國外技術和創(chuàng)新兩方面。在引進國外技術中,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(yè)規(guī)模。如橫河公司近發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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,這種變送器的發(fā)展,配合了自動化系統(tǒng)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(fā)展?!?/p>

    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(yè)均用量很大。 傳感器和檢測儀表的發(fā)展趨勢  近年來,傳感器正處于傳統(tǒng)型向傳感器轉型的發(fā)展階段。傳感器的特點是微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化,它不僅促進了傳統(tǒng)產業(yè)的改造,而且可導致建立工業(yè)和軍事變革,是21世紀新的經濟增長點。  

    微型化是建立在微電子機械系統(tǒng)(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(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(shù)字化、智能化、網絡化、系統(tǒng)化。網絡化方面,目前主要是指采用多種現(xiàn)場總線和以太網(互聯(lián)網),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)展還有賴于敏感材料、敏感元件和納米技術,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、網絡化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等?!?/p>

    多傳感器數(shù)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(jiān)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(shù)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(shù)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(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性,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,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(jiān)視、地震觀測、建筑、空中交通管制、醫(yī)學診斷、遙感技術等方面。


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