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傳感器和檢測儀表的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
我國傳感器產(chǎn)業(yè)要適應(yīng)技術(shù)潮流,根據(jù)市場需求,做到“新苗交替、遠近結(jié)合、品種齊全、滿足需求”,做到“大、中、小并舉”,“集團化和專業(yè)化生產(chǎn)并存”,向國內(nèi)外兩個市場相結(jié)合的國際化方向發(fā)展,讓傳感器和檢測儀表抓住信息化的發(fā)展機遇。傳感器和檢測儀表的現(xiàn)狀,并預(yù)測了今后的發(fā)展趨勢
工業(yè)設(shè)備在制造過程及整機性能測試中離不開各種機械量和幾何量,有些工業(yè)設(shè)備在運行中還要經(jīng)常對多種物量進行檢測或監(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。實際生產(chǎn)、生活和科學(xué)實驗中還會遇到化學(xué)量、生物量(包括醫(yī)學(xué)),而所有這一切,從信號工程的角度來看,都需要通過傳感器,將其轉(zhuǎn)換成電信號(近代還可以轉(zhuǎn)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象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(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(shè)備可以增值;工業(yè)設(shè)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(shè)備的用途擴大。綜上所述,作為工業(yè)設(shè)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(shè)備更新?lián)Q代的必要條件。
傳感器是一種把非電量轉(zhuǎn)變成電信號的器件,而檢測儀表在模擬電子技術(shù)條件下,一般是包括傳感器、檢測點取樣設(shè)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),電信號一般為連續(xù)量、離散量兩種,實際上還可分成模擬量、開關(guān)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(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(jīng)常把檢測儀表稱為變送器,如問題變送器、壓力變送器等。
因為傳感器用于各行各業(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,但本身價格不高,所以要推動傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,是有難度的。
傳感器和檢測儀表的現(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)域為工業(yè)及汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(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)傳感器和檢測儀表生產(chǎn)雖有發(fā)展,但這遠不能跟上形勢的需求。各國傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規(guī)模在不斷擴大,美國約有1300家生產(chǎn)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(shù)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(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)量已達到20億只。
我國在參加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(xué)研究院的“傳感器國家工程研究中心。”已向美國出口力敏傳感器芯片40萬只。
傳感器技術(shù)包括敏感機理,敏感材料,工藝設(shè)備和計測技術(shù)四個方面約有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,特別要加強具存自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器的創(chuàng)新開發(fā)。科研成果的轉(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),使之合格率達到商業(yè)化產(chǎn)業(yè)要求,就需要有先進的制造工藝和自動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)造了市場經(jīng)濟條件,各種工業(yè)設(shè)備應(yīng)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(chǎn)產(chǎn)業(yè)化有了動力。
在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過程中,應(yīng)該在引進國際技術(shù)和自主創(chuàng)新兩方面都不放松。在引進國外先進技術(shù)中,可以提高自己的技術(shù),同時也滿足了國內(nèi)市場的需求,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,就是個可以考慮引進技術(shù)的例子,它精度高(0.025%)、智能化程度高,采用現(xiàn)場總線技術(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)場總線傳輸給中央控制室;對保證生產(chǎn)和提供設(shè)備維護信息、保證安全運行都很有利,這種新型變送器的發(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(chǎn)力發(fā)展。另外,廣闊的重化工工業(yè)市場使得新型傳感器變送器在石油化工、冶金、電力等多個行業(yè)用量可以達到批量化產(chǎn)業(yè)要求。
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)型向新型傳感器轉(zhuǎn)型的發(fā)展階段。新型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(wǎng)絡(luò)化,它不僅促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造,而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè),是21世紀新的經(jīng)濟增長點。微型化是建立在微電子機械系統(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)、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)還完成了微電動機或執(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)場總線和以太網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng)),這要按各行業(yè)的特點,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,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(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,多種功能進一步集成以致于融合,這是必然的趨勢,多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)也促進了傳感器技術(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,采用計算機技術(shù)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,降低其不確實性,獲得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(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,即容錯性、互補性、實時性、經(jīng)濟性,所以逐步得到推廣應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域除軍事外,已適用于自動化技術(shù)、機器人、海洋監(jiān)視、地震觀測、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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