傳感器技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展

1、傳感器技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展摘要 ： 傳感器是新技術(shù)革命和信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，而測(cè)試技術(shù)與自動(dòng)控制水平高低， 是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。本文列舉了傳感器技術(shù)在當(dāng)前一些重要領(lǐng)域里的應(yīng)用，并講述了其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞 ：傳感器技術(shù)應(yīng)用 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)一、 引言傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界令人矚目，迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，與通許技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成21 世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。 如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸。因此各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)作為本世紀(jì)重點(diǎn)技術(shù)加以發(fā)展。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化、

2、信息化和國(guó)防現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的年需求量持續(xù)增長(zhǎng)。傳感器的應(yīng)用也越來越廣泛、已滲透到各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。但是目前國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)的創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)能力落后于國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，制約了我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化和信息化技術(shù)的發(fā)展。二、傳感器介紹傳感器一般由敏感元件、 傳感元件和其他輔助件組成，有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、 輔助電源作為傳感器的組成部分。傳感 器通常可以按照一系列方法進(jìn)行分類。根據(jù)輸入物理量的分類，傳感器常以別測(cè)物理量命名，如位移傳感器，速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等；根據(jù)工作原理分類，傳感器常可以依據(jù)工作原理進(jìn)行命名，如應(yīng)變式、電容式、電感式、熱電式、光電傳感器等 ；按輸出信號(hào)分類，可分為模擬傳

3、感器和數(shù)字式傳感器。輸出量為模擬量則稱為模擬式，輸出量為數(shù)字式則稱為數(shù)字式傳感器等等。三、主要傳感器技術(shù)分類傳感器技術(shù)是當(dāng)前代表國(guó)家綜合科研水平的重要技術(shù)，傳感器技術(shù)的具體應(yīng)用是傳感器技術(shù)轉(zhuǎn)化的重要途徑和方法。加強(qiáng)對(duì)傳感器技術(shù)應(yīng)用的研究也是了解傳感器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和前提。3 1 光電傳感器技術(shù)光電傳感器技術(shù)又稱為光傳感器技術(shù)，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一種傳感器技術(shù)。光電傳感器技術(shù)可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度輻射測(cè)溫、 氣體成分分析等， 也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光電量變化的其他非電量 ，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度、以及物體形

4、狀、工作狀態(tài)等，光電傳感技術(shù)具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人技術(shù)中。3 2 多傳感器技術(shù)傳感器是獲取信息的工具。多傳感器信息融合技術(shù)軍事上的成功應(yīng)用后，大大提高了傳感器系統(tǒng)的可靠性和魯棒性、 擴(kuò)展時(shí)間上和空間上的觀測(cè)范圍、增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信任度、增強(qiáng)系統(tǒng)的分辨能力。多傳感器技術(shù)主要是信息融合技術(shù) ，除此以外還包括多傳感器陣列制作，多傳感器系統(tǒng)的性能分析，多傳感器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與管理等等。4 3 生物傳感器技術(shù)生物傳感器技術(shù)是一種將生物化學(xué)反應(yīng)能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的分析測(cè)試技術(shù)，以此而制成的傳感器裝置具有選擇性高、分析速度快、操作簡(jiǎn)易和價(jià)格低廉的特點(diǎn)。作為一門在生命

5、科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科，生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。四、傳感器應(yīng)用傳感器技術(shù)具有較強(qiáng)的生命力和良好的發(fā)展前途，事實(shí)上傳感器技術(shù)一經(jīng)誕生就立刻得到了廣泛的應(yīng)用，收到了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果。目前傳感器技術(shù)在 I Ts 智能汽車、虛擬儀器、在軍事領(lǐng)域得到了廣泛有效的應(yīng)用 。5 1 傳感器技術(shù)在ITS 中的應(yīng)用ITs 是人們將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù) 以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸體系，從而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、 高效的運(yùn)輸綜合管理系

6、統(tǒng)。I T s 系統(tǒng)中常用的傳感器有磁性傳感器、圖像傳感器、雷達(dá)檢測(cè)器、超聲波傳感器和紅外傳感器等。 這些傳感器主要應(yīng)用于車輛檢測(cè)方面、 車輛識(shí)別和分類方面、車輛控制方面、環(huán)境信息檢測(cè)方面和危險(xiǎn)駕駛警告方面。4 2 傳感器技術(shù)在智能汽車中的應(yīng)用隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)難以解決某些與汽車功能要求有關(guān)的問題。傳感器作為汽車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其技術(shù)性能將直接影響到汽車的智能化水平。目前傳感器技術(shù)在汽車智能化設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳感器技術(shù)如溫度傳感器、 壓力傳感器 、流量傳感器、氧傳感器和爆震傳感器等在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；傳感器技術(shù)

7、如自動(dòng)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)用傳感器、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用傳感器、懸架系統(tǒng)控制用傳感器和變速器控制用傳感器在汽車底盤控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 傳感器如應(yīng)用于自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中的多種風(fēng)量傳感器、日照傳感器、車速傳感器、加速度傳感器等有效地提高了汽車的安全性、可靠性和舒適性等。4 3 傳感器技術(shù)在虛擬儀器中的應(yīng)用虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)上加上軟件和硬件，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)， 就像在操作一臺(tái)自己涉及的專用的傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器中常用的傳感器有熱電偶、RTD應(yīng)變片、電流輸出器件等。具體應(yīng)用到了信號(hào)處理技術(shù)，其發(fā)揮的作用是放大、濾波與平滑和隔離；瞬態(tài)信號(hào)采集技術(shù)（ 包括同步 采樣與連續(xù)掃描 、變速采樣技術(shù)等

8、） 。4 4 傳感器技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著武器裝備現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展， 傳感器在軍事上的應(yīng)用日趨重要， 尤其表現(xiàn)在海軍和空軍的武器裝備上。目前傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在地面?zhèn)鞲衅?，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶、易于埋伏和偽裝，可用于飛機(jī)空投、火炮發(fā)射、或人工埋伏到交通先上和敵人出現(xiàn)的地段，用來執(zhí)行預(yù)警、 目標(biāo)搜索和監(jiān)視任務(wù)，當(dāng)前的軍事領(lǐng)域使用的傳感器主要有：震動(dòng)傳感器、聲響傳感器、磁傳感器、紅外傳感器、電纜傳感器、壓力傳感器和擾動(dòng)傳感器等等。傳感器技術(shù)的不斷推新與廣泛應(yīng)用大大提高了相關(guān)行業(yè)和部門的技術(shù)水平，促進(jìn)了生產(chǎn)力的不斷發(fā)展。五、我國(guó)傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)近 20 多年來，經(jīng)過技術(shù)攻

9、關(guān)、敏感元件與傳感器的制造技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步、在設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工藝、可靠性、產(chǎn)品開發(fā)等方面均有不同程度的突破與創(chuàng)新，如“九五”攻關(guān)完成的傳感器 CADK術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的全過程設(shè)計(jì)；微機(jī)械加工技術(shù)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了用微機(jī)械加工工藝批量生產(chǎn)壓力傳感器；建成了目前國(guó)內(nèi)唯一具有上世紀(jì)90 年代國(guó)際先進(jìn)制造設(shè)備、工藝及規(guī)?；a(chǎn)能力的微機(jī)械加工傳感器的生產(chǎn)線; 開發(fā)出了包括力敏、磁敏、熱敏、濕敏、氣敏等在內(nèi)的共計(jì)51 個(gè)品種、 86 個(gè)規(guī)模的傳感器、可靠性技術(shù)的發(fā)展，使傳感器的成品率普遍提高10%、可靠性技術(shù)水平提高1 2 個(gè)等級(jí)等等，但在先進(jìn)技術(shù)方面，我國(guó)傳感器的整體水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距

10、。主要表現(xiàn)在：1） 核心制造技術(shù)嚴(yán)重滯后于國(guó)外，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品差強(qiáng)人意國(guó)外傳感器的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn)、傳感器數(shù)字化、智能化、微型化已成趨勢(shì)，大多數(shù)產(chǎn)品已變成現(xiàn)實(shí)，且在不斷完善、不斷升級(jí)，而我國(guó)的傳感器雖然所涉足的研究開發(fā)領(lǐng)域基本與國(guó)外相差無幾，但由于在某些核心制造的工藝技術(shù)上還嚴(yán)重滯后于國(guó)外，所以在深度和廣度上差異較大，主要表現(xiàn)為：產(chǎn)品品種不全、規(guī)格少，新品種欠缺我國(guó)目前傳感器產(chǎn)品品種數(shù)為3000 個(gè)左右， 而國(guó)外已達(dá)2000多個(gè)， 產(chǎn)品品種滿足率僅為60%-70%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國(guó)內(nèi)傳感器的市場(chǎng)需求。從行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，老產(chǎn)品比列占60%以上，新產(chǎn)品不足40%，高新技術(shù)類產(chǎn)品更

11、少，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴(yán)重欠缺。從總體看，品種不配套、系列不全、抵擋產(chǎn)品多、高檔產(chǎn)品少、缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？萍紕?chuàng)新差，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少企業(yè)自主開發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新能力差。由于多種因素影響，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍以手工業(yè)方式生產(chǎn)技術(shù)含量低或國(guó)外已停產(chǎn)的產(chǎn)品。很多新公司就是國(guó)外產(chǎn)品的推銷商和代理商。 在多數(shù)院校和研究所中、對(duì)高技術(shù)的跟蹤和對(duì)高技術(shù)附加值產(chǎn)品的研發(fā)能力還是可以的，但其成果以樣品居多，距產(chǎn)業(yè)化較遠(yuǎn)，自主開發(fā)和擁有的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果不多。工藝裝備落后，產(chǎn)品質(zhì)量差經(jīng)過多年開發(fā)，雖然研制出一批工藝和產(chǎn)品，但由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、可靠性問題沒有得到根本解決，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品的發(fā)展。有些

12、高性能產(chǎn)品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔，從技術(shù)角度看，由于國(guó)內(nèi)傳感器生產(chǎn)工藝與工藝設(shè)備落后，微機(jī)械加工技術(shù)和封裝技術(shù)不是很先進(jìn)，手工操作比較多，檢測(cè)手段不規(guī)范等等，造成主要性能指標(biāo)和國(guó)外差1 2個(gè)數(shù)量級(jí)，使用壽命差2 3級(jí)。因此，在化工、電站、冶金、石油、環(huán)保、機(jī)械等領(lǐng)域重大工程中，許多高性能傳感器仍依賴于進(jìn)口。2） 人才資源匱乏，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不足傳感器及其產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)之一是技術(shù)密集。由于技術(shù)密集，也自然要求人才密集。 從目前國(guó)內(nèi)的情況看，能夠適應(yīng)當(dāng)今傳感器技術(shù)發(fā)展需求的具有高水平的科研隊(duì)伍及中青年科技專家、技術(shù)骨干、學(xué)術(shù)帶頭人相對(duì)缺乏，是行業(yè)技術(shù)更新?lián)Q代步伐慢，產(chǎn)業(yè)發(fā)展后勁不足。（ 3）統(tǒng)籌規(guī)

13、劃不足，投資力度不夠在我國(guó)，雖然在“七五”、 “八五” 、 “九五” 、 “十五” 、 “十一五”的科技攻關(guān)中均有立項(xiàng)，但局限性較大，目前存在的問題是重復(fù)分散、統(tǒng)籌規(guī)劃不足，科研投資強(qiáng)度偏低，科研設(shè)備落后，科研和生產(chǎn)脫節(jié)，影響了科研成果的轉(zhuǎn)化，是我國(guó)傳感器產(chǎn)品綜合實(shí)力較低。其次是由于政府重視不足，在信息技術(shù)發(fā)展的過程中， 對(duì)傳感器重要性的認(rèn)識(shí)落后于計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)，發(fā)展需求的資源投入規(guī)模和強(qiáng)度太小，是傳感器技術(shù)的發(fā)展速度緩慢，牽制了信息技術(shù)的飛速發(fā)展。六、 我國(guó)傳感器的發(fā)展方向（ 1）向高精度方向發(fā)展。隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的不斷提高，對(duì)傳感器技術(shù)的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精

14、確度高、響應(yīng)速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動(dòng)化的可靠性（ 2） 向高可靠性、寬溫范圍發(fā)展。傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向，大部分傳感器的工作范圍都在 -20 -70 ， 在軍用系統(tǒng)中要求工作溫度在-40 -85 ， 汽車、 鍋爐等場(chǎng)合對(duì)傳感器的溫度要求更高，而航天飛機(jī)和空間機(jī)器人甚至要求溫度在-80 以下，200以上。（ 3）向微功耗及無源化發(fā)展。傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時(shí)離不開電源，開發(fā)為功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向。（4）向微型化發(fā)展。特別重視MEM墓本工藝的應(yīng)用技術(shù)研究和專用工藝裝備開發(fā)， 使這

15、些工藝在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用；先進(jìn)的納米級(jí)技術(shù)的研究：納米技術(shù)的發(fā)展，可能導(dǎo)致傳感器研究在許多領(lǐng)域產(chǎn)生突破性進(jìn)展。5）向多維化、多功能化和模糊識(shí)別方向發(fā)展：未來的傳感器將突破零維、瞬間的單一量檢測(cè)方式、在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)廣泛，空間上實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張，檢測(cè)量實(shí)現(xiàn)多元、檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)模糊識(shí)別。（ 6）向集成化發(fā)展：集成式微型智能傳感器是世界范圍內(nèi)全新的研究課題、具有巨大的潛在價(jià)值和廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。（ 7）向只能化數(shù)字化發(fā)展：借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表針方式、用單獨(dú)一個(gè)傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多種傳感器的功能。七、 我國(guó)傳感器的發(fā)展途徑傳感器的發(fā)展途徑大致有以下幾個(gè)方面：（ 1）加速開發(fā)新型敏感材

16、料、采用新材料：通過微電子、光電子、生物化學(xué)、信息處理等各種學(xué)科，各種新技術(shù)的互相滲透和找哦你和利用，開發(fā)出更新式材料，研制出一批基于新型敏感材料的先進(jìn)傳感器。（ 2）采用新的加工方法：新的加工方法如半導(dǎo)體的精密微加工技術(shù)、靜電封裝技術(shù)、 全固態(tài)封裝技術(shù)等不但使傳感器的性能指標(biāo)得以提高，應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大，還可加工出原有工藝不能制造的新型傳感器。（ 3）采用新的原理：隨著各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，人們對(duì)于自然認(rèn)識(shí)的不斷深化，會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等，利用這些新的效應(yīng)可開發(fā)出相應(yīng)的新型傳感器。（ 4）采用新的構(gòu)思：許多古老的原理或設(shè)計(jì)，在巧妙的構(gòu)思下可以產(chǎn)生出新的傳感器。 如： 對(duì)

17、熱敏感的熱敏電阻可做成溫度傳感器，也可把酶固定在電阻表面，用來檢測(cè)酶反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量，根據(jù)酶反應(yīng)的專一性，就可測(cè)定酶的生物含量、從而做成各種酶熱敏電阻生物傳感器。八 結(jié)論目前，我國(guó)傳感器產(chǎn)品及其產(chǎn)業(yè)化水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，而傳感器的發(fā)展階段正處于由傳統(tǒng)向新型傳感器發(fā)展的關(guān)鍵階段，傳感器更新?lián)Q代快、需求量大、需求增長(zhǎng)速度快。由于國(guó)內(nèi)傳感器的發(fā)展落后于需求的增加，國(guó)內(nèi)大片市場(chǎng)被國(guó)外產(chǎn)品所占領(lǐng)，面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)傳感器行業(yè)處于非常不利的地位，甚至在某些領(lǐng)域出現(xiàn)生存危機(jī)。因此，要抓住機(jī)遇，立意創(chuàng)新，迎接挑戰(zhàn)，堅(jiān)持走科學(xué)與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的道路，加強(qiáng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型傳感器的開發(fā)，加速現(xiàn)有科研成果的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，迅速提高國(guó)內(nèi)傳感器的市場(chǎng)占有率，是我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)自生發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急，也是我國(guó)傳感器發(fā)展的必有之路。參考文獻(xiàn)：（ 1）劉梅傳感器技術(shù), 現(xiàn)代科技的開路先鋒中國(guó)科技信息，2005， 18（ 2）谷有臣，孔英，陳若輝. 傳感器技術(shù)的發(fā)展和趨勢(shì)綜述物理實(shí)驗(yàn)，2002，12（ 3）李永東交