傳感器技術的應用及其發(fā)展

1、傳感器技術的應用及其發(fā)展摘要 ： 傳感器是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，傳感器技術是實現(xiàn)測試與自動控制的重要環(huán)節(jié)，而測試技術與自動控制水平高低， 是衡量一個國家科學技術現(xiàn)代化程度的重要標志。本文列舉了傳感器技術在當前一些重要領域里的應用，并講述了其發(fā)展趨勢。關鍵詞 ：傳感器技術應用 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢一、 引言傳感器技術是當今世界令人矚目，迅速發(fā)展的高新技術之一，也是當代科學發(fā)展的一個重要標志，與通許技術、計算機技術共同構成21 世紀信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。 如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸。因此各發(fā)達國家都將傳感器技術作為本世紀重點技術加以發(fā)展。隨著國內工業(yè)自動化、

2、信息化和國防現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的年需求量持續(xù)增長。傳感器的應用也越來越廣泛、已滲透到各個專業(yè)領域。但是目前國內傳感器技術的創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)能力落后于國內外先進水平，制約了我國工業(yè)自動化和信息化技術的發(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，有時也將信號調節(jié)與轉換電路、 輔助電源作為傳感器的組成部分。傳感 器通?？梢园凑找幌盗蟹椒ㄟM行分類。根據(jù)輸入物理量的分類，傳感器常以別測物理量命名，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?？梢砸罁?jù)工作原理進行命名，如應變式、電容式、電感式、熱電式、光電傳感器等 ；按輸出信號分類，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、主要傳感器技術分類傳感器技術是當前代表國家綜合科研水平的重要技術，傳感器技術的具體應用是傳感器技術轉化的重要途徑和方法。加強對傳感器技術應用的研究也是了解傳感器技術發(fā)展現(xiàn)狀并對其未來發(fā)展進行預測的基礎和前提。3 1 光電傳感器技術光電傳感器技術又稱為光傳感器技術，是將光信號轉化為電信號的一種傳感器技術。光電傳感器技術可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度輻射測溫、 氣體成分分析等， 也可用來檢測能轉換成光電量變化的其他非電量 ，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度、以及物體形

4、狀、工作狀態(tài)等，光電傳感技術具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，目前主要應用于工業(yè)自動化裝置和機器人技術中。3 2 多傳感器技術傳感器是獲取信息的工具。多傳感器信息融合技術軍事上的成功應用后，大大提高了傳感器系統(tǒng)的可靠性和魯棒性、 擴展時間上和空間上的觀測范圍、增強數(shù)據(jù)的可信任度、增強系統(tǒng)的分辨能力。多傳感器技術主要是信息融合技術 ，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)的整體設計與管理等等。4 3 生物傳感器技術生物傳感器技術是一種將生物化學反應能轉化成電信號的分析測試技術，以此而制成的傳感器裝置具有選擇性高、分析速度快、操作簡易和價格低廉的特點。作為一門在生命

5、科學和信息科學之間發(fā)展起來的一門交叉學科，生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測、食品工程、臨床醫(yī)學、軍事及軍事醫(yī)學等方面得到了深度重視和廣泛應用。四、傳感器應用傳感器技術具有較強的生命力和良好的發(fā)展前途，事實上傳感器技術一經(jīng)誕生就立刻得到了廣泛的應用，收到了良好的經(jīng)濟和社會效果。目前傳感器技術在 I Ts 智能汽車、虛擬儀器、在軍事領域得到了廣泛有效的應用 。5 1 傳感器技術在ITS 中的應用ITs 是人們將先進的信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、電子控制技術、傳感器技術 以及計算機處理技術等有效地綜合運用于整個交通運輸體系，從而建立起的一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的實時、準確、 高效的運輸綜合管理系

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、雷達檢測器、超聲波傳感器和紅外傳感器等。 這些傳感器主要應用于車輛檢測方面、 車輛識別和分類方面、車輛控制方面、環(huán)境信息檢測方面和危險駕駛警告方面。4 2 傳感器技術在智能汽車中的應用隨著電子技術及計算機技術的發(fā)展，汽車電子化程度不斷提高，傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)已經(jīng)難以解決某些與汽車功能要求有關的問題。傳感器作為汽車自動化控制系統(tǒng)的關鍵部件，其技術性能將直接影響到汽車的智能化水平。目前傳感器技術在汽車智能化設計中得到了廣泛的應用。傳感器技術如溫度傳感器、 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)動機控制系統(tǒng)中的應用；傳感器技術

7、如自動防抱死制動系統(tǒng)用傳感器、動力轉向系統(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)中得到廣泛的應用。 傳感器如應用于自動空調系統(tǒng)中的多種風量傳感器、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 傳感器技術在虛擬儀器中的應用虛擬儀器就是在通用計算機上加上軟件和硬件，使得使用者在操作這臺計算機時， 就像在操作一臺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應變片、電流輸出器件等。具體應用到了信號處理技術，其發(fā)揮的作用是放大、濾波與平滑和隔離；瞬態(tài)信號采集技術（ 包括同步 采樣與連續(xù)掃描 、變速采樣技術等

8、） 。4 4 傳感器技術在軍事領域中的應用隨著武器裝備現(xiàn)代化的進一步發(fā)展， 傳感器在軍事上的應用日趨重要， 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域的應用主要體現(xiàn)在地面?zhèn)鞲衅鳎涮攸c是結構簡單、便于攜帶、易于埋伏和偽裝，可用于飛機空投、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)行預警、 目標搜索和監(jiān)視任務，當前的軍事領域使用的傳感器主要有：震動傳感器、聲響傳感器、磁傳感器、紅外傳感器、電纜傳感器、壓力傳感器和擾動傳感器等等。傳感器技術的不斷推新與廣泛應用大大提高了相關行業(yè)和部門的技術水平，促進了生產(chǎn)力的不斷發(fā)展。五、我國傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀我國近 20 多年來，經(jīng)過技術攻

9、關、敏感元件與傳感器的制造技術有了長足的進步、在設計、關鍵工藝、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”攻關完成的傳感器 CADK術，可以實現(xiàn)傳感器的全過程設計；微機械加工技術，在國內首次實現(xiàn)了用微機械加工工藝批量生產(chǎn)壓力傳感器；建成了目前國內唯一具有上世紀90 年代國際先進制造設備、工藝及規(guī)模化生產(chǎn)能力的微機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、氣敏等在內的共計51 個品種、 86 個規(guī)模的傳感器、可靠性技術的發(fā)展，使傳感器的成品率普遍提高10%、可靠性技術水平提高1 2 個等級等等，但在先進技術方面，我國傳感器的整體水平與國外發(fā)達國家相比仍有較大差距

10、。主要表現(xiàn)在：1） 核心制造技術嚴重滯后于國外，國內產(chǎn)品差強人意國外傳感器的新技術、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，大多數(shù)產(chǎn)品已變成現(xiàn)實，且在不斷完善、不斷升級，而我國的傳感器雖然所涉足的研究開發(fā)領域基本與國外相差無幾，但由于在某些核心制造的工藝技術上還嚴重滯后于國外，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，新品種欠缺我國目前傳感器產(chǎn)品品種數(shù)為3000 個左右， 而國外已達2000多個， 產(chǎn)品品種滿足率僅為60%-70%左右，遠遠滿足不了國內傳感器的市場需求。從行業(yè)產(chǎn)品結構看，老產(chǎn)品比列占60%以上，新產(chǎn)品不足40%，高新技術類產(chǎn)品更

11、少，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴重欠缺。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、缺乏市場競爭力?？萍紕?chuàng)新差，擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品少企業(yè)自主開發(fā)與技術創(chuàng)新能力差。由于多種因素影響，國內企業(yè)仍以手工業(yè)方式生產(chǎn)技術含量低或國外已停產(chǎn)的產(chǎn)品。很多新公司就是國外產(chǎn)品的推銷商和代理商。 在多數(shù)院校和研究所中、對高技術的跟蹤和對高技術附加值產(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，自主開發(fā)和擁有的自主知識產(chǎn)權的科研成果不多。工藝裝備落后，產(chǎn)品質量差經(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，限制了其應用領域和產(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，從技術角度看，由于國內傳感器生產(chǎn)工藝與工藝設備落后，微機械加工技術和封裝技術不是很先進，手工操作比較多，檢測手段不規(guī)范等等，造成主要性能指標和國外差1 2個數(shù)量級，使用壽命差2 3級。因此，在化工、電站、冶金、石油、環(huán)保、機械等領域重大工程中，許多高性能傳感器仍依賴于進口。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)的特點之一是技術密集。由于技術密集，也自然要求人才密集。 從目前國內的情況看，能夠適應當今傳感器技術發(fā)展需求的具有高水平的科研隊伍及中青年科技專家、技術骨干、學術帶頭人相對缺乏，是行業(yè)技術更新?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，雖然在“七五”、 “八五” 、 “九五” 、 “十五” 、 “十一五”的科技攻關中均有立項，但局限性較大，目前存在的問題是重復分散、統(tǒng)籌規(guī)劃不足，科研投資強度偏低，科研設備落后，科研和生產(chǎn)脫節(jié)，影響了科研成果的轉化，是我國傳感器產(chǎn)品綜合實力較低。其次是由于政府重視不足，在信息技術發(fā)展的過程中， 對傳感器重要性的認識落后于計算機技術和通訊技術，發(fā)展需求的資源投入規(guī)模和強度太小，是傳感器技術的發(fā)展速度緩慢，牽制了信息技術的飛速發(fā)展。六、 我國傳感器的發(fā)展方向（ 1）向高精度方向發(fā)展。隨著自動化生產(chǎn)程度的不斷提高，對傳感器技術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、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性（ 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、 鍋爐等場合對傳感器的溫度要求更高，而航天飛機和空間機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化，工作時離不開電源，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墓本工藝的應用技術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)中應用；先進的納米級技術的研究：納米技術的發(fā)展，可能導致傳感器研究在許多領域產(chǎn)生突破性進展。5）向多維化、多功能化和模糊識別方向發(fā)展：未來的傳感器將突破零維、瞬間的單一量檢測方式、在時間上實現(xiàn)廣泛，空間上實現(xiàn)擴張，檢測量實現(xiàn)多元、檢測方式實現(xiàn)模糊識別。（ 6）向集成化發(fā)展：集成式微型智能傳感器是世界范圍內全新的研究課題、具有巨大的潛在價值和廣泛的應用市場。（ 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構或化學物質及其各不相同的表針方式、用單獨一個傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)多種傳感器的功能。七、 我國傳感器的發(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、信息處理等各種學科，各種新技術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傳感器。（ 2）采用新的加工方法：新的加工方法如半導體的精密微加工技術、靜電封裝技術、 全固態(tài)封裝技術等不但使傳感器的性能指標得以提高，應用范圍得以擴大，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：隨著各相關學科的發(fā)展，人們對于自然認識的不斷深化，會不斷發(fā)現(xiàn)一些新的物理效應、化學效應、生物效應等，利用這些新的效應可開發(fā)出相應的新型傳感器。（ 4）采用新的構思：許多古老的原理或設計，在巧妙的構思下可以產(chǎn)生出新的傳感器。 如： 對

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，用來檢測酶反應中產(chǎn)生的熱量，根據(jù)酶反應的專一性，就可測定酶的生物含量、從而做成各種酶熱敏電阻生物傳感器。八 結論目前，我國傳感器產(chǎn)品及其產(chǎn)業(yè)化水平與國外發(fā)達國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)展的關鍵階段，傳感器更新?lián)Q代快、需求量大、需求增長速度快。由于國內傳感器的發(fā)展落后于需求的增加，國內大片市場被國外產(chǎn)品所占領，面對國際市場的競爭，我國傳感器行業(yè)處于非常不利的地位，甚至在某些領域出現(xiàn)生存危機。因此，要抓住機遇，立意創(chuàng)新，迎接挑戰(zhàn)，堅持走科學與產(chǎn)業(yè)相結合的道路，加強具有自主知識產(chǎn)權的新型傳感器的開發(fā)，加速現(xiàn)有科研成果的轉化和產(chǎn)業(yè)化，迅速提高國內傳感器的市場占有率，是我國傳感器產(chǎn)業(yè)自生發(fā)展的當務之急，也是我國傳感器發(fā)展的必有之路。參考文獻：（ 1）劉梅傳感器技術, 現(xiàn)代科技的開路先鋒中國科技信息，2005， 18（ 2）谷有臣，孔英，陳若輝. 傳感器技術的發(fā)展和趨勢綜述物理實驗，2002，12（ 3）李永東交