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传感器技术的应用及其发展

摘要：传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节,而测试技术与自动控制水平

高低,是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。本文列举了传感器技术在当前一些重要领域里的应用,并讲述了其发展趋势。

关键词：传感器技术应用现状发展趋势

一、引言

传感器技术是当今世界令人瞩目,迅速发展的高新技术之一,也是当代科学发展的一个重要标志,与通许技术、计算机技术配合构成21世纪信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸。因此各发达国家都将传感器技术作为本世纪重点技术加以发展。随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展,传感器的年需求量持续增长。传感器的应用也越来越广泛、已渗透到各个专业领域。但是目前国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国内外先进水平,制约了我国工业自动化和信息化技术的发展。

二、传感器介绍

传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成,有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。传感器通常可以按照一系列方法进行分类。根据输入物理量的分类,传感器常以别测物理量命名,如位移传感器,速度传感器、温度传感器、压力传感器等；根据工作原理分类,传感器常可以依据工作原理进行命名 ,如应变式、电容式、电感式、热电式、光电传感器等；按输出信号分类,可分为模拟传感器和数字式传感器。输出量为模拟量则称为模拟式 ,输出量为数字式则称为数字式传感器等等。

三、主要传感器技术分类

传感器技术是当前代表国家综合科研水平的重要技术,传感器技术的具体应用是传感器技术转化的重要途径和方法。加强对传感器技术应用的研究也是了解传感器技术发展现状并对其未来发展进行预测的基础和前提。

3．1 光电传感器技术

光电传感器技术又称为光传感器技术 ,是将光信号转化为电信号的一种传感器技术。光电传感器技术可用于检测直接引起光量变化的非电量 ,如光强、光照度辐射测温、气体成分分析等 ,也可用来检测能转换成光电量变化的其他非电量 ,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度、以及物体形状、工作状态等,光电传感技术具有非接触、响应快、性能可靠等特点,目前主要应用于工业自动化装置和机器人技术中。

3．2 多传感器技术

传感器是获取信息的工具。多传感器信息融合技术军事上的成功应用后 ,大大提高了传感器系统的可靠性和鲁棒性、扩展时间上和空间上的观测范围、增强数据的可信任度、增强系统的分辨能力。多传感器技术主要是信息融合技术 ,除此以外还包括多传感器阵列制作,多传感器系统的性能分析,多传感器系统的整体设计与管理等等。

3．3 生物传感器技术

生物传感器技术是一种将生物化学反应能转化成电信号的分析测试技术,以此而制成的传感器装置具有选择性高、分析速度快、操作简易和价格低廉的特点。作为一门在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科,生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。

四、传感器应用

传感器技术具有较强的生命力和良好的发展前途 ,事实上传感器技术一经诞生就立刻得到了广泛的应用,收到了良好的经济和社会效果。目前传感器技术在 I Ts智能汽车、虚拟仪器、在军事领域得到了广泛有效的应用。

4．1 传感器技术在 ITS中的应用

ITs是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个交通运输体系,从而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。

I T s 系统中常用的传感器有磁性传感器、图像传感器、雷达检测器、超声波传感器和红外传感器等。这些传感器主要应用于车辆检测方面、车辆识别和分类方面、车辆控制方面、环境信息检测方面和危险驾驶警告方面。

4．2 传感器技术在智能汽车中的应用

随着电子技术及计算机技术的发展,汽车电子化程度不断提高 ,传统的机械系统已经难以解决某些与汽车效用要求有关的问题。传感器作为汽车自动化控制系统的关键部件,其技术性能将直接影响到汽车的智能化水平。目前传感器技术在汽车智能化设计中得到了广泛的应用。①传感器技术如温度传感器、压力传感器、流量传感器、氧传感器和爆震传感器等在汽车发动机控制系统中的应用；②传感器技术如自动防抱死制动系统用传感器、动力转向系统用传感器、悬架系统控制用传感器和变速器控制用传感器在汽车底盘控制系统中得到广泛的应用。③传感器如应用于

自动空调系统中的多种风量传感器、日照传感器、车速传感器、加速度传感器等有效地提高了汽车的安全性、可靠性和舒适性等。

4．3 传感器技术在虚拟仪器中的应用

虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和硬件,使得使用者在操作这台计算机时,就像在操作一台自己涉及的专用的传统电子仪器。虚拟仪器中常用的传感器有热电偶、RTD、应变片、电流输出器件等。具体应用到了信号处理技术,其发挥的作用是放大、滤波与平滑和隔离；瞬态信号采集技术(包括同步采样与连续扫描、变速采样技术等)。

4．4 传感器技术在军事领域中的应用

随着武器装备现代化的进一步发展 ,传感器在军事上的应用日趋重要 ,尤其表现在海军和空军的武器装备上。目前传感器在军事领域的应用主要体现在地面传感器,其特点是结构简单、便于携带、易于埋伏和伪装 ,可用于飞机空投、火炮发射、或人工埋伏到交通先上和敌人出现的地段,用来执行预警、目标搜索和监视任务,当前的军事领域使用的传感器主要有：震动传感器、声响传感器、磁传感器、红外传感器、电缆传感器、压力传感器和扰动传感器等等。传感器技术的不断推新与广泛应用大大提高了相关行业和部门的技术水平,促进了生产力的不断发展。

五、我国传感器的发展现状

我国近20多年来,经过技术攻关、敏感元件与传感器的制造技术有了长足的进步、在设计、关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破与创新,如“九五”攻关完成的传感器CAD技术,可以实现传感器的全过程设计；微机械加工技术,在国内首次实现了用微机械加工工艺批量生产压力传感器；建成了目前国内唯一具有上世纪90年代国际先进制造设备、工艺及规模化生产能力的微机械加工传感器的生产线;开发出了包括力敏、磁敏、热敏、湿敏、气敏等在内的共计51个品种、86个规模的传感器、可靠性技术的发展,使传感器的成品率普遍提高10%、可靠性技术水平提高1—2个等级等等,但在先进技术方面,我国传感器的整体水平与国外发达国家相比仍有较大差距。主要表现在：

（1）核心制造技术严重滞后于国外,国内产品差强人意

国外传感器的新技术、新产品、新工艺、新材料不断涌现、传感器数字化、智能化、微型化已成趋势,大多数产品已变成现实,且在不断完善、不断升级,而我国的传感器虽然所涉足的研究开发领域基本与国外相差无几,但由于在某些核心制造的工艺技术上还严重滞后于国外,所以在深度和广度上差异较大,主要表现为：

①产品品种不全、规格少,新品种欠缺

我国目前传感器产品品种数为3000个左右,而国外已达2000多个,产品品种满足率仅为60%--70%左右,远远满足不了国内传感器的市场需求。

从行业产品结构看,老产品比列占60%以上,新产品不足40%,高新技术类产品更少,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。从总体看,品种不配套、系列不全、抵挡产品多、高档产品少、缺乏市场竞争力。

②科技创新差,拥有自主知识产权的产品少

企业自主开发与技术创新能力差。由于多种因素影响,国内企业仍以手工业方式生产技术含量低或国外已停产的产品。很多新公司就是国外产品的推销商和代理商。在多数院校和研究所中、对高技术的跟踪和对高技术附加值产品的研发能力还是可以的,但其成果以样品居多,距产业化较远,自主开发和拥有的自主知识产权的科研成果不多。

③工艺装备落后,产品质量差

经过多年开发,虽然研制出一批工艺和产品,但由于批产工艺的稳定性、可靠性问题没有得到根本解决,限制了其应用领域和产品的发展。有些高性能产品,不是靠工艺保证,而是靠筛选分档,从技术角度看,由于国内传感器生产工艺与工艺设备落后,微机械加工技术和封装技术不是很先进,手工操作比较多,检测手段不规范等等,造成主要性能指标和国外差1—2个数量级,使用寿命差2—3级。因此,在化工、电站、冶金、石油、环保、机械等领域重大工程中,许多高性能传感器仍依赖于进口。

（2）人才资源匮乏,产业发展不足

传感器及其产业的特点之一是技术密集。由于技术密集,也自然要求人才密集。从目前国内的情况看,能够适应当今传感器技术发展需求的具有高水平的科研队伍及中青年科技专家、技术骨干、学术带头人相对缺乏,是行业技术更新换代步伐慢,产业发展后劲不足。

（3）统筹规划不足,投资力度不够

在我国,虽然在“七五”、“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”的科技攻关中均有立项,但局限性较大,目前存在的问题是重复分散、统筹规划不足,科研投资强度偏低,科研设备落后,科研和生产脱节,影响了科研成果的转化,是我国传感器产品综合实力较低。其次是由于政府重视不足,在信息技术发展的过程中,对传感器重要性的认识落后于计算机技术和通讯技术,发展需求的资源投入规模和强度太小,是传感器技术的发展速度缓慢,牵制了信息技术的飞速发展。

六、我国传感器的发展方向

（1）向高精度方向发展。随着自动化生产程度的不断提高,对传感器技术的要求也在不断提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性

（2）向高可靠性、宽温范围发展。传感器的可靠性直接影响到电子设备的性能,研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向,大部分传

感器的工作范围都在-20℃-70℃,在军用系统中要求工作温度在-40℃-85℃,汽车、锅炉等场合对传感器的温度要求更高,而航天飞机和空间机器人甚至要求温度在-80℃以下,200℃以上。

（3）向微功耗及无源化发展。传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源,开发为功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向。（4）向微型化发展。①特别重视MEMS基本工艺的应用技术研究和专用工艺装备开发,使这些工艺在产业化生产中应用；②先进的纳米级技术的研究：纳米技术的发展,可能导致传感器研究在许多领域产生突破性进展。

（5）向多维化、多效用化和模糊识别方向发展：未来的传感器将突破零维、瞬间的单一量检测方式、在时间上实现广泛,空间上实现扩张,检测量实现多元、检测方式实现模糊识别。

（6）向集成化发展：集成式微型智能传感器是世界范围内全新的研究课题、具有巨大的潜在价值和广泛的应用市场。

（7）向只能化数字化发展：借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表针方式、用单独一个传感器系统来实现多种传感器的效用。

七、我国传感器的发展途径

传感器的发展途径大致有以下几个方面：

（1）加速开发新型敏感材料、采用新材料：通过微电子、光电子、生物化学、信息处理等各种学科,各种新技术的互相渗透和找哦你和利用,开发出更新式材料,研制出一批基于新型敏感材料的先进传感器。

（2）采用新的加工方法：新的加工方法如半导体的精密微加工技术、静电封装技术、全固态封装技术等不但使传感器的性能指标得以提高,应用范围得以扩大,还可加工出原有工艺不能制造的新型传感器。

（3）采用新的原理：随着各相关学科的发展,人们对于自然认识的不断深化,会不断发现一些新的物理效应、化学效应、生物效应等,利用这些新的效应可开发出相应的新型传感器。

（4）采用新的构思：许多古老的原理或设计,在巧妙的构思下可以产生出新的传感器。如：对热敏感的热敏电阻可做成温度传感器,也可把酶固定在电阻表面,用来检测酶反应中产生的热量,根据酶反应的专一性,就可测定酶的生物含量、从而做成各种酶热敏电阻生物传感器。

八结论

目前,我国传感器产品及其产业化水平与国外发达国家相比还有很大差距,而传感器的发展阶段正处于由传统向新型传感器发展的关键阶段,传感器更新换代快、需求量大、需求增长速度快。由于国内传感器的发展落后于需求的增加,国内大片市场被国外产品所占领,面对国际市场的竞争,我国传感器行业处于非常不利的地位,甚至在某些领域出现生存危机。因此,要抓住机遇,立意创新,迎接挑战,坚持走科学与产业相结合的道路,加强具有自主知识产权的新型传感器的开发,加速现有科研成果的转化和产业化,迅速提高国内传感器的市场占有率,是我国传感器产业自生发展的当务之急,也是我国传感器发展的必有之路。

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