傳感器和檢測儀表的現狀與發展趨勢
發布時間:2008-09-30 來源:電子設計信息網
中心論題:
- 傳感器和檢測儀表是現代工業設備中不可或缺的一部分。
- 傳感器和檢測儀表的現狀。
- 傳感器和檢測儀表的發展趨勢。
解決方案:
- 先進的製造工藝和高自動化水平的工藝設備使合格率達到商業化產業要求。
- 引進國際技術和自主創新實現傳感器生產產業化。
- 多傳感器數據融合技術促進傳感器技術的發展。
我國傳感器產業要適應技術潮流,根據市場需求,做到“新苗交替、遠近結合、品種齊全、滿足需求”,做到“大、中、小並舉”,“集團化和專業化生產並存”,向(xiang)國(guo)內(nei)外(wai)兩(liang)個(ge)市(shi)場(chang)相(xiang)結(jie)合(he)的(de)國(guo)際(ji)化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan),讓(rang)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)檢(jian)測(ce)儀(yi)表(biao)抓(zhua)住(zhu)信(xin)息(xi)化(hua)的(de)發(fa)展(zhan)機(ji)遇(yu)。本(ben)文(wen)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)檢(jian)測(ce)儀(yi)表(biao)的(de)現(xian)狀(zhuang),並(bing)預(yu)測(ce)了(le)今(jin)後(hou)的(de)發(fa)展(zhan)趨(qu)勢(shi)。
工gong業ye設she備bei在zai製zhi造zao過guo程cheng及ji整zheng機ji性xing能neng測ce試shi中zhong離li不bu開kai各ge種zhong機ji械xie量liang和he幾ji何he量liang,有you些xie工gong業ye設she備bei在zai運yun行xing中zhong還hai要yao經jing常chang對dui多duo種zhong物wu量liang進jin行xing檢jian測ce或huo監jian視shi,包bao括kuo位wei移yi、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、表麵粗糙度、表麵波形等,這些均屬於物理量。實際生產、生活和科學實驗中還會遇到化學量、生物量(包括醫學),而所有這一切,從信號工程的角度來看,都需要通過傳感器,將其轉換成電信號(近代還可以轉成光信號),而後再進行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控製……,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技術的三部分(信息獲取、信息傳輸、信息處理)中的重要部分。
zaixiandaigongyeshebeizhong,chuanganqihejianceyibiaoshibukehuoquedeyibufendeliyou,haikeyouyixialiangfangmianlaikan,chuantongdegongyeshebeiruzaiqishangzengjialebiyaodechuanganqi,peibeijingmiceliangbujian(附件),則其功能和精度可以提高,便於用戶操作和維護,安全等級也可以提高,設備可以增值;工業設備作為自動化係統的控製對象或作為自動化係統的一部分,必須能與自動化係統的三部分(檢測、控製、執行)相xiang兼jian容rong或huo提ti供gong接jie口kou,使shi之zhi集ji成cheng為wei一yi個ge有you機ji的de整zheng體ti,無wu論lun是shi單dan機ji自zi動dong化hua或huo作zuo為wei大da型xing自zi動dong化hua裝zhuang置zhi的de部bu分fen,都dou使shi該gai工gong業ye設she備bei的de用yong途tu擴kuo大da。綜zong上shang所suo述shu,作zuo為wei工gong業ye設she備bei本ben身shen增zeng加jia傳chuan感gan器qi和he檢jian測ce儀yi表biao、測量儀表或提供接口,是傳統設備更新換代的必要條件。
傳感器是一種把非電量轉變成電信號的器件,而檢測儀表在模擬電子技術條件下,一般是包括傳感器、檢測點取樣設備及放大器(進行抗幹擾處理及信號傳輸),當然還有電源及現場顯示部分(可選擇),電信號一般為連續量、離散量兩種,實際上還可分成模擬量、開關量、脈衝量等,模擬信號傳輸采用統一信號(4-20mADC等)。數字化過程中,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表稱為變送器,如問題變送器、壓力變送器等。
因為傳感器用於各行各業,加之近年家用電器、汽車、xinxichanyesanfangmiandefeisufazhan,duichuanganqixuqiudazeng,suoyichuanganqizhizaoyefazhanhenkuai,xingchengdulidechanye,zhejiuladonglegongyeshebei,tebieshibandaotishebeizhizaoyedefazhan,suoyirenmenyoubiyaotebieguanzhuchuanganqichanye。
傳感器產品品種繁多,基於的科學原理多,技術密集,具有多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性,需要多學科、多種高新技術配合。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業的發展,是有難度的。
傳感器和檢測儀表的現狀
傳感器產品的門類品種繁多,用於流程工業的主要有: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……,用於機械工業的還有: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,國內傳感器共分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%,預計2008年將增加到506億美圓。2003年中國傳感器應用四大領域為工業及汽車電子產品、通信電子產品、消費電子產品、專用設備,其中工業和汽車電子產品占市場份額的33.5%。由於改革開放,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(bang)納(na)等(deng)公(gong)司(si),這(zhe)為(wei)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)和(he)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)帶(dai)來(lai)了(le)很(hen)大(da)的(de)便(bian)利(li),而(er)國(guo)內(nei)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)檢(jian)測(ce)儀(yi)表(biao)生(sheng)產(chan)雖(sui)有(you)發(fa)展(zhan),但(dan)這(zhe)遠(yuan)不(bu)能(neng)跟(gen)上(shang)形(xing)勢(shi)的(de)需(xu)求(qiu)。各(ge)國(guo)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)產(chan)和(he)研(yan)發(fa)的(de)規(gui)模(mo)在(zai)不(bu)斷(duan)擴(kuo)大(da),美(mei)國(guo)約(yue)有(you)1300家生產和開發傳感器的廠家,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基地,初步建立了敏感元件和傳感器產業,2000年總產量超過13億隻,目前我國已有1688家從事傳感器的生產和研發企業,其中MEMS研製生產的已有50多家,到“十五”末期,敏感元件和傳感器年總產量已達到20億隻。
我國在參加國際傳感器市場競爭方麵也走出了新路子,如沈陽儀表科學研究院的“傳感器國家工程研究中心。”已向美國出口力敏傳感器芯片40萬隻。
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麵約有30多(duo)種(zhong)技(ji)術(shu)。隨(sui)著(zhe)微(wei)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan),傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)很(hen)快(kuai),我(wo)國(guo)研(yan)發(fa)的(de)力(li)量(liang)尚(shang)需(xu)大(da)量(liang)投(tou)入(ru),特(te)別(bie)要(yao)加(jia)強(qiang)具(ju)存(cun)自(zi)主(zhu)知(zhi)識(shi)產(chan)權(quan)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)創(chuang)新(xin)開(kai)發(fa)。科(ke)研(yan)成(cheng)果(guo)的(de)轉(zhuan)化(hua)及(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)產(chan)產(chan)業(ye)化(hua)問(wen)題(ti),在(zai)我(wo)國(guo)更(geng)是(shi)迫(po)在(zai)眉(mei)睫(jie)的(de)問(wen)題(ti),在(zai)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)情(qing)況(kuang)下(xia),控(kong)製(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)品(pin)性(xing)能(neng)(主要是穩定性、可靠性),shizhihegelvdadaoshangyehuachanyeyaoqiu,jiuxuyaoyouxianjindezhizaogongyihezidonghuashuipinghengaodegongyishebei,yinciyingzaikaifazhuanyonggongyishebeishangxiagongfu,jiejuechuanganqishengchanchanyehuade“瓶頸”問(wen)題(ti)。在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)上(shang),特(te)別(bie)是(shi)新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)上(shang),還(hai)得(de)大(da)力(li)推(tui)廣(guang),改(gai)革(ge)開(kai)放(fang)創(chuang)造(zao)了(le)市(shi)場(chang)經(jing)濟(ji)條(tiao)件(jian),各(ge)種(zhong)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)應(ying)用(yong)了(le)先(xian)進(jin)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi),這(zhe)擴(kuo)大(da)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)市(shi)場(chang),也(ye)使(shi)我(wo)國(guo)新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)產(chan)產(chan)業(ye)化(hua)有(you)了(le)動(dong)力(li)。
在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)產(chan)產(chan)業(ye)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong),應(ying)該(gai)在(zai)引(yin)進(jin)國(guo)際(ji)技(ji)術(shu)和(he)自(zi)主(zhu)創(chuang)新(xin)兩(liang)方(fang)麵(mian)都(dou)不(bu)放(fang)鬆(song)。在(zai)引(yin)進(jin)國(guo)外(wai)先(xian)進(jin)技(ji)術(shu)中(zhong),可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)自(zi)己(ji)的(de)技(ji)術(shu),同(tong)時(shi)也(ye)滿(man)足(zu)了(le)國(guo)內(nei)市(shi)場(chang)的(de)需(xu)求(qiu),形(xing)成(cheng)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)生(sheng)產(chan)產(chan)業(ye)規(gui)模(mo)。如(ru)橫(heng)河(he)公(gong)司(si)最(zui)近(jin)發(fa)布(bu)的(de)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,采用現場總線技術,由於能把質量、流量、介質壓力及導管堵塞診斷、蒸氣體熱診斷和孔板磨損情況等多種變量和信息經現場總線傳輸給中央控製室;對保證生產和提供設備維護信息、保(bao)證(zheng)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)都(dou)很(hen)有(you)利(li),這(zhe)種(zhong)新(xin)型(xing)變(bian)送(song)器(qi)的(de)發(fa)展(zhan),配(pei)合(he)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)係(xi)統(tong)管(guan)控(kong)一(yi)體(ti)化(hua)的(de)變(bian)革(ge),隻(zhi)有(you)信(xin)息(xi)源(yuan)頭(tou)能(neng)力(li)強(qiang)了(le),信(xin)息(xi)豐(feng)富(fu)了(le),才(cai)能(neng)使(shi)信(xin)息(xi)化(hua)更(geng)好(hao)促(cu)進(jin)生(sheng)產(chan)力(li)發(fa)展(zhan)。另(ling)外(wai),廣(guang)闊(kuo)的(de)重(zhong)化(hua)工(gong)工(gong)業(ye)市(shi)場(chang)使(shi)得(de)新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)變(bian)送(song)器(qi)在(zai)石(shi)油(you)化(hua)工(gong)、金、電力等多個行業用量可以達到批量化產業要求。
傳感器和檢測儀表的發展趨勢
近年來,傳感器正處於傳統型向新型傳感器轉型的發展階段。新型傳感器的特點是微型化、數字化、智能化、多功能化、係統化、網絡化,它不僅促進了傳統產業的改造,而且可導致建立新型工業,是21世紀新的經濟增長點。微型化是建立在微電子機械係統(MEMS)技術基礎上的,目前已成功應用在矽器件上形成矽壓力傳感器(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、表麵微機械加工技術、LIGA技術(X光深層光刻、微電鑄和微複製技術)、激光微加工技術和微型封裝技術等。MEMS的發展,把傳感器的微型化、智能化、多duo功gong能neng化hua和he可ke靠kao性xing水shui平ping提ti高gao到dao了le新xin的de高gao度du。傳chuan感gan器qi的de檢jian測ce儀yi表biao,在zai微wei電dian子zi技ji術shu基ji礎chu上shang,內nei置zhi微wei處chu理li器qi,或huo把ba微wei傳chuan感gan器qi和he微wei處chu理li器qi及ji相xiang關guan集ji成cheng電dian路lu(運算放大器、A/D或D/A、存貯器、網絡通訊接口電路)等封裝在一起完成了數字化、智能化、網絡化、係統化。(注:MEMS技術還完成了微電動機或執行器等產品,將另作文介紹)網絡化方麵,目前主要是指采用多種現場總線和以太網(互聯網),這要按各行業的特點,選擇其中的一種或多種,近年內最流行的有FF、Profibus、CAN、Lonworks、AS-Interbus、TCP/IP等。
除MEMS外,新型傳感器的發展還有賴於新型敏感材料、敏感元件和納米技術,如新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平麵陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網絡化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。
多傳感器數據融合技術正在形成熱點,它形成於20世紀80年nian代dai,它ta不bu同tong於yu一yi般ban信xin號hao處chu理li,也ye不bu同tong於yu單dan個ge或huo多duo個ge傳chuan感gan器qi的de監jian測ce和he測ce量liang,而er是shi對dui基ji於yu多duo個ge傳chuan感gan器qi測ce量liang結jie果guo基ji礎chu上shang的de更geng高gao層ceng次ci的de綜zong合he決jue策ce過guo程cheng。有you鑒jian於yu傳chuan感gan器qi技ji術shu的de微wei型xing化hua、智zhi能neng化hua程cheng度du高gao,在zai信xin息xi獲huo取qu基ji礎chu上shang,多duo種zhong功gong能neng進jin一yi步bu集ji成cheng以yi致zhi於yu融rong合he,這zhe是shi必bi然ran的de趨qu勢shi,多duo傳chuan感gan器qi數shu據ju融rong合he技ji術shu也ye促cu進jin了le傳chuan感gan器qi技ji術shu的de發fa展zhan。多duo傳chuan感gan器qi數shu據ju融rong合he的de定ding義yi概gai括kuo:bafenbuzaibutongweizhideduogetongleihuobutongleichuanganqisuotigongdejubushujuziyuanjiayizonghe,caiyongjisuanjijishuduiqijinxingfenxi,xiaochuduochuanganqixinxizhijiankenengcunzaiderongyuhemaodun,jiayihubu,jiangdiqibuqueshixing,huodebeiceduixiangdeyizhixingjieshiyumiaoshu,congertigaoxitongjuece、規劃、反應的快速性和正確性,使係統獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現,包括數據層(像素層)融合、特征層融合、決策層(證據層)融合。由於它比單一傳感器信息有如下優點,即容錯性、互補性、實時性、經濟性,所以逐步得到推廣應用。應用領域除軍事外,已適用於自動化技術、機器人、海洋監視、地震觀測、建築、空中交通管製、醫學診斷、遙感技術等方麵。
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