傳感器和檢測(cè)儀表的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

2011-5-24 16:53:50


1、引言

工業(yè)設(shè)備在制造過程及整機(jī)性能測(cè)試中離不開各種機(jī)械量和幾何量,有些工業(yè)設(shè)備在運(yùn)行中還要經(jīng)常對(duì)多種物量進(jìn)行檢測(cè)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(zhǎng)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(shí)際生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中還會(huì)遇到化學(xué)量、生物量(包括醫(yī)學(xué)),而所有這一切,從信號(hào)工程的角度來看,都需要通過傳感器,將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)(近代還可以轉(zhuǎn)換成光信號(hào)),而后再進(jìn)行信號(hào)的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、控制……,從信息的角度看,這些信號(hào)連同聲音和圖象信息都是信息的源頭,所以傳感器和檢測(cè)儀表、測(cè)量?jī)x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(cè)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(cè)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(hù),安全等級(jí)也可以提高,設(shè)備可以增值;工業(yè)設(shè)備作為自動(dòng)化系統(tǒng)的控制對(duì)象或作為自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分,必須能與自動(dòng)化系統(tǒng)的三部分(檢測(cè)、控制、執(zhí)行)相兼容或提供接口,使之集成為一個(gè)有機(jī)的整體,無(wú)論是單機(jī)自動(dòng)化或作為大型自動(dòng)化裝置的一部分,都使該工業(yè)設(shè)備的用途擴(kuò)大。綜上所述,作為工業(yè)設(shè)備本身增加傳感器和檢測(cè)儀表、測(cè)量?jī)x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(hào)的器件,而檢測(cè)儀表在模擬電子技術(shù)條件下,一般是包括傳感器、檢測(cè)點(diǎn)取樣設(shè)備及放大器(進(jìn)行抗干擾處理及信號(hào)傳輸),當(dāng)然還有電源及現(xiàn)場(chǎng)顯示部分(可選擇),電信號(hào)一般為連續(xù)量、離散量?jī)煞N,實(shí)際上還可分成模擬量、開關(guān)量、脈沖量等,模擬信號(hào)傳輸采用統(tǒng)一信號(hào)(4-20mA DC等)。數(shù)字化過程中,檢測(cè)儀表變化比較大,經(jīng)過幾個(gè)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(gè)器件中,完成信息獲取、處理、傳輸、存貯等功能。在自動(dòng)化儀表中經(jīng)常把檢測(cè)儀表稱為變送器,如問題變送器、壓力變送器等。

因?yàn)閭鞲衅饔糜诟餍懈鳂I(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(duì)傳感器需求大增,所以傳感器制造業(yè)發(fā)展很快,形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè),這就拉動(dòng)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(jià)格不高,所以要推動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,是有難度的。

2、傳感器和檢測(cè)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(jī)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(guó)內(nèi)傳感器共分10大類,24小類,6000個(gè)品種,而國(guó)外品種更多,如美國(guó)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(guó)傳感器的市場(chǎng)近幾年一直持續(xù)增長(zhǎng),一般增長(zhǎng)速度超過15%,2003年銷售額為186億元,同比增長(zhǎng)率為9%,預(yù)計(jì)2008年將增加到506億美圓。2003年中國(guó)傳感器應(yīng)用四大領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)及汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)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(chǎng)份額的33.5%。由于改革開放,我國(guó)巨大的市場(chǎng),引來了各國(guó)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(guó)內(nèi)傳感器和檢測(cè)儀表生產(chǎn)雖有發(fā)展,但這遠(yuǎn)不能跟上形勢(shì)的需求。各國(guó)傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大,美國(guó)約有1300家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家,100多個(gè)研究院所和院校,日本有800家廠商。我國(guó)近年建立了傳感器技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、微米/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(dá)到20億只。

我國(guó)在參加國(guó)際傳感器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)方面也走出了新路子,如沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院的“傳感器國(guó)家工程研究中心?!币严蛎绹?guó)出口力敏傳感器芯片40萬(wàn)只。

傳感器技術(shù)包括敏感機(jī)理,敏感材料,工藝設(shè)備和計(jì)測(cè)技術(shù)四個(gè)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(guó)研發(fā)的力量尚需大量投入,特別要加強(qiáng)具存自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感器的創(chuàng)新開發(fā)??蒲谐晒霓D(zhuǎn)化及傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問題,在我國(guó)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(dá)到商業(yè)化產(chǎn)業(yè)要求,就需要有先進(jìn)的制造工藝和自動(dòng)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,