簡(jiǎn)析傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 周 璇

簡(jiǎn)析傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 周 璇

【摘要】本文對(duì)傳感器與檢測(cè)技術(shù)的作了簡(jiǎn)單概述，著重從測(cè)量?jī)x器的高精度和功能發(fā)展、參數(shù)與處理、傳感器的發(fā)展方向以及極端測(cè)量等方面對(duì)傳感器與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】高精度；自動(dòng)化；智能化；網(wǎng)絡(luò)化

傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的前置測(cè)量轉(zhuǎn)換部件，它將被測(cè)對(duì)象的非電變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的電信號(hào)。傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界測(cè)控領(lǐng)域備受關(guān)注的高新技術(shù)之一，它與通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果說(shuō)計(jì)算機(jī)是人類大腦的升級(jí)，通信網(wǎng)絡(luò)是人類神經(jīng)的拓展，那么傳感器就如人類五官的延伸。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，而傳感器技術(shù)的發(fā)展則相對(duì)滯后。

傳感器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)、微電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、精密機(jī)械、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)，在航天、航空、國(guó)防、科研、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、通信、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、農(nóng)林、漁業(yè)、食品、煙酒、機(jī)器人、家電等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，傳感器技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

現(xiàn)代科技水平的不斷提高，為傳感與測(cè)試技術(shù)水平的發(fā)展創(chuàng)造了一定的條件，擁有高水平的傳感與測(cè)量技術(shù)又會(huì)促進(jìn)新科技成果的不斷出現(xiàn)和創(chuàng)新。傳感與檢測(cè)技術(shù)向以下幾個(gè)方面發(fā)展。

1 測(cè)量?jī)x器的高精度和功能多元化發(fā)展

單個(gè)測(cè)量?jī)x器的精度以及整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)性能的提高，將使測(cè)得的數(shù)據(jù)可信度也相應(yīng)提高。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其性能參數(shù)，然后對(duì)新的測(cè)數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計(jì)分析。在相同條件下要實(shí)驗(yàn)若干次，新的測(cè)參數(shù)才能具有一定的可信度。儀器精度的提高，將減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)，降低產(chǎn)品成本。在提高測(cè)量?jī)x器精度的同時(shí)，儀器的功能多元化發(fā)展也是目前的發(fā)展趨勢(shì)。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也使傳感與測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化，在許多測(cè)試系統(tǒng)中利用計(jì)算機(jī)而使儀器的測(cè)量精度更高，功能更全。

2 參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化發(fā)展

一個(gè)產(chǎn)品的大型綜合性實(shí)驗(yàn)，其準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，待測(cè)的參數(shù)也多，少則有幾十，多則有幾百個(gè)數(shù)據(jù)通道。這些通道狀態(tài)如果完全依靠人工檢查，耗費(fèi)時(shí)間很長(zhǎng)；大量的數(shù)據(jù)若依靠手工去處理，不僅處理周期太長(zhǎng)，處理結(jié)果精度也低。現(xiàn)代傳感與測(cè)量技術(shù)采用以計(jì)算機(jī)為核心，這樣構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)故障診斷、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)修正、信號(hào)調(diào)制、多路采集和自動(dòng)分析處理，并能打印輸出測(cè)試結(jié)果。

3 傳感器向智能化、集成化、微型化、量子化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

傳感器是信號(hào)檢測(cè)的器件，正向著高精度、高靈敏度、測(cè)量范圍大以及小型化甚至微型化的方向發(fā)張。新型材料特別是新型半導(dǎo)體材料方面的成就，促進(jìn)發(fā)展了很多對(duì)力、熱、光、磁等物理量及氣體化學(xué)成分敏感的器件。特別值得注意的是，光導(dǎo)纖維不僅可用來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸，而且可作為物性型傳感器。另一個(gè)引人注目的發(fā)展，是由于微電子發(fā)展使得把某些電路乃至微處理器和傳感測(cè)量部分很有可能做成一體，而使傳感器具有放大、校正、判斷和一定的信號(hào)處理功能，組成“智能傳感器”。智能傳感器技術(shù)是一門涉及多種學(xué)科、多個(gè)領(lǐng)域的高新技術(shù)，隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷提高，其主要發(fā)展趨勢(shì)是：微傳感器系統(tǒng)、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器系統(tǒng)、藍(lán)牙傳感器系統(tǒng)、生物傳感器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有精度高、可靠性與穩(wěn)定性高、信噪比與分辨率高、自適應(yīng)性強(qiáng)及性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。此外，軍事領(lǐng)域智能傳感器還大量采用了并行處理、模式識(shí)別等先進(jìn)的信息處理方式，為提高傳感器的性能開(kāi)辟了新的天地。

模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理和知識(shí)合成，以模擬人類自然語(yǔ)言符號(hào)描述的形式輸出測(cè)量結(jié)果。具有實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能的單元和符號(hào)產(chǎn)生及處理單元，能夠?qū)崿F(xiàn)專家指導(dǎo)下的學(xué)習(xí)和符號(hào)的推理及合成，從而使模糊傳感器具有可訓(xùn)練性，是模糊傳感器區(qū)別于一般傳感器的特征。經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，模糊傳感器能適應(yīng)不同測(cè)量環(huán)境和測(cè)量任務(wù)的要求。

集成化是指將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路及電源等部分集成在一個(gè)芯片上，從而使檢測(cè)及信號(hào)處理一體化?；蛘邔⒍鄠€(gè)相同傳感器配置在同一個(gè)平面上形成陣列，或者是研制能檢測(cè)兩個(gè)以上不同物理量的傳感器。

微型化傳感器以MEMS （ Micro - Electro - Mechanical Systems）技術(shù)為基礎(chǔ)，目前，已有許多較多成熟的微型傳感器，如壓力傳感器、加速度傳感器等。量子化是指利用量子力學(xué)的一些效應(yīng)研制用于檢測(cè)極端微弱信號(hào)的傳感器，例如：利用核磁共振效應(yīng)做成的磁敏傳感器，可將量程擴(kuò)展到地磁場(chǎng)的10-7；利用約瑟夫森（ J osephoson）效應(yīng)做成的熱噪聲傳感器，可測(cè)出10-6K的超低溫等。

將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合是傳感器技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化主要特征，這樣可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳感器，實(shí)現(xiàn)信息采集、傳輸和處理的一體化。網(wǎng)絡(luò)傳感器是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)就近登錄網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)所能及的范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。網(wǎng)絡(luò)傳感器的產(chǎn)生使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多點(diǎn)檢測(cè)發(fā)展；從被動(dòng)檢測(cè)向主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展；從就地測(cè)量向遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)控發(fā)展；使傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器與測(cè)控設(shè)備間再無(wú)需點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，大大簡(jiǎn)化了連接線路，節(jié)省投資，易于系統(tǒng)維護(hù)，也使系統(tǒng)更易于擴(kuò)充。

此外，在機(jī)器人工程的發(fā)展中，需要研制靈敏度高、小型化、微型化的新型視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)傳感器等。

4 極端測(cè)量

一般常規(guī)測(cè)量技術(shù)相對(duì)比較成熟，而一些極端情況下的測(cè)量，例如超高溫與超低溫的測(cè)量，大尺寸以及微納尺寸的測(cè)量，超高壓力的測(cè)量等需要解決更多的技術(shù)問(wèn)題。以壓力測(cè)量為例，在火炮膛壓測(cè)試技術(shù)中，常規(guī)火炮膛壓小于600MPa的測(cè)試，采用銅柱（銅球）測(cè)壓器或電測(cè)傳感器均可滿足要求。為提高火炮的射程和射擊精度，增大威力，在高膛壓火炮的研究中，膛壓可高達(dá)800-1000MPa，并伴隨著很高的沖擊加速度O這就促使膛壓測(cè)試技術(shù)要有相應(yīng)的發(fā)展，研制量程更大的壓力傳感器以及配套的壓力動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置，而且研制的測(cè)壓傳感器和測(cè)溫傳感器要能在高沖擊加速度下穩(wěn)定工作。