简析传感器与检测技术的发展趋势

镇江船艇学院 周 璇

简析传感器与检测技术的发展趋势

镇江船艇学院 周 璇

【摘要】本文对传感器与检测技术的作了简单概述，着重从测量仪器的高精度和功能发展、参数与处理、传感器的发展方向以及极端测量等方面对传感器与检测技术的发展趋势进行了探讨。

【关键词】高精度；自动化；智能化；网络化

传感器是测量系统中的前置测量转换部件，它将被测对象的非电变量转换成可供测量的电信号。传感器技术是当今世界测控领域备受关注的高新技术之一，它与通信、计算机技术构成了信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的升级，通信网络是人类神经的拓展，那么传感器就如人类五官的延伸。近年来，计算机技术、通信技术的发展突飞猛进，而传感器技术的发展则相对滞后。

传感器技术是测量技术、微电子学、物理学、化学、生物学、精密机械、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术，在航天、航空、国防、科研、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、通信、生物、医学、环保、材料、农林、渔业、食品、烟酒、机器人、家电等诸多领域都有着广泛的应用。可以说，传感器技术是衡量一个国家综合实力和科学技术水平的重要标志之一。

现代科技水平的不断提高，为传感与测试技术水平的发展创造了一定的条件，拥有高水平的传感与测量技术又会促进新科技成果的不断出现和创新。传感与检测技术向以下几个方面发展。

1 测量仪器的高精度和功能多元化发展

单个测量仪器的精度以及整个测量系统性能的提高，将使测得的数据可信度也相应提高。在产品研制过程中，要进行大量的实验，测量其性能参数，然后对新的测数据加以统计分析。在相同条件下要实验若干次，新的测参数才能具有一定的可信度。仪器精度的提高，将减少实验次数，减少实验的经费，降低产品成本。在提高测量仪器精度的同时，仪器的功能多元化发展也是目前的发展趋势。尤其是计算机技术的发展，也使传感与测量技术产生了革命性的变化，在许多测试系统中利用计算机而使仪器的测量精度更高，功能更全。

2 参数测量与数据处理的自动化发展

一个产品的大型综合性实验，其准备时间长，待测的参数也多，少则有几十，多则有几百个数据通道。这些通道状态如果完全依靠人工检查，耗费时间很长；大量的数据若依靠手工去处理，不仅处理周期太长，处理结果精度也低。现代传感与测量技术采用以计算机为核心，这样构成的自动测试系统能实现故障诊断、自动校准、自动修正、信号调制、多路采集和自动分析处理，并能打印输出测试结果。

3 传感器向智能化、集成化、微型化、量子化、网络化发展

传感器是信号检测的器件，正向着高精度、高灵敏度、测量范围大以及小型化甚至微型化的方向发张。新型材料特别是新型半导体材料方面的成就，促进发展了很多对力、热、光、磁等物理量及气体化学成分敏感的器件。特别值得注意的是，光导纤维不仅可用来进行信号传输，而且可作为物性型传感器。另一个引人注目的发展，是由于微电子发展使得把某些电路乃至微处理器和传感测量部分很有可能做成一体，而使传感器具有放大、校正、判断和一定的信号处理功能，组成“智能传感器”。智能传感器技术是一门涉及多种学科、多个领域的高新技术，随着当前科学技术的不断提高，其主要发展趋势是：微传感器系统、多传感器数据融合技术、网络化智能传感器系统、蓝牙传感器系统、生物传感器系统。与传统传感器相比，智能传感器具有精度高、可靠性与稳定性高、信噪比与分辨率高、自适应性强及性能价格比高等特点。此外，军事领域智能传感器还大量采用了并行处理、模式识别等先进的信息处理方式，为提高传感器的性能开辟了新的天地。

模糊传感器是在传统数据检测的基础上，经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果。具有实现学习功能的单元和符号产生及处理单元，能够实现专家指导下的学习和符号的推理及合成，从而使模糊传感器具有可训练性，是模糊传感器区别于一般传感器的特征。经过学习与训练，模糊传感器能适应不同测量环境和测量任务的要求。

集成化是指将敏感元件、信号调理电路及电源等部分集成在一个芯片上，从而使检测及信号处理一体化。或者将多个相同传感器配置在同一个平面上形成阵列，或者是研制能检测两个以上不同物理量的传感器。

微型化传感器以MEMS （ Micro - Electro - Mechanical Systems）技术为基础，目前，已有许多较多成熟的微型传感器，如压力传感器、加速度传感器等。量子化是指利用量子力学的一些效应研制用于检测极端微弱信号的传感器，例如：利用核磁共振效应做成的磁敏传感器，可将量程扩展到地磁场的10-7；利用约瑟夫森（ J osephoson）效应做成的热噪声传感器，可测出10-6K的超低温等。

将传感器技术、通信技术以及计算机技术相结合是传感器技术的网络化主要特征，这样可以构成网络传感器，实现信息采集、传输和处理的一体化。网络传感器是指传感器在现场实现网络协议，使现场测控数据就近登录网络，在网络所能及的范围内实时发布和共享。网络传感器的产生使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展；使传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，节省投资，易于系统维护，也使系统更易于扩充。

此外，在机器人工程的发展中，需要研制灵敏度高、小型化、微型化的新型视觉、触觉、听觉、嗅觉传感器等。

4 极端测量

一般常规测量技术相对比较成熟，而一些极端情况下的测量，例如超高温与超低温的测量，大尺寸以及微纳尺寸的测量，超高压力的测量等需要解决更多的技术问题。以压力测量为例，在火炮膛压测试技术中，常规火炮膛压小于600MPa的测试，采用铜柱（铜球）测压器或电测传感器均可满足要求。为提高火炮的射程和射击精度，增大威力，在高膛压火炮的研究中，膛压可高达800-1000MPa，并伴随着很高的冲击加速度O这就促使膛压测试技术要有相应的发展，研制量程更大的压力传感器以及配套的压力动态标定装置，而且研制的测压传感器和测温传感器要能在高冲击加速度下稳定工作。