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1、传感检测技术综述1530882唐超隽指导教师熊肖磊摘要本文介绍了传感检测技术在社会发展中起到的重要作用，回顾了传感器的发展历史，介绍了传感器的分类、作用、应用以及市场行情，展望了传感检测行业的未来发展趋势以及我国此技术发展所面临的机遇及挑战。关键词：传感器；检测技术目录0引言11 传感器11.1传感器的定义11.2传感器的分类11.3传感器的地位和作用11.4传感器的发展22 传感器在中国的行情及应用32.1中国传感器市场整体行情32.2新型传感器的应用4生物传感器4传感器4气体传感器53 传感检测技术展望53.1传感检测技术发展趋势53.2传感检测行业发展面临的机遇与挑战54 结语6参考文献
2、70引言1,2,3检测技术是以现代自动化系统中的应用为主要目的，涉及检测方法、检测结构以及信号处理的一门综合性技术。传感器技术是当今世界令人瞩目、迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志，与通信技术、计算机技术共同构成现代信息技术的三大支柱。对于检测技术而言，传感器就相当于它的“耳目”，将被检测量的特征转化为检测系统可接收的信息。在这个信息“爆炸”的时代，传感检测技术在现代技术的应用方面具有巨大的发展潜力，对当前新兴技术的发展有着巨大影响。发展传感检测技术，便能直接推动新兴技术的蓬勃发展；相反，若传感检测技术发展中遇到的瓶颈问题无法顺利解决，也会相应减慢现代技术的发展。本文着重介
3、绍传感器行业发展现状及应用，并展望传感器技术的未来发展趋势和应用前景。1传感器1.1传感器的定义2,4传感器是获得信息的一种装置，其定义可分为广义和狭义两种。广义定义也是国家标准GB7667-87所采用的定义，为“能感受规定的被检测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。而狭义定义主要应用于非电量电测技术中，表述为“将外界信息按一定规律转换成电量的装置”。尽管表述不同，传感器的内涵的一致的。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量、生物量，且转化后的信息也可以有各种形式。为了与目前发展较为成熟的电子信息
4、技术和计算机技术更易配套，目前大部分的传感器还是把外部信息转换为电量。1.2传感器的分类2,4传感器产品多种多样，应用更是广泛，同一种被测量可以由不同原理的传感器测量；基于同种原理的技术也可应用于多种被测量的测量。传感器主要可以由以下几类方法分类：（1）按检测过程中对外界能源的需要与否，可以将传感器分为无源传感器（能量控制型传感器）和有源传感器（能量转换型传感器）。（2）按信号转换中发生的物理效应、化学效应等，可以将传感器分为物理性、化学型和生物型。（3）按构成原理，可以将传感器分为结构性（空间型）和物性型（材料型）。（4）按输出量的形式，可将传感器分为模拟式和数字式。（5）最常用的命名方法是
5、按工作原理及被测量对传感器的命名，如电阻应变式（被测量为电阻，工作原理为应变使应变片阻值变化。1.3传感器的地位和作用5工业革命之后，机器的发明和改进大大便利了人类生活，从根本上改变了人类的生活方式。人类依靠自身五官对客观世界的认知已远远不够。作为机器的“电五官”的传感器自18世纪产业革命以来，特别是20世纪开始的信息革命之后，已成为人类准确、可靠地获取自然和生产领域相关信息的主要工具。信息技术由测量技术、计算机技术、通信技术三部分组成，其中测量技术是关键和基础。而传感器作为获取外界信息的窗口，在信息技术系统中的作用不言而喻。传感器关系到一个测控系统的成败。传感器延伸了人类的感知力，传感器的发
6、展推动着生产和科技的进步，生产和科技的进步也反过来推动和支持传感器的进步和发展。1.4传感器的发展由于广义定义的传感器范围较广，一支温度计、一台称都可以当作传感器，因此，无人能够有信心在历史的洪流中找出世界上的第一个传感器。从资料上看，温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。早在1593年，伟大的物理学家伽利略发明了第一支空气温度计。自此，人们开始利用温度计进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，20世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温
7、度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容3。我国传感器行业已经历了50个春秋。20世纪80年代，改革开放的春风给传感器行业带来了生机与活力；90年代，在党和国家关于“大力加强传感器的开发和在国民经济中普遍应用”的决策指引下，传感器行业进入了新的发展时期。“八五”以来，在国家的支持下，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC89首届全国敏感
8、元件与传感器学术会议”已延续至今，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会”。在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下，实施的“双加工程”即：加快力度加快发展，的方针指导下，建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。多年来，三大基地在发展过程中虽然兴衰不一，它对我国敏感元件与传感器行业的建设起到了一定的推动作用。“九五”其间，通过科技攻关，传感器技术领域水平得到较大的提高。主要以工业自动控制、机电一体化、科学测试仪器为服务领域，以市场需求为导向，以提高敏感元件及传感器的技术水平、可靠性水平和产业
9、孵化为目标,安排工程化研究、新产品、共性关键技术攻关三个层次内容。传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得了51个品种86个规格的新产品。初步建立了敏感元件与传感器产业。产品已进入到亿万人民的家庭生活中，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。在研发主力军的建设方面，主要表现在：建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地。全国已有1688家企事业从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。“十五”其间，为了发展先进制造与振兴机械工业的要求和国内外发展趋势的分析，传感技术攻关的目标是：提高传统传感技术等级、
10、可靠性和可应用性水平，增强竞争力；积极创新系统，开发新产品，缩小差距，支持和促进我国先进制造技术的发展，振兴制造业。传感器技术国家指定的科技攻关范围较小，仅选择了少数项目，集中在几个单位内进行，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点；国家计委决定从2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有5项新型敏感元件与传感器已经启动；一些省、市新建立的“传感器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”，呈现出良好的发展态势。我国开发新一代的高、精、尖传感器已具备条件，如光纤、红外、超声波、生物、智能及模糊控制传感器，采用MEMS技术制作微传感器等，这些新产品逐步实现了CAD设计、全部实现可靠
11、性设计，质量分析及质量信息管理均采用计算机化。“十一五”一一2006年十届全国人大四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要。自此拉开了“十一五”的大幕。“十一五”规划纲要中着重强调了推进工业结构优化升级，其中提升电子信息制造业，培育生物产业，推进航空航天产业，发展新材料产业等计划的提出，以及对传统制造业和新能源开发等项目的实施无疑为中国传感器的技术发展和市场空间的开拓提供了有力的支持。前阶段工信部下发了信息产业科技发展“十一五”规划和2020年中长期规划纲要中明确的指出新型元器件技术开发将重点围绕敏感元件和传感器等。并且对于传感器产业化发展提供了规划和政策支持。从“十一五”
12、规划纲要至今从中国传感器市场虽然经历了金融危机的冲击，但是总体保持着强势快速度发展格局，最新传感器技术大多首先在国外发展起来，但是真正的应用却往往首先在中国实现，这正是源于中国庞大而多样的传感器市场特点。相信通过“十一五”重要的发展期中国传感器技术将有进一步跃升，逐步缩短与世界先进传感器技术国家间的差距8。今天的传感器已经从简单的换能器发展成带有微型电子机械发动机和具有无线传输能力的智能型传感器。这类智能传感器最重要的发展有三个方面：采用了微电子机械系统（MEMS八智能化的传感器和实现了网络化（特别是无线联网）9。今天活跃在国际市场上的仍然是德国、日本、美国、俄国等老牌工业国家的企业。在这些国
13、家里，传感器的应用范围很广，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力达到几千万只甚至几亿只。相比之下，我国传感器行业总体技术水平还是相对比较落后的，中国传感器的应用范围较窄，更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域，与国外发达国家相比仍有较大差距10。2传感器在中国的行情及应用2.1中国传感器市场整体行情11中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%。资料显示，十二五期间将投资5000亿元，主要集中在新型电子元件的研发和产业化领域。中国电子元件十二五规划明确列出未来5年重点发展的产品和技术，包括满足新一代电子整机发展需求的新型片式化、小型化、集成化、高可靠电子元件
14、产品；满足我国新型交通装备制造业配套需求的高质量、关键性电子元件；为节能环保设备配套的电子元件以及环保型电子元件；为新一代通信技术配套的电子元件；为新能源以及智能电网产业配套的电子元件；新型电子元件材料以及设备。业内市场机构指出：“目前从整个气体传感器领域来看，技术虽然稳定性大，但门槛很低。未来的前进方向只能是高精尖。”而物联网的发展将极大推进传感器领域发展，其在能源、智能感知、安全监控、环保等领域将有极大应用。预计到2020年，整个产业规模将达到600亿元以上，国产化率达到70%以上。其中包括基于MEMS技术的传感器、环境监测设备用气体传感器、流量传感器、湿度传感器等。此外，发布的物联网十二
15、五规划中，在重点工程内容中也提到发展微型和智能传感器、无线传感器网络等。传感器在其他领域也有新的应用，如工业控制领域、在环境保护领域、在设施农业中、在多媒体图像领域、其它有关传感器的应用。回顾中国传感器行业，虽然发展迅速，但是也存在一些不利的因素。如在产品技术上产业基础薄弱、科技与生产脱节、产品技术水平偏低、产品种类欠缺、企业产品研发能力弱。但另一方面国家不断制定有利传感器产业发展的战略与政策，全年整机系统市场的快速发展，新兴技术的不断推动也都成为传感网发展的利好因素。在国际市场上，德国、日本、美国、俄罗斯等老牌工业国家的企业主导了传感器市场，许多厂家的生产都实现了规模化，有些企业的年生产能力
16、达到几千万只甚至几亿只。相比之下，中国传感器的应用范围较窄，更多的应用仍然停留在工业测量与控制等基础应用领域。有赖于此，中国传感器市场竞争十分激烈。22新型传感器的应用传感器在各行各业都发挥着重要作用。农业领域，它可用于监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、牲畜和家禽的环境状况以及大面积的地表检测12;交通领域，视频传感技术可以独自或与其他传感器合作完成车辆违章行为以及交通拥堵状况的检测13。除此之外，传感器在工程领域、科学实验、产品开发、生产监督、质量控制、航天、机械、电力、石化等诸多领域都有广泛应用。本文仅简介目前较新颖的传感器及其应用。生物传感器14,15生物传感器技术是研究和工程技术领域一个非常活跃的课题，它与生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。生物传感器在近几十
