传感技术

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　　传感技术是指高精度、高效率、高可靠性的采集各种形式信息的技术，如各种遥感技术(卫星遥感技术，红外遥感技术等)和智能传感技术等。

　　1．知识密集程度甚高、边缘学科色彩极浓

　　传感技术几乎涉及现代文明的所有科学技术。传感器不同，其工作原理各异，理论上以物理“效应”、化学“反应”、生物“机理”为基础，与多门学科密切相关。在设计、制造、应用等方面，它涉及电工电子技术、机械制造技术、化学化工技术、生物技术等多方面知识。因此，传感技术是一门多学科交叉、互相渗透的知识密集性极高的学科。

　　2．内容范围广而离散

　　传感技术涉及的内容十分广泛，它所涉及的物理学、化学、生物学以及其他学科中的基础“效应”、“反应”、“机理”，不仅门类多，而且彼此独立。

　　3．技术复杂、工艺难度大

　　传感器的制造涉及集成技术、薄膜技术、超导技术、精细或纳米加工技术、黏合技术、高密封技术、特种加工技术以及多功能化、智能化技术等许多高新技术，因此，传感器的制造工艺难度很大，技术要求很高。

　　4．功能优越、性能良好

　　传感器的功能扩展性好，适应性强，它不仅具有人的“五官“功能，而且还能检测人的五官不能感觉到的信息，同时能在人类无法忍受的高温、高压及核辐射等恶劣环境下工作。传感器具有测量的连续性、测量的远距性，灵敏度高、分辨率高、精度高，量程宽、可靠性好等特性。

　　5．品种繁多、应用广泛

　　现代信息系统中待测的信息量很多，一种待测信息可由几种传感器来测量，而且一种传感器可测量多种信息，因此，传感器的品种繁多，应用广泛，从航空航天、兵器、交通、机械、电子、冶炼、轻工、化工、煤炭、石油、环保、医疗、生物工程等领域，到农、林、牧、副、渔业，以及人们的衣、食、住、行等生活的方方面面，几乎无处不使用传感器，无处不需要传感器。

　　测量、控制和自动化技术等现代科学技术的迅速发展，极大地推动了信息技术的进步。21世纪人类社会进入了信息时代，信息技术必将产生新的革命，科学技术必将得到更大的发展。现代信息技术的三大基础是信息的拾取、信息的传输和信息的处理，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们构成了信息技术系统的“感官”、“神经”、和“大脑”。而传感技术位于信息技术之首，是信息技术之源，是获取信息的前端基础。由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要，传感技术在各个领域的作用日益显著。在工生产自动控制、能源、交通、军事、航天以及灾害预报、安全防卫、环境保护、医疗卫生和农业等各个方面，不仅能代表人的五官功能，而且还能检测到人的五官所不能感受的各种参数。因此可以这样说，没有传感技术，就没有现代信息技术。如果传感技术不发达，即使通信技术和计算机技术再发达，也只能是一个头脑聪明、感官不灵敏的废人。所以，传感技术的应用研究在许多工业发达国家中已经得到普遍重视。

　　据有关资料介绍，世界非军用传感器市场，1998年的销售额为325亿美元，2003年已达到422亿美元，2008年预计将增加到506亿美元。在1998年的325亿美元的销售额中，美国占31％，其他美洲国家占6.1％；日本占14.4％，其他亚太国家占8.8％；德国占10.9％，其他西欧国家占20.8％。而在2008年的506亿美元的销售额中，预计美国占29％，其他美洲国家占6.5％；日本占19.5％，其他亚太国家占9.8％；德国占11.3％，其他西欧国家占21％。由此可见，传感技术的发展极为迅速，尤其是美国、日本和德国。美国早在20世纪80年代就看好传感技术，把传感技术列为90年代22项关键技术之一。日本把传感技术列为十大技术之首。我国也把传感技术列为“八五”、“九五”重点发展项目。在当今社会，传感技术水平的高低，已成为衡量一个国家工业发达与否的重要标志。

　　传感技术是科学研究和工业技术的“耳目”。在基础学科和尖端技术的研究中，大到上千光年的茫茫宇宙，小到10 ^{− 13}cm的微观粒子；长到数十亿年的天体演化，短到10 ^{− 24}s的瞬间反应；高达5×108℃的超高温、3×10⁸Pa的超高压，低到0.01K的超低温、10 ^{− 13}Pa的超真空；强到25T以上的超强磁场，弱到10 ^{− 11}的超弱磁场……要测量或检测如此极端的信息，人的感觉器官和一般的电子设备已无能为力，必须借助于配有相应传感器的高精度测控仪器或大型测控系统才能完成。传感器是人类五官的延伸，故人们形象地把传感器称为“电五官”。

　　传感技术早已渗透到工业生产、军事国防、宇宙探测、海洋开发、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护、安全防范、家用电器等极其广泛的领域。因此，从茫茫太空到浩瀚海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行，几乎每一个领域都离不开各种各样的传感器。可以毫不夸张地说，21世纪的社会将是充满传感器的世界。

　　在电力工业中，检测发电机组各转动部分的轴承温度及转子的动平衡情况；测量和控制汽轮机进汽流量、速度、压力和温度，可调节发电机组的功率和频率等，保证供电质量。同时对锅炉水液位、粉煤仓物位以及锅炉温度自动检测与控制，实行自动加煤添水，保证安全生产。

　　在工业生产自动化过程中，检测、监视和控制温度、压力、流量、液位、pH等参数，以便使设备工作在最佳状态，成本消耗最低，产品质量最高，同时，在生产过程中将各个环节的参数转为电信号，并与计算机接口，实现生产自动化。

　　在机械制造业中，利用传感技术对铸件内有无气泡、裂纹进行无损检测；在机械加工过程中，采用各种传感器，对刀架压力、工件被夹是否变形、自动进刀量等进行控制，对车床振动的检测，以及工件加工完毕后对加工精度、表面光洁度、平面度、同轴度、圆度、锥度等进行检测，有利于保证和提高工件加工质量。

　　冶金部门对液态金属温度的测量，大型钢厂需要2万多台传感器和自动化仪器对轧机的压力、转矩、转速以及对板材厚度的在线不停机自动检测和控制等；石油化工部门对温度、压力、流量、液位等参数的多点循环检测与控制，是保证产品质量的关键。

　　在航空航天技术中，传感器用得早且多。用来检测飞机及各种宇宙飞行器的飞行参

　　数、运行状态和发动机推力、燃烧室液体燃料喷嘴的压力、温度，管道中液体燃料的流量、流速，空中各种卫星、宇宙飞行器的能源供给，侦察卫星对地面军事设施、重要建筑物的监视、拍照等都离不开传感器。美国阿波罗10号宇宙飞船使用大量传感器对3295个参数进行监测。我国“神州”号宇宙飞船，仅信息产业部第49所就提供了400余套2000余只各种传感器，对飞船中各种参数进行检测与控制。

　　造纸、纺织、烟草等轻工部门也离不开传感器。使用传感器对纸、纱的张力进行测量，检查布匹有无断纱次品，检测、控制空气中的温度和湿度，对保证纸张、棉纱、卷烟的质量有很大好处。

　　在交通运输部门，为研究飞机的强度，要在机翼上贴几百个应变片；在试验飞行时，还要利用传感器测量发动机的转速、转矩、振动等参数，以及飞机上各相关部位的应力、温度、燃油流量及液位等参数；汽车工业也要用30多种传感器检测车速、方位、转矩、振动、油压、油量、温度等参数。美国研制成功的无人驾驶飞机和正在试验的无人驾驶汽车，则要用到更多的传感器。此外，在乘飞机、火车、轮船之前，对旅客行包中有无危险品或易燃品的检查，海关对集装箱内货物品种的检查，对车、船所装货物重量及载荷分布情况的检测，对桥梁安全运行状态的监控，以及在夜晚、大雾或云层中行驶的车、船、飞机预防相撞等，都要借助传感器。

　　在军事方面，可以这样讲，现代战争是科技战争，也就是传感器战争。从20世纪初的探测地雷，到现代的阻击导弹，从20世纪末的海湾战争，到本世纪初的美伊之战，打的都是传感器技术。为寻找伊拉克所谓的大型杀伤性武器，联合国的武器检查组使用传感器搜查了伊拉克的每个角落，甚至隐藏于地下近百米深的军事设施也不能幸免。

　　在医疗卫生方面，众多的检查仪器都采用了传感器，如同位素扫描、B超、磁振、脑电图、心电图等。还有利用生物传感器对人体血液内的糖、尿酸含量进行检测，以便确诊病情。现在还有一种非常小的传感器，用注射器注入人体血管内，用来检测血管壁厚度、血压、血稠、血栓、动脉硬化以及心脏内部结构情况等各种疾病。

　　在安全防卫和环境保护方面，用传感器检测森林火灾，预报地震、山崩、滑坡、海啸，对洪水、洪峰以及大堤管涌的检测预报等，还有对河流、湖泊、海水、空气的污染程度进行检测，以及对噪声、有害气体对环境污染的检测都要用到传感器。

　　海洋工程需要许多传感器。海洋占地球表面积的70％，海洋是人类21世纪重点开发的新的生存空间，是蕴藏巨大自然资源的宝库，是未来高技术条件下局部战争的主要战场。要开发利用海洋，必须首先认识海洋。因此，对海底重力场、磁场强度、地形地貌、地质断层、矿藏种类及含量的检测，对海洋水文信息、气象信息、化学成分以及对潮汐潮流的检测都要用到传感器。特别是对5000m以下的深海探测，主要依赖于各种传感器，因为那里有许多值得开采的矿藏，如锰结核等。此外，近海的石油钻探和开采也需要传感器。

　　考古方面用传感器探测古迹遗址，检测鉴定文物制造年代；地质勘探方面用传感器探测地下矿藏，检测放射性元素、探测地下水、鉴定化石形成时间。仿生学领域制造电子鼻、电子复眼等仿生传感器，至于智能机器人的视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉，能模仿人的功能，则要用到多种传感器。

　　用于办公用具和家用电器中的传感器越来越多，例如在复印机中装有位移、照度、温度等传感器；电冰箱、空调机上都装有温度、湿度传感器；洗衣机上装有液位、振动及湿度传感器，电饭锅中的热电传感器，抽油烟机中的防煤气泄漏的气敏传感器和防火灾的烟雾传感器，以及收录机、录像机、VCD、电视机、血压计等都需要很多传感器。

　　传感器技术是迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是国内还是国外，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都相对落后，限制了传感控制系统的普及与应用。

　　我国从20世纪60年代时开始传感技术的研究与开发。经过多年的积累，在传感器研究、设计：制造、可靠性改进等方面获得了长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在相关领域取得了一批研究成果。但是，从总体上讲还不能适应经济与科技的迅速发展，不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。我国传感技术产品的市场竞争优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，市场转化率比较低。

　　世界技术发达国家对开发传感器技术十分重视，都把传感器技术列为国家重点开发的关键技术之一。2000年，美国空军推选出15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，传感器技术名列第二。美国早在20世纪80年代初就成立了国家技术小组，帮助政府组织公司的传感器技术开发工作。日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导、人工智能并列为六大核心技术。日本科学技术厅制定的20世纪90年代重点科研项目的70个重点课题中，有18项与传感器技术密切相关。德国把军用传感器视为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资也逐年升级。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，近十年来其产量及市场需求年增长率均在10％以上。

　　国内外传感技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：

　　(1)关注传感技术的系统性以及传感器、数据处理与识别技术的协调发展。

　　(2)突出创新。研究开发新型传感器和传感技术系统，这涉及新理论、新材料、新工艺等诸多方面，如生物传感技术、光传感技术、微机电技术等。

　　侧重传感器与传感技术硬件系统与元器件的微型化，提高可靠性、传感精度、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源。在微小型化过程中，为世界各国瞩目的成功技术是纳米技术。

　　进行硬件与软件两方面的集成，设计多功能、高精度的复合型传感器。主要包括传感器阵列的集成和多功能、多传感参数的复合传感器设计(如汽车用油量、酒精检测和发动机工作性能的复合传感器)；传感系统硬件的集成(如信息处理与传感器的集成，传感器与处理单元、识别单元的集成等)；硬件与软件的集成，以及数据集成与数据融合等。

　　(3)研究与开发特殊环境(指高温、高压、高寒、水下、高腐蚀和辐射等环境)下的传感器与传感技术系统，如航空、航天、军事、高精工业、测试设备使用的传感技术及产品。

　　(4)对一般工业用途、农业和服务业广泛使用的传感技术系统，侧重解决其可靠性、可利用性和大幅度降低成本的问题。

　　(5)将传感信号处理与人工智能等技术有机结合，面向应用需求，发展高可靠、自适应、抗干扰的智能传感技术系统。

　　传感器是一个多学科交叉的高技术领域，伴随着物理学、生物科学、信息科学和材料科学等相关学科的高速发展，未来传感器发展的主要特点体现在以下方面：

　　(1)功能更加全面，并向微型化发展。当前，传感器研究的重要内容之一是能够代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器，即仿生传感器。随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器将会出现。

　　(2)智能化程度更高，操作更简单。价格更便宜，使用寿命更长。传感器和计算机技术紧密结合，自动采集数据和处理数据。芯片技术将越来越多地进入传感器领域．实现检测系统的集成化和一体化。