感測技術

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　　感測技術是指高精度、高效率、高可靠性的採集各種形式信息的技術，如各種遙感技術(衛星遙感技術，紅外遙感技術等)和智能感測技術等。

　　1．知識密集程度甚高、邊緣學科色彩極濃

　　感測技術幾乎涉及現代文明的所有科學技術。感測器不同，其工作原理各異，理論上以物理“效應”、化學“反應”、生物“機理”為基礎，與多門學科密切相關。在設計、製造、應用等方面，它涉及電工電子技術、機械製造技術、化學化工技術、生物技術等多方面知識。因此，感測技術是一門多學科交叉、互相滲透的知識密集性極高的學科。

　　2．內容範圍廣而離散

　　感測技術涉及的內容十分廣泛，它所涉及的物理學、化學、生物學以及其他學科中的基礎“效應”、“反應”、“機理”，不僅門類多，而且彼此獨立。

　　3．技術複雜、工藝難度大

　　感測器的製造涉及集成技術、薄膜技術、超導技術、精細或納米加工技術、黏合技術、高密封技術、特種加工技術以及多功能化、智能化技術等許多高新技術，因此，感測器的製造工藝難度很大，技術要求很高。

　　4．功能優越、性能良好

　　感測器的功能擴展性好，適應性強，它不僅具有人的“五官“功能，而且還能檢測人的五官不能感覺到的信息，同時能在人類無法忍受的高溫、高壓及核輻射等惡劣環境下工作。感測器具有測量的連續性、測量的遠距性，靈敏度高、解析度高、精度高，量程寬、可靠性好等特性。

　　5．品種繁多、應用廣泛

　　現代信息系統中待測的信息量很多，一種待測信息可由幾種感測器來測量，而且一種感測器可測量多種信息，因此，感測器的品種繁多，應用廣泛，從航空航天、兵器、交通、機械、電子、冶煉、輕工、化工、煤炭、石油、環保、醫療、生物工程等領域，到農、林、牧、副、漁業，以及人們的衣、食、住、行等生活的方方面面，幾乎無處不使用感測器，無處不需要感測器。

　　測量、控制和自動化技術等現代科學技術的迅速發展，極大地推動了信息技術的進步。21世紀人類社會進入了信息時代，信息技術必將產生新的革命，科學技術必將得到更大的發展。現代信息技術的三大基礎是信息的拾取、信息的傳輸和信息的處理，即感測技術、通信技術和電腦技術，它們構成了信息技術系統的“感官”、“神經”、和“大腦”。而感測技術位於信息技術之首，是信息技術之源，是獲取信息的前端基礎。由於科學技術、經濟發展及生態平衡的需要，感測技術在各個領域的作用日益顯著。在工生產自動控制、能源、交通、軍事、航天以及災害預報、安全防衛、環境保護、醫療衛生和農業等各個方面，不僅能代表人的五官功能，而且還能檢測到人的五官所不能感受的各種參數。因此可以這樣說，沒有感測技術，就沒有現代信息技術。如果感測技術不發達，即使通信技術和電腦技術再發達，也只能是一個頭腦聰明、感官不靈敏的廢人。所以，感測技術的應用研究在許多工業發達國家中已經得到普遍重視。

　　據有關資料介紹，世界非軍用感測器市場，1998年的銷售額為325億美元，2003年已達到422億美元，2008年預計將增加到506億美元。在1998年的325億美元的銷售額中，美國占31％，其他美洲國家占6.1％；日本占14.4％，其他亞太國家占8.8％；德國占10.9％，其他西歐國家占20.8％。而在2008年的506億美元的銷售額中，預計美國占29％，其他美洲國家占6.5％；日本占19.5％，其他亞太國家占9.8％；德國占11.3％，其他西歐國家占21％。由此可見，感測技術的發展極為迅速，尤其是美國、日本和德國。美國早在20世紀80年代就看好感測技術，把感測技術列為90年代22項關鍵技術之一。日本把感測技術列為十大技術之首。我國也把感測技術列為“八五”、“九五”重點發展項目。在當今社會，感測技術水平的高低，已成為衡量一個國家工業發達與否的重要標誌。

　　感測技術是科學研究和工業技術的“耳目”。在基礎學科和尖端技術的研究中，大到上千光年的茫茫宇宙，小到10 ^{− 13}cm的微觀粒子；長到數十億年的天體演化，短到10 ^{− 24}s的瞬間反應；高達5×108℃的超高溫、3×10⁸Pa的超高壓，低到0.01K的超低溫、10 ^{− 13}Pa的超真空；強到25T以上的超強磁場，弱到10 ^{− 11}的超弱磁場……要測量或檢測如此極端的信息，人的感覺器官和一般的電子設備已無能為力，必須藉助於配有相應感測器的高精度測控儀器或大型測控系統才能完成。感測器是人類五官的延伸，故人們形象地把感測器稱為“電五官”。

　　感測技術早已滲透到工業生產、軍事國防、宇宙探測、海洋開發、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、文物保護、安全防範、家用電器等極其廣泛的領域。因此，從茫茫太空到浩瀚海洋，從各種複雜工程系統到日常生活的衣食住行，幾乎每一個領域都離不開各種各樣的感測器。可以毫不誇張地說，21世紀的社會將是充滿感測器的世界。

　　在電力工業中，檢測發電機組各轉動部分的軸承溫度及轉子的動平衡情況；測量和控制汽輪機進汽流量、速度、壓力和溫度，可調節發電機組的功率和頻率等，保證供電質量。同時對鍋爐水液位、粉煤倉物位以及鍋爐溫度自動檢測與控制，實行自動加煤添水，保證安全生產。

　　在工業生產自動化過程中，檢測、監視和控制溫度、壓力、流量、液位、pH等參數，以便使設備工作在最佳狀態，成本消耗最低，產品質量最高，同時，在生產過程中將各個環節的參數轉為電信號，並與電腦介面，實現生產自動化。

　　在機械製造業中，利用感測技術對鑄件內有無氣泡、裂紋進行無損檢測；在機械加工過程中，採用各種感測器，對刀架壓力、工件被夾是否變形、自動進刀量等進行控制，對車床振動的檢測，以及工件加工完畢後對加工精度、錶面光潔度、平面度、同軸度、圓度、錐度等進行檢測，有利於保證和提高工件加工質量。

　　冶金部門對液態金屬溫度的測量，大型鋼廠需要2萬多台感測器和自動化儀器對軋機的壓力、轉矩、轉速以及對板材厚度的線上不停機自動檢測和控制等；石油化工部門對溫度、壓力、流量、液位等參數的多點迴圈檢測與控制，是保證產品質量的關鍵。

　　在航空航天技術中，感測器用得早且多。用來檢測飛機及各種宇宙飛行器的飛行參

　　數、運行狀態和發動機推力、燃燒室液體燃料噴嘴的壓力、溫度，管道中液體燃料的流量、流速，空中各種衛星、宇宙飛行器的能源供給，偵察衛星對地面軍事設施、重要建築物的監視、拍照等都離不開感測器。美國阿波羅10號宇宙飛船使用大量感測器對3295個參數進行監測。我國“神州”號宇宙飛船，僅信息產業部第49所就提供了400餘套2000餘只各種感測器，對飛船中各種參數進行檢測與控制。

　　造紙、紡織、煙草等輕工部門也離不開感測器。使用感測器對紙、紗的張力進行測量，檢查布匹有無斷紗次品，檢測、控制空氣中的溫度和濕度，對保證紙張、棉紗、卷煙的質量有很大好處。

　　在交通運輸部門，為研究飛機的強度，要在機翼上貼幾百個應變片；在試驗飛行時，還要利用感測器測量發動機的轉速、轉矩、振動等參數，以及飛機上各相關部位的應力、溫度、燃油流量及液位等參數；汽車工業也要用30多種感測器檢測車速、方位、轉矩、振動、油壓、油量、溫度等參數。美國研製成功的無人駕駛飛機和正在試驗的無人駕駛汽車，則要用到更多的感測器。此外，在乘飛機、火車、輪船之前，對旅客行包中有無危險品或易燃品的檢查，海關對集裝箱內貨物品種的檢查，對車、船所裝貨物重量及載荷分佈情況的檢測，對橋梁安全運行狀態的監控，以及在夜晚、大霧或雲層中行駛的車、船、飛機預防相撞等，都要藉助感測器。

　　在軍事方面，可以這樣講，現代戰爭是科技戰爭，也就是感測器戰爭。從20世紀初的探測地雷，到現代的阻擊導彈，從20世紀末的海灣戰爭，到本世紀初的美伊之戰，打的都是感測器技術。為尋找伊拉克所謂的大型殺傷性武器，聯合國的武器檢查組使用感測器搜查了伊拉克的每個角落，甚至隱藏於地下近百米深的軍事設施也不能幸免。

　　在醫療衛生方面，眾多的檢查儀器都採用了感測器，如同位素掃描、B超、磁振、腦電圖、心電圖等。還有利用生物感測器對人體血液內的糖、尿酸含量進行檢測，以便確診病情。現在還有一種非常小的感測器，用註射器註入人體血管內，用來檢測血管壁厚度、血壓、血稠、血栓、動脈硬化以及心臟內部結構情況等各種疾病。

　　在安全防衛和環境保護方面，用感測器檢測森林火災，預報地震、山崩、滑坡、海嘯，對洪水、洪峰以及大堤管涌的檢測預報等，還有對河流、湖泊、海水、空氣的污染程度進行檢測，以及對雜訊、有害氣體對環境污染的檢測都要用到感測器。

　　海洋工程需要許多感測器。海洋占地球錶面積的70％，海洋是人類21世紀重點開發的新的生存空間，是蘊藏巨大自然資源的寶庫，是未來高技術條件下局部戰爭的主要戰場。要開發利用海洋，必須首先認識海洋。因此，對海底重力場、磁場強度、地形地貌、地質斷層、礦藏種類及含量的檢測，對海洋水文信息、氣象信息、化學成分以及對潮汐潮流的檢測都要用到感測器。特別是對5000m以下的深海探測，主要依賴於各種感測器，因為那裡有許多值得開采的礦藏，如錳結核等。此外，近海的石油鑽探和開采也需要感測器。

　　考古方面用感測器探測古跡遺址，檢測鑒定文物製造年代；地質勘探方面用感測器探測地下礦藏，檢測放射性元素、探測地下水、鑒定化石形成時間。仿生學領域製造電子鼻、電子複眼等仿生感測器，至於智能機器人的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和味覺，能模仿人的功能，則要用到多種感測器。

　　用於辦公用具和家用電器中的感測器越來越多，例如在複印機中裝有位移、照度、溫度等感測器；電冰箱、空調機上都裝有溫度、濕度感測器；洗衣機上裝有液位、振動及濕度感測器，電飯鍋中的熱電感測器，抽油煙機中的防煤氣泄漏的氣敏感測器和防火災的煙霧感測器，以及收錄機、錄像機、VCD、電視機、血壓計等都需要很多感測器。

　　感測器技術是迅猛發展的高新技術之一，也是當代科學技術發展的一個重要標誌。無論是國內還是國外，與電腦技術和數字控制技術相比，感測技術的發展都相對落後，限制了感測控制系統的普及與應用。

　　我國從20世紀60年代時開始感測技術的研究與開發。經過多年的積累，在感測器研究、設計：製造、可靠性改進等方面獲得了長足的進步，初步形成了感測器研究、開發、生產和應用的體系，併在相關領域取得了一批研究成果。但是，從總體上講還不能適應經濟與科技的迅速發展，不少感測器、信號處理和識別系統仍然依賴進口。我國感測技術產品的市場競爭優勢尚未形成，產品的改進與革新速度慢，市場轉化率比較低。

　　世界技術發達國家對開發感測器技術十分重視，都把感測器技術列為國家重點開發的關鍵技術之一。2000年，美國空軍推選出15項有助於提高21世紀空軍能力的關鍵技術，感測器技術名列第二。美國早在20世紀80年代初就成立了國家技術小組，幫助政府組織公司的感測器技術開發工作。日本把感測器技術與電腦、通信、激光半導體、超導、人工智慧併列為六大核心技術。日本科學技術廳制定的20世紀90年代重點科研項目的70個重點課題中，有18項與感測器技術密切相關。德國把軍用感測器視為優先發展技術，英、法等國對感測器的開發投資也逐年升級。正是由於世界各國普遍重視和投入開發，感測器發展十分迅速，近十年來其產量及市場需求年增長率均在10％以上。

　　國內外感測技術的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

　　(1)關註感測技術的系統性以及感測器、數據處理與識別技術的協調發展。

　　(2)突出創新。研究開發新型感測器和感測技術系統，這涉及新理論、新材料、新工藝等諸多方面，如生物感測技術、光感測技術、微機電技術等。

　　側重感測器與感測技術硬體系統與元器件的微型化，提高可靠性、感測精度、處理速度和生產率，降低成本，節約資源與能源。在微小型化過程中，為世界各國矚目的成功技術是納米技術。

　　進行硬體與軟體兩方面的集成，設計多功能、高精度的複合型感測器。主要包括感測器陣列的集成和多功能、多感測參數的複合感測器設計(如汽車用油量、酒精檢測和發動機工作性能的複合感測器)；感測系統硬體的集成(如信息處理與感測器的集成，感測器與處理單元、識別單元的集成等)；硬體與軟體的集成，以及數據集成與數據融合等。

　　(3)研究與開發特殊環境(指高溫、高壓、高寒、水下、高腐蝕和輻射等環境)下的感測器與感測技術系統，如航空、航天、軍事、高精工業、測試設備使用的感測技術及產品。

　　(4)對一般工業用途、農業和服務業廣泛使用的感測技術系統，側重解決其可靠性、可利用性和大幅度降低成本的問題。

　　(5)將感測信號處理與人工智慧等技術有機結合，面嚮應用需求，發展高可靠、自適應、抗干擾的智能感測技術系統。

　　感測器是一個多學科交叉的高技術領域，伴隨著物理學、生物科學、信息科學和材料科學等相關學科的高速發展，未來感測器發展的主要特點體現在以下方面：

　　(1)功能更加全面，並向微型化發展。當前，感測器研究的重要內容之一是能夠代替生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物感測器，即仿生感測器。隨著微加工技術和納米技術的進步，生物感測器將不斷地微型化，各種攜帶型生物感測器將會出現。

　　(2)智能化程度更高，操作更簡單。價格更便宜，使用壽命更長。感測器和電腦技術緊密結合，自動採集數據和處理數據。晶元技術將越來越多地進入感測器領域．實現檢測系統的集成化和一體化。