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与时俱进 国内企业加快传感器智能化研发

未知 2019-10-18 15:13

  传感器应用在当今社会环境中有非常广泛的应用。从大的说,它在自动化生产线、工业机器人等众多机械设备中作用不可替代;从小的说,日常使用的智能手机、平板电脑等便携设备上诸多功能也离不开传感器。

  伴随世界的不断进步,科技界对传感器应用理解也愈加深化,从各方面而言,传感器在如今生活体系中作用已非常显著。基于基础科学而言,它在信息采集、测试等诸多方面各有应用。

  不过,科学技术正处于持续进步当中,对传感器的技术要求正在逐步提高,由此也促使全球已有大约两万多种传感器,还在不断增加当中。未来传感器共通的技术特点大概会以集成化、智能化为主,再加上某方面功能的侧重。

  多传感器集成融合是人类进行区域感知的主要手段和关键技术,它是在通信科学、计算机科学、信息科学高度发展的基础上,在军事、工业、航天、机器人等领域新兴的科技前沿。此类传感器最重要的特点就是多功能化。正如上文所提到的,传感器另一发展方向则是智能化,这也是本文介绍的重点。

  智能传感器(intelligentsensor)是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机,具有采集、处理、交换信息的能力,是传感器集成化与微处理机相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成,采集的信息需要计算机进行处理,而使用智能传感器就可将信息分散处理,从而降低成本。与一般传感器相比,智能传感器具有以下三个优点:通过软件技术可实现高精度的信息采集,而且成本低;具有一定的编程自动化能力;功能多样化。

  当前,物联网技术应用逐步展开,智慧化体系在印象中也越来越清晰。传感器作为物联网应用的终端节点之一,智慧化要求也就顺势而生。

  物联网的基本要求是物物相连,每一个需要识别和管理的物体上,都需要安装与之对应的传感器。因此,传感器的升级换代成为物联网能否快速发展的关键。随着物联网技术的进步,不仅仅要求传感器具备基础的信息收集处理功能,高度智能化也成为衡量其性能高低的基本依据。

  所谓智能传感器,就是指传感器在基本的功能之外,具有自动调零、自校准、自标定功能,同时具备逻辑判断和信息处理能力,能对被测量信号进行信号调理或信号处理。

  与国外相比,我国智能传感器的研究主要集中在以下几方面:

  一是采用先进的微电子技术、计算机技术,研究开发出将传感器和微处理器结合、具有各种功能的单片集成化智能传感器,这是当前智能传感器的主要发展方向之一;

  二是针对传感器的材料,利用生物工艺和纳米技术,开发分子和原子生物传感器,这将为以后智能传感器的发展奠定基础;

  三是整合国内外芯片技术,结合敏感电子元件,研发出混合型集成智能传感器,这种传感器精度更高、成本更低、稳定性更好。我国在集成智能传感器领域已经取得了重大突破,国产传感器逐步打开了智能传感器的市场份额。

  智能传感器的制造基础是微机械加工技术,将硅进行机械、化学、焊接加工,再采用不同的封装技术来封装,近几年又发展了一种LIGA工艺(深层X射线光刻电镀成敏膜)用于制造传感器。

  智能传感器一般具有实时性很强的功能,尤其动态测量时常要求在几微秒内完成数据采集、计算、处理和输出。智能传感器的一系列功能都是在程序支持下进行。如功能多少、基本性能、方便使用、工作可靠,大都在一定程度上依赖于软件设计和其质量,这些软件主要有五大类。包括标度换算、数字调零、非线性补偿、温度补偿、数字滤波技术。

  我国智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大学,始于八十年代中期,八十年代末中国国防科技大学、北京航空航天大学、浙江大学等大专院校相继报道了研究成果。九十年代初,国内几家研究机构采用混合集成技术成功的研制出实用的智能传感器,标志着我国智能传感器的研究进入了国际行列,但是与国外的先进技术相比,我们还有较大差距。

  智能传感器发展主要分为三个阶段,即数字化阶段、智能化补偿和校准阶段、智能化应用和网络阶段。达到第三阶段的传感器,拥有信号的检测和处理、逻辑判断、双向通信、闭环控制、自检和自诊断、智能校正和补偿、功能计算、网络通信等多种功能。但目前国内仅有少部分制造商达到这一阶段,未能大规模普及。

  国家正在陆续制定有利於传感器产业发展的政策。另外,新兴技术的不断出现,也成为传感器行业发展的利好因素。根据中国电子元件协会2011年7月发布的《中国电子元件十二五规划》,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。

  中国传感器的市场近几年一直持续增长,增长速度超过15%。2012年中国传感器应用四大领域为工业及汽车电子产品、通信电子产品、消费电子产品专用设备,其中工业和汽车电子产品占市场份额的42%左右,市场规模达到160亿元,传感器整个市场突破500亿元。2012年中国传感器行业发展总体规模逐渐扩大,显著应用於汽车工业中包括汽车轮胎中的传感器应用、安全气囊中的传感器应用、底盘系统中的传感器应用、发动机运行管理系统中的传感器应用、废气与空气质量控制系统中的传感器应用和需求、ABS中的传感器应用和需求、车辆行驶安全系统中的传感器应用和需求、汽车防盗系统中的传感器应用和需求、发动机燃烧控制系统中的传感器应用和需求、汽车定位系统中的传感器应用和需求、汽车其他系统中的传感器应用和需求。除此以外,中国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、其他有关传感器的应用。

  《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。其中包括基於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。工业和信息化部於2012年2月发布的《物联网十二五规划》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。

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