试论传感器技术的发展

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  摘要:传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,主要用于检测机电一体化系统自身与操作对象、作业环境的状态,为有效地控制机电一体化系统的运作提供必须的相关信息。新时期人类将全面进入信息电子化时代,随着人类探知领域和空间的拓展,电子信息种类的日益繁多,信息传递的速度日益加快,信息处理能力日益增强,相应的信息采集——传感技术也将日益发展,进而传感器也将无所不在。
  关键词:电子技术  传感器  探讨
  我们当今正处于信息科学技术飞速发展的信息化时代,各类传感器在已经广为应用于生产生活的方方面面,。传感器作为现代科技的前沿技术,被认为是现代信息技术的三大支柱之一,也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业和朝阳产业。
  一、传感器的定义
  传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。按照国家标准GB7665-87定义:能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
  二、传感器的作用
  信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。传感器的输入通常是各种外界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),输出信号通常是电量。它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式,如电压、电流、电阻、电容等,输出信号的形式由传感器的原理确定。
  三、传感器的分类
  按照传感器的转换原理,传感器可分为物理传感器和化学传感器两大类:物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号;化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。按照其制造工艺,可以将传感器区分为:集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器。
  四、历史及现状
  传感器其发展历史可以追溯到17世纪初,从伽利略发明温度计开始,人们就已开始温度进行测量。而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,本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。直至今日,各类不同的传感器业已应用于不同行业的不同领域,各司其职。现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。现代社会的工业生产中对各类传感器的要求已经越来越高,传统的大体积弱功能传感器往往很难满足诸如,精确性、可靠性、灵敏性等各项性能指标的需求。现在的新型高性能微型传感器主要由硅材料构成,具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使設备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到 cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到 s的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
  五、传感器发展展望
  传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后,随着计算机辅助设计(CAD)技术、微机电系统(MEMS)技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展,未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。传感器与微处理机相结合,使之不仅具有检测功能,还具有信息处理、逻辑判断、自诊断、以及“思维”等人工智能。智能传感器是电五官与微电脑的统一体,对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器,这种传感器还具有与主机互相对话的功能,还能将已获得的大量数据进行分割处理,实现远距离、高速度、高精度传输等。
  在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会,作为现代科学“耳目”的传感器技术领域也在不断的探索和开发,在机制创新与科技创新带领下,我国传感器技术必将会跃上一个新台阶。
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本课题来源于国家重点基础研究发展计划(973)项目(2002CB412501)和国家自然科学基金资助项目(40476063)。本文通过2007年6月和7月对黄河流域的水文地球化学特征以及干流河水中无机
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