傳感技術

傳感技術是關於從自然信源獲取信息,並對之進行處理(變換)和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術,它涉及傳感器(又稱換能器)、信息處理和識別的規劃設計、開發、制建造、測試、應用及評價改進等活動。傳感技術同計算機技術與通信一起被稱為信息技術的三大支柱。從物聯網角度看,傳感技術是衡量一個國家信息化程度的重要標誌,作為第二屆杭州物聯網暨傳感技術應用高峰論壇,推進我國傳感器產業化快速發展。

傳感技術

技術概述

獲取信息靠各類傳感器,它們有各種物理量、化學量或生物量的傳感器。按照信息論的凸性定理,傳感器的功能與品質決定了傳感系統獲取自然信息的信息量和信息質量,是高品質傳感技術系統的構造第一個關鍵。信息處理包括信號的預處理、後置處理、特徵提取與選擇等。識別的主要任務是對經過處理信息進行辨識與分類。它利用被識別(或診斷)對象與特徵信息間的關聯關係模型對輸入的特徵信息集進行辨識、比較、分類和判斷。因此,傳感技術是遵循信息論和系統論的。它包含了眾多的高新技術、被眾多的產業廣泛採用。它也是現代科學技術發展的基礎條件,應該受到足夠地重視。

為了提高製造企業的生產率(或降低運行時間)和產品質量、降低產品成本,工業界對傳感技術的基本要求,是能可靠地應用於現場,完成規定的功能。

發展現狀

無論是國內還是國外,與計算機技術和數字控制技術相比,傳感技術的發展都落後於它們。從80年代起才開始重視和投資傳感技術的研究開發或列為重點攻關項目,不少先進的成果仍停留在研究實驗階段,轉化率比較低。

我國從60年代開始傳感技術的研究與開發,經過從「六五」到「九五」的國家攻關,在傳感器研究開發、設計、製造、可靠性改進等方面獲得長足的進步,初步形成了傳感器研究、開發、生產和應用的體系,並在數控機床攻關中取得了一批可喜的、為世界矚目的發明專利與工況監控系統或儀器的成果。但從總體上講,它還不能適應我國經濟與科技的迅速發展,我國不少傳感器、信號處理和識別系統仍然依賴進口。同時,我國傳感技術產品的市場競爭力優勢尚未形成,產品的改進與革新速度慢,生產與應用系統的創新與改進少。

發展趨勢

(1)國外傳感技術發展的主要趨勢

---強調傳感技術系統的系統性和傳感器、處理與識別的協調發展,突破傳感器同信息處理與識別技術與系統的研究、開發、生產、應用和改進分離的體制,按照信息論與系統論,應用工程的方法,同計算機技術和通訊技術協同發展。

---突出創新。國外傳感技術的發展強調以下幾方面的創新:

利用新的理論、新的效應研究開發工程和科技發展迫切需求的多種新型傳感器和傳感技術系統。

側重傳感器與傳感技術硬件系統與元器件的微小型化。利用集成電路微小型化的經驗,從傳感技術硬件系統的微小型化中提高其可靠性、質量、處理速度和生產率,降低成本,節約資源與能源,減少對環境的污染。這種充分利用已有微細加工技術與裝置的做法已經取得巨大的效益、極大地增強了市場競爭力,例如:80年代進口一套AE傳感器及其住處預處理硬件的成本已被降至原來的百分之幾到千分之幾,使我國經「七五」和「八五」攻關的產品化系統處於無力競爭的地位。後者採用獨創的寬帶高精度AE傳感器和厚膜集成電路預處理硬件,但其成本仍比國外先進的產品高數倍到數十倍。在微小型化中,為世界各國注目的是納米技術。

集成化。進行硬件與軟件兩方面的集成,它包括:傳感器陣列的集成和多功能、多傳感參數的複合傳感器(如:汽車用的油量、酒精檢測和發動機工作性能的複合傳感器);傳感系統硬件的集成,如:信息處理與傳感器的集成,傳感器--處理單元--識別單元的集成等;硬件與軟件的集成;數據集成與融合等。

---研究與開發特殊環境(指高溫、高壓、水下、腐蝕和輻射等環境)下的傳感器與傳感技術系統。這類傳感器及傳感技術系統常常是我國缺少的一類高新傳感技術和產品。

---對一般工業用途、農業和服務業用的量大面廣的傳感技術系統,側重解決提高可靠性、可利用性和大幅度降低成本的問題,以適應工農業與服務業的發展,保證這種低技術產品的市場競爭力和市場份額。

---徹底改變重研究開發輕應用與改進的局面,實行需求驅動的全過程、全壽命研究開發、生產、使用和改進的系統工程。

---智能化。側重傳感信號的處理和識別技術、方法和裝置同自校準、自診斷、自學習、自決策、自適應和自組織等人工智能技術結合,發展支持智能製造、智能機器和智能製造系統發展的智能傳感技術系統。

(2)工況監視技術的現狀與發展趨勢

工況監視主要指對機器裝備故障、系統運行過程與過程質量缺陷、刀具/砂輪和工件的工況的監測與控制。

國外預測工況監視用傳感檢測技術系統的主要發展趨勢:

①提高系統的可靠性和靈敏度;

②側重發展智能傳感技術;

③強調改進和提高力/力矩、功率/電流、振動、聲振(合聲發射與超聲及語音)、溫度、光視及觸針傳感系統,使它們有儘可能高的可靠性、靈敏度和可應用性,以適應21世紀初工業應用的要求;

④強調發展信號處理戰略、程序和識別技術,提高硬/軟件的集成度和系統的識別速度、精度和動態特性(魯棒性等);

⑤發展多傳感器數據集成與融合的研究開發,以提高對缺陷和故障的識別精度、可靠性、降低成本,提高系統可應用性。

(3)國外自動化裝配對傳感技術的研究開發趨勢

①對現有自動化裝配與機械人裝配用的傳感技術的改進與革新。主要針對:力、觸覺、視覺、光學、機械觸針、位置傳感和順應裝置用應力等傳感器與尺寸傳感技術系統,提高其可靠性、通用性。

②開發新型傳感器,如:印刷電路板裝配用的非接觸式溫度傳感器、超聲傳感器等。

③研究開發先進領域用的傳感技術系統,如:微機電器件複雜裝配等為代表的微型裝配(Mic-roassembly)用傳感系統,微型控制用的加速度傳感器、壓電執行器和小型化CCD及其集成等。

④特別要重視聲振傳感技術的研究開發。

⑤開發數據集成、融合與人工智能傳感技術,如:機器手腕/手指用的多感知傳感集成,多個超聲與力傳感器的組合,高精度零件識別與分類、質量檢測與控制用傳感技術系統。

⑥研究開發大型易變形件加工、裝配用傳感技術系統。

⑦改變研究開發戰略,把主要在研究中心(院、所)用的過程高技術傳感技術與系統轉向工業一線過程控制用。

綜上所述,我國的優勢有:①已經形成了研究、生產和應用體系、人材隊伍和部分傳感技術的優勢,是進一步發展的基礎;②有一批先進的成果,如刀具/砂輪監控儀系列成果,石油油井用高溫、高壓傳感檢測系統、高精度熱敏檢測傳感等等;③有一個量大面廣的用戶市場;不足之處有:①研究開發戰略在系統性上的不足,如:傳感器與傳感系統未能統一布置,形成兩套並列,相互脫節的攻關;②對傳統傳感器的革新改進不足,微小型化步子慢,在國內與國際市場上形不成競爭力;③ 加緊特殊環境和工程項目傳感技術的研究開發;④集成化、智能化和納米技術與國外差距大。

十五期間

目標

為了發展先進製造與振興機械工業的要求和國內外發展趨勢的分析,傳感技術攻關的目標是:提高傳統傳感技術等級、可靠性和可應用性水平,增強競爭力;積極創新系統,開發新產品,縮小差距,支持和促進我國先進製造技術的發展,振興製造業。

研究內容

(1)傳統傳感技術與系統的研究開發。側重應用量大、面廣的力/力矩、功率/電流、視覺、聲振、光學、振動、觸針等工業用及農業用的濕度、溫度與元素等傳感系統的現代化,但核心是微小型化,要解決:提高可靠性、可應用性、降低成本,形成國內外市場的競爭優勢,支持我國工業、農業和服務業的發展。

(2)高溫高壓環境下傳感技術系統的研究。側重油井、輸送管線和連續過程用的高壓、高溫和大量程傳感技術系統的研究、開發和應用,縮短差距,形成生產能力,替代進口,爭取出口。

(3)新型傳感器與傳感技術系統的研究。根據生產和科學研究需求發展幾種有制高點意義的新品種,如:微流量與微磁場傳感器、生物與化學傳感分析用微芯片技術等。

(4)智能傳感技術的研究。結合我國汽車、CNC機床和產業的重大裝備更新,有目的研究開發幾種智能傳感技術,使之達到或接近國際先進水平。

(5)過程質量與設備故障監控技術研究。在工業背景支持下,研究開發過程質量缺陷與劣化傾向監控技術系統和過程中設備故障(含潛在故障實時診斷傳感技術系統)。