測(cè)控技術(shù)中傳感器的發(fā)展及應(yīng)用

吳大懷?高鵬?李東東

摘 要：測(cè)控技術(shù)即測(cè)試和控制技術(shù)，它是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一部分，主要研究各種物理量的測(cè)量原理和測(cè)量信號(hào)分析處理方法。一般說來(lái)，測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。而測(cè)試技術(shù)的發(fā)展很大一部分是依賴傳感器的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：傳感器；發(fā)展；種類；應(yīng)用

1.傳感器

傳感器將被測(cè)物理量（如噪聲，溫度）檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對(duì)接收到的電信號(hào)用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)A/D變換后用軟件進(jìn)行信號(hào)分析，顯示記錄裝置則測(cè)量結(jié)果顯示出來(lái)，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。

2.傳感器的發(fā)展

傳感器技術(shù)是在20 世紀(jì)的中期才剛剛問世的。在國(guó)外，傳感器技術(shù)是在各國(guó)不斷發(fā)展與提高的工業(yè)化浪潮下誕生的，早期多用于國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的科研研發(fā)以及各國(guó)軍事技術(shù)、航空航天領(lǐng)域的試驗(yàn)研究。近代，隨著各國(guó)機(jī)械工業(yè)、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等相關(guān)信息化產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，以日本和歐美等西方國(guó)家為代表的傳感器研發(fā)及其相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已在國(guó)際市場(chǎng)中逐步占有了重要的份額。

我國(guó)從上世紀(jì)中期開始傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，已經(jīng)初步形成了傳感器研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的體系，并在數(shù)控機(jī)床攻關(guān)中取得了一批可喜的、為世界矚目的發(fā)明專利與工況監(jiān)控系統(tǒng)或儀器的成果。但從總體上講，它還不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與科技的迅速發(fā)展，我國(guó)不少傳感器、信號(hào)處理和識(shí)別系統(tǒng)仍然依賴進(jìn)口。同時(shí)，我國(guó)傳感技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)尚未形成，產(chǎn)品的改進(jìn)與革新速度慢，生產(chǎn)與應(yīng)用系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)少。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及相關(guān)條件的日趨成熟，利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開發(fā)出的新型傳感器會(huì)層出不窮的而出現(xiàn)。當(dāng)今傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展，特別是基于光電通信和生物學(xué)原理的新型傳感器技術(shù)的發(fā)展，已成為推動(dòng)國(guó)家乃至世界信息化產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要標(biāo)志與動(dòng)力。

3.傳感器的種類及應(yīng)用

3.1 光纖傳感器

上世紀(jì)70 年代中期，人們開始意識(shí)到光纖不僅具有傳光的特性，而且本身就可以構(gòu)成一種新的直接交換信息的元件。光纖能把待測(cè)的量與它的各種參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，從而將被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)，以光信號(hào)的形式傳出。另外，光纖不僅是一種敏感元件，而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線。光纖傳感器具有傳統(tǒng)傳感器所不可比的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾、防爆防燃、易于遠(yuǎn)距離遙測(cè)、保密性好、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高等。從光纖傳感器問世至今，已有了上百個(gè)品種，在許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。例如，光纖流速傳感器以其高的靈敏度、耐高壓耐腐蝕、頻帶寬等特點(diǎn)，逐步取代傳統(tǒng)的傳感原理及測(cè)試方法。

光纖傳感器按其傳感原理可分為兩大類：一類是傳光型傳感器，另一類是傳感型傳感器。在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對(duì)外界信息的“感覺”是依靠其它的功能元件來(lái)完成的。傳光型傳感器中的光纖是不連續(xù)的，中間有敏感元件；傳感型光纖傳感器是利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖作為敏感元件，把“傳”和“感”合為一體的傳感器。在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，而且起調(diào)制器的作用。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的，目前在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的主要是傳光型光纖傳感器。傳感型傳感器主要又分為：強(qiáng)度調(diào)制型傳感器和相位調(diào)制型傳感器。

3.2 生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。

按照其感受器中所采用的生命物質(zhì)分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅?、DNA傳感器等。

按照傳感器器件檢測(cè)的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、聲波道生物傳感器、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器等。

按照生物敏感物質(zhì)相互作用的類型分類，可分為親和型和代謝型兩種。

3.3 集成化多功能傳感器

集成化是指?jìng)鞲衅魍还δ艿亩嘣⒘幸约肮δ苌系囊惑w化。前一種集成化使傳感器的檢測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)、線、面、體”多維圖像化，甚至能加上時(shí)序控制等軟件，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)；后一種集成化使傳感器由單一的信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，擴(kuò)展為兼有放大、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)榷喙δ艿膫鞲衅?。在?shí)際運(yùn)用中，常做到硬件與軟件兩方面的集成，它包括：傳感器陣列的集成、多功能和多傳感參數(shù)的復(fù)合傳感器；傳感系統(tǒng)硬件的集成；硬件與軟件的集成；數(shù)據(jù)集成與融合等。

而多功能是指“一器多能”，即一個(gè)傳感器可以檢測(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的參數(shù)。這樣可大大節(jié)省工程成本，并使項(xiàng)目復(fù)雜度降低，提高了工作效率。

運(yùn)用集成化多功能理論研制出的傳感器可以應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，并發(fā)揮出更加強(qiáng)大的功能效用。利用集成化多功能原理，現(xiàn)代傳感技術(shù)已制成帶溫度補(bǔ)償?shù)募蓧毫鞲衅鳎l率輸出型集成壓力傳感器，霍爾集成傳感器，半導(dǎo)體集成色敏傳感器，多維化集成氣敏傳感器等。

4.結(jié)語(yǔ)

測(cè)控技術(shù)的發(fā)展方興未艾?？梢灶A(yù)見，測(cè)控技術(shù)必將隨著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而逐步完善和成熟，各種功能的測(cè)控系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)廣泛地使用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，測(cè)控技術(shù)的新發(fā)展將會(huì)給經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)注入新的活力。