国内外传感器技术现状与未来发展趋势

《传感器原理与应用》结课论文国内外传感器现状及发展趋势学院：计算机与信息工程学院专业：通信工程班级：13级通信工程学号：姓名：指导教师：袁博学年学期：2016-2017学年第一学期摘要：传感器技术是现代技术的应用具有巨大的发展潜力，通过传感器技术的应用现状，在未来发展中存在的问题和面临的挑战，传感器技术现状与发展趋势。关键字：传感器，现状，发展趋势。正文：一、传感器的定义和组成根据国家标准（GB7665—87），传感器（transduer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。这一定义包含了以下几方面的含意：①传感器是测量装置，能完成检测任务：②它的输出旦是某一被测量，可能是物理量．也可能是化学量、生物量等；②它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的内涵相同或相似。所以近来己逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。但是，在我国还经常有把‘传感器”和“敏感元件”等同使用的情况。当从仪器仪表学科的角度强调是一种感受信号的装置时，称其为。传感器”：而从电子学的角度强调它是一种能感受信号的电子元件时，称其为“敏感元件”。两种不同的提法在大多数情况下并不矛盾。例如热敏电阻，既可以称其为“温度传感器”，也可以称之为“热敏元件”。但在有些情况下则只能概括地用“传感器”一词来称谓。例如，利用压敏元件作为敏感元件，并具有质量块、弹按和阻尼等结构的加速度传感器，很难用“敏感元件％类的词称谓，而只“传感器”则更为贴切。传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。（1）敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体l固接，上半部通过连扦与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接人转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力尸。相通，内部与被测量压力尸相通。当尸变化时．引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。（2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图2—2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。（3）转换电路：上述电路参数接入转换电路．便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单．有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶；有些传感器由敏感元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中的质量块是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器v转换元件不只一个，要经过若干次转换。敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而转换电路为了减小外界的影响，也希望和它们装在一起，但是由于空间的限制或者其他原因，转换电路常装入电箱中。尽管如此，转换电路仍是传感器的重要组成之一；因为不少传感器要通过转换电路之后才能输出电量信号。这里顺便说明一下：一般情况下，转换电路后面的后续电路，如信号放大、处理、显示等电路就不再也不应包括在传感器范围之内了。二、传感器技术的发展现状21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段。其中，光电信息学与生物学的迅猛发展已成为这一时期科学技术发展的重要标志，并最有机会寻求更大的突破与飞跃。传感器技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科，在人类迈向新世纪，步入信息化社会的关键阶段想要寻求空前迅速的发展，很大程度上取决于传感器在这两个前沿领域中的深入研究与广泛应用。在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。在国内，传感器行业发展迅速，传感器市场近些年一直持续增长，势头良好，主要应用于工业制造、汽车产品、电子通讯和专用设备，其中工业制造和汽车产品达到市场份额的三分之一。传感器给我国的迅速发展带来了无限商机，西门子、霍尼韦尔、凯乐、横河等传感器大企业纷纷进入我国市场，这为我国工业设备制造商和汽车制造业等传感器最终消费者带来了很大便利，但也对国内传感器行业施加了很大压力。国内传感器产品存在的主要问题是：品种少，质量较差；制造工艺技术相对落后；生产企业不掌握先进的核心制造技术；高性能传感器的科研成果转化率较低。我国传感器产品的品种繁多，主要产品有：温度传感器、压力传感器、重量传感器、流量传感器、液位传感器、氧敏传感器、力敏传感器、气敏传感器、分析仪表……等，用于工业生产的还有：开关类的接近/定位传感器安全门开关等安全传感器、旋转编码器、视觉传感器、速度传感器、加速度传感器等，所以发展传感器的品种领域很宽广。中国传感器的市场近几年一直持续增长，一般增长速度超过25%，由于改革开放，我国巨大的市场，引来了各国厂商，如西门子、横河、霍尼威尔、欧姆龙、邦纳等公司，这为最终用户和工业设备制造商带来了很大的便利，而国内传感器和检测仪表生产虽有发展，但这远不能跟上形势的需求。各国传感器生产和研发的规模在不断扩大，随着微电子技术的发展，传感器技术发展很快，我国研发的力量尚需大量投入，特别要加强具存自主知识产权的传感器的创新开发。科研成果的转化及传感器生产产业化问题，在我国更是迫在眉睫的问题，在批量生产情况下，控制传感器产品性能（主要是稳定性、可靠性），使之合格率达到商业化产业要求，就需要有先进的制造工艺和自动化水平很高的工艺设备，因此应在开发专用工艺设备上下功夫，解决传感器生产产业化的“瓶颈”问题。在传感器的应用上，特别是新型传感器的应用上，还得大力推广，改革开放创造了市场经济条件，各种工业设备应用了先进的传感器，这扩大了传感器市场，也使我国新型传感器生产产业化有了动力。人类自21世纪开始全面步入信息时代，从一定意义上讲，也就是进入了传感器时代。当前备受国际关注的物联网产业，对于传感器技术的依赖程度尤为突出。由此可见，作为国际竞争战略的重要标志性产业，传感器以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国的关注。传感器产业发展不仅为物联网提供支撑，还将在传统产业转移与技术升级，以及在当前经济结构调整和转型中发挥积极影响和作用。与此同时，物联网产业的发展也为传感器技术提升和产业发展拓展了巨大市场空间。三、国外传感器技术发展趋势传感器技术本身变革的3个方向：微型化、智能化和可移动性。在传感器技术与制造工艺上，美、德、日等工业发达国家的着名制造公司处于国际市场的领先地位。从国际整体发展状况来看，传感器技术主要有以下几方面发展趋势：传感器技术本身变革的3个方向：微型化、智能化和可移动性。无线网络化技术应用。适应野外恶劣的自然环境与条件，能保持精度高、寿命长、高可靠和长期稳定性好，能防窃取、信息安全、保密性等级高等功能于一体的无线网络化技术。运用新原理、新结构、新材料，以实现微功耗、低成本、高可靠性等参数指标的提升。如薄膜技术、光纤、纳米技术、人工假鼻、皮肤、人工手腕、髋关节等技术，动态模拟与动画、高倍与远程数据采集与仿真技术，为野外特殊环境下传感器配备和提供的微能量获取与收集技术。研发更高技术和创新类产品，并重视产业化技术。如地震、飓风等自然灾害预报与监测类传感器产品。拓展市场应用领域。如自然环境与生活基础设施类产品开发与工艺技术研究、复杂状况的各种产品结构设计。例如：跟踪沙漠、森林、海洋、大气等条件变化，以及桥梁、道路和建筑等各种无线网络传感器。从国外的传感器产业化技术成熟角度来看，呈现出以下主要发展特征：重视基础技术、基础工艺和共性关键技术的研究，保证基础技术与基础工艺处于世界领先地位。重视制造工艺技术与装备研究与应用。配置优良的工艺装备和检测仪器，特别是智能化工艺设备确保了工艺装备的先进性。重视新产品和自主知识产权产品的开发，增强核心竞争力。瞄准全球传感器技术和市场的发展潮流和战略前沿，确定研究课题和产品开发方向。重视传感器的可靠性设计、控制与管理，严格设计符合性控制和工艺可靠性控制，有效地提高产品生产成品率。重视市场竞争，加强市场调查与分析，快速响应市场。注重市场竞争中的个性化服务特色，响应及时，品质优良，性价比高。重视产品技术标准，熟悉系统信息采集过程中上下游接口连接的各项标准的完整性、统一性、协调性。正因为如此，国外传感器产品品种繁多，规格齐全，集成化与模块化结构性能强，产品内在与外观质量并重。不论外形结构类型千变万化，产品品质、产业化规模技术水平始终较高，市场配套与服务能力较强，不断把新技术运用和市场竞争推向新的高度，使同类产品不仅具有在灵敏度、精度、稳定性和可靠性等指标上的竞争，在新材料应用、生产制造工艺与产业化技术水平上，也同样形成了明显的竞争优势。四、国内技术发展趋势与特点国内目前技术发展与创新的重点在材料、结构和性能改进3个方面。长期以来，国内企业过于分散，产业集中度不高，生产工艺装备相对落后，缺乏新技术运用创新的基础和动力，均以仿造及二次开发为主，特别在敏感元件核心技术及生产工艺方面与国外差距较大，导致产业化水平不能适应市场快速变化和急剧增长的需求，国际竞争力不强，制约和影响了我国传感行业的正常发展。国内目前技术发展与创新的重点在材料、结构和性能改进3个方面：敏感材料从液态向半固态、固态方向发展；结构向小型化、集成化、模块化、智能化方向发展；性能向检测量程宽、检测精度高、抗干扰能力强、性能稳定、寿命长久方向发展。随着物联网技术推进，对传感器技术提出了新的要求，产品正在向MEMS工艺技术，无线数据传输网络技术，新材料、纳米、薄膜(含SOI)、陶瓷技术，光纤技术；激光技术，复合传感器技术，多学科交叉的融合技术方向发展。推进产业发展策略与建议强化政府统筹、协调和政策扶持作用，改变各个部门齐抓共管的多头管理方式。加强行业整体协调和统一管理是当务之急。强化政府统筹、协调和政策扶持作用，改变各个部门齐抓共管的多头管理方式，组织制定行业发展整体战略规划，明确行业发展的指导思想和相应措施。具体推进建议如下：由国家设立专项资金或专项基金，作为产业化扶持和引导资金，并组织专家制定项目指南，明确重点扶持的产品工艺和技术。制定科技成果转化引导性政策，给予相应的税收减免补贴，宣传和普及知识产权相关政策和法规，保护产权人的根本利益，减少侵权行为和违法现象。组织有关人员制定、规范行业技术标准，减少多品种小批量等杂乱现象，为产业化发展创造良好的基础。加大扶持行业内生产型的龙头企业，形成产业化示范带动作用。并建立多个产业化示范基地和地区，以地区产品品种特色形成产业龙头和行业品牌，鼓励组建以地区、产品为主要纽带的产业集团，运用市场化手段进行企业整合，改善行业分散状况。制定人才培养规划措施，包括大学院所培养高端人才；大学建立传感器专业，开设相关工艺基础课程；制定相应的配套政策，营造人才环境与氛围，引导国外高端人才和国内人才积极创业发展。组建多资源融合、优势互补的产业联盟组织，为企业提供技术与人才信息服务、国际市场推广、技术引进与指导、行业标准审查与修订，协助企业建立和规范“传感器技术研究中心”等相关服务。集中国内外各传感器企业、大专院校、科研院所的专业人才，建立以大型企业为主体、自主创新为主导的“传感器国家工程实验室”，推动建立以引进、消化、吸收为主的“技术研究中心”和以生产为主体的“产业化基地”中国传感器行业发展总体规模逐渐扩大，显着应用于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