[科普中国]-传感技术

传感技术同计算机技术与通信一起被称为信息技术的三大支柱。从物联网角度看，传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志，作为第二届杭州物联网暨传感技术应用高峰论坛，推进我国传感器产业化快速发展。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。

简介传感技术就是传感器的技术，可以感知周围环境或者特殊物质，比如气体感知、光线感知、温湿度感知、人体感知等等，把模拟信号转化成数字信号，给中央处理器处理。最终结果形成气体浓度参数、光线强度参数、范围内是否有人探测、温度湿度数据等等，显示出来。

技术概述获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统的构造第一个关键。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的。它包含了众多的技术、被众多的产业广泛采用。它也是现代科学技术发展的基础条件，应该受到足够地重视。

为了提高制造企业的生产率（或降低运行时间）和产品质量、降低产品成本，工业界对传感技术的基本要求，是能可靠地应用于现场，完成规定的功能。1

发展现状无论是国内还是国外，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们。从80年代起才开始重视和投资传感技术的研究开发或列为重点攻关项目，不少先进的成果仍停留在研究实验阶段，转化率比较低。

我国从60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。同时，我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成，产品的改进与革新速度慢，生产与应用系统的创新与改进少。2

发展趋势（1）国外传感技术发展的主要趋势

－－－强调传感技术系统的系统性和传感器、处理与识别的协调发展，突破传感器同信息处理与识别技术与系统的研究、开发、生产、应用和改进分离的体制，按照信息论与系统论，应用工程的方法，同计算机技术和通讯技术协同发展。

－－－突出创新。国外传感技术的发展强调以下几方面的创新：

利用新的理论、新的效应研究开发工程和科技发展迫切需求的多种新型传感器和传感技术系统。

侧重传感器与传感技术硬件系统与元器件的微小型化。利用集成电路微小型化的经验，从传感技术硬件系统的微小型化中提高其可靠性、质量、处理速度和生产率，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。这种充分利用已有微细加工技术与装置的做法已经取得巨大的效益、极大地增强了市场竞争力，例如：80年代进口一套AE传感器及其住处预处理硬件的成本已被降至原来的百分之几到千分之几，使我国经“七五”和“八五”攻关的产品化系统处于无力竞争的地位。后者采用独创的宽带高精度AE传感器和厚膜集成电路预处理硬件，但其成本仍比国外的产品高数倍到数十倍。在微小型化中，为世界各国注目的是纳米技术。

集成化。进行硬件与软件两方面的集成，它包括：传感器阵列的集成和多功能、多传感参数的复合传感器（如：汽车用的油量、酒精检测和发动机工作性能的复合传感器）；传感系统硬件的集成，如：信息处理与传感器的集成，传感器－－处理单元－－识别单元的集成等；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。

－－－研究与开发特殊环境（指高温、高压、水下、腐蚀和辐射等环境）下的传感器与传感技术系统。这类传感器及传感技术系统常常是我国缺少的一类传感技术和产品。

－－－对一般工业用途、农业和服务业用的量大面广的传感技术系统，侧重解决提高可靠性、可利用性和大幅度降低成本的问题，以适应工农业与服务业的发展，保证这种低技术产品的市场竞争力和市场份额。

－－－彻底改变重研究开发轻应用与改进的局面，实行需求驱动的全过程、全寿命研究开发、生产、使用和改进的系统工程。

－－－智能化。侧重传感信号的处理和识别技术、方法和装置同自校准、自诊断、自学习、自决策、自适应和自组织等人工智能技术结合，发展支持智能制造、智能机器和智能制造系统发展的智能传感技术系统。

（2）工况监视技术的现状与发展趋势

工况监视主要指对机器装备故障、系统运行过程与过程质量缺陷、刀具/砂轮和工件的工况的监测与控制。

国外预测工况监视用传感检测技术系统的主要发展趋势：

①提高系统的可靠性和灵敏度；

②侧重发展智能传感技术；

③强调改进和提高力/力矩、功率/电流、振动、声振（合声发射与超声及语音）、温度、光视及触针传感系统，使它们有尽可能高的可靠性、灵敏度和可应用性，以适应21世纪初工业应用的要求；

④强调发展信号处理战略、程序和识别技术，提高硬/软件的集成度和系统的识别速度、精度和动态特性（鲁棒性等）；

⑤发展多传感器数据集成与融合的研究开发，以提高对缺陷和故障的识别精度、可靠性、降低成本，提高系统可应用性。

（3）国外自动化装配对传感技术的研究开发趋势

①对现有自动化装配与机器人装配用的传感技术的改进与革新。主要针对：力、触觉、视觉、光学、机械触针、位置传感和顺应装置用应力等传感器与尺寸传感技术系统，提高其可靠性、通用性。

②开发新型传感器，如：印刷电路板装配用的非接触式温度传感器、超声传感器等。

③研究开发先进领域用的传感技术系统，如：微机电器件复杂装配等为代表的微型装配（Mic-roassembly）用传感系统，微型控制用的加速度传感器、压电执行器和小型化CCD及其集成等。

④特别要重视声振传感技术的研究开发。

⑤开发数据集成、融合与人工智能传感技术，如：机器手腕/手指用的多感知传感集成，多个超声与力传感器的组合，高精度零件识别与分类、质量检测与控制用传感技术系统。

⑥研究开发大型易变形件加工、装配用传感技术系统。

⑦改变研究开发战略，把主要在研究中心（院、所）用的过程高技术传感技术与系统转向工业一线过程控制用。

综上所述，我国的优势有：①已经形成了研究、生产和应用体系、人材队伍和部分传感技术的优势，是进一步发展的基础；②有一批先进的成果，如刀具/砂轮监控仪系列成果，石油油井用高温、高压传感检测系统、高精度热敏检测传感等等；③有一个量大面广的用户市场；不足之处有：①研究开发战略在系统性上的不足，如：传感器与传感系统未能统一布置，形成两套并列，相互脱节的攻关；②对传统传感器的革新改进不足，微小型化步子慢，在国内与国际市场上形不成竞争力；③ 加紧特殊环境和工程项目传感技术的研究开发；④集成化、智能化和纳米技术与国外差距大。3

“十五”期间目标

为了发展先进制造与振兴机械工业的要求和国内外发展趋势的分析，传感技术攻关的目标是：提高传统传感技术等级、可靠性和可应用性水平，增强竞争力；积极创新系统，开发新产品，缩小差距，支持和促进我国先进制造技术的发展，振兴制造业。

研究内容

（1）传统传感技术与系统的研究开发。侧重应用量大、面广的力/力矩、功率/电流、视觉、声振、光学、振动、触针等工业用及农业用的湿度、温度与元素等传感系统的现代化，但核心是微小型化，要解决：提高可靠性、可应用性、降低成本，形成国内外市场的竞争优势，支持我国工业、农业和服务业的发展。

（2）高温高压环境下传感技术系统的研究。侧重油井、输送管线和连续过程用的高压、高温和大量程传感技术系统的研究、开发和应用，缩短差距，形成生产能力，替代进口，争取出口。

（3）新型传感器与传感技术系统的研究。根据生产和科学研究需求发展几种有制高点意义的新品种，如：微流量与微磁场传感器、生物与化学传感分析用微芯片技术等。

（4）智能传感技术的研究。结合我国汽车、CNC机床和产业的重大装备更新，有目的研究开发几种智能传感技术，使之达到或接近国际先进水平。

（5）过程质量与设备故障监控技术研究。在工业背景支持下，研究开发过程质量缺陷与劣化倾向监控技术系统和过程中设备故障（含潜在故障实时诊断传感技术系统）。

应用前景对比传感器技术的发展历史与研究现状可以看出，随着科学技术的迅猛发展以及相关条件的日趋成熟，传感器技术逐渐受到了更多人士的高度重视当今传感器技术的研究与发展，特别是基于光电通信和生物学原理的新型传感器技术的发展，已成为推动国家乃至世界信息化产业进步的重要标志与动力。

由于传感器具有频率响应、阶跃响应等动态特性以及诸如漂移、重复性、精确度、灵敏度、分辨率、线性度等静态特性，所以外界因素的改变与动荡必然会造成传感器自身特性的小稳定，从而给其实际应用造成较大影响这就要求我们针对传感器的工作原理和结构，在小同场合对传感器规定相应的基本要求，以最大程度优化其性能参数与指标，如高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、高精度、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、互换性、低成本\宽测量范围\小尺寸\重量轻和高强度等。

同时，根据对国内外传感器技术的研究现状分析以及对传感器各性能参数的理想化要求，现代传感器技术的发展趋势可以从四个力而分析与概括:一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器;一是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化;四是通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化。4

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学