測控技術中傳感器的發展及應用

吳大懷?高鵬?李東東

摘 要：測控技術即測試和控制技術，它是實驗科學的一部分，主要研究各種物理量的測量原理和測量信號分析處理方法。一般說來，測試系統由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。而測試技術的發展很大一部分是依賴傳感器的發展。

關鍵詞：傳感器；發展；種類；應用

1.傳感器

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

2.傳感器的發展

傳感器技術是在20 世紀的中期才剛剛問世的。在國外，傳感器技術是在各國不斷發展與提高的工業化浪潮下誕生的，早期多用于國家級項目的科研研發以及各國軍事技術、航空航天領域的試驗研究。近代，隨著各國機械工業、電子、計算機、自動化等相關信息化產業的迅猛發展，以日本和歐美等西方國家為代表的傳感器研發及其相關技術產業的發展已在國際市場中逐步占有了重要的份額。

我國從上世紀中期開始傳感技術的研究與開發，已經初步形成了傳感器研究、開發、生產和應用的體系，并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。

隨著科學技術的迅猛發展以及相關條件的日趨成熟，利用新發現的材料和新發現的生物、物理、化學效應開發出的新型傳感器會層出不窮的而出現。當今傳感器技術的研究與發展，特別是基于光電通信和生物學原理的新型傳感器技術的發展，已成為推動國家乃至世界信息化產業進步的重要標志與動力。

3.傳感器的種類及應用

3.1 光纖傳感器

上世紀70 年代中期，人們開始意識到光纖不僅具有傳光的特性，而且本身就可以構成一種新的直接交換信息的元件。光纖能把待測的量與它的各種參數聯系起來，從而將被測信號的狀態，以光信號的形式傳出。另外，光纖不僅是一種敏感元件，而且是一種優良的低損耗傳輸線。光纖傳感器具有傳統傳感器所不可比的優點：靈敏度高、動態范圍大、響應速度快、不受電磁干擾、防爆防燃、易于遠距離遙測、保密性好、重量輕、機械強度高等。從光纖傳感器問世至今，已有了上百個品種，在許多領域獲得了廣泛應用。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，逐步取代傳統的傳感原理及測試方法。

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，對外界信息的“感覺”是依靠其它的功能元件來完成的。傳光型傳感器中的光纖是不連續的，中間有敏感元件；傳感型光纖傳感器是利用對外界信息具有敏感能力和檢測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，而且起調制器的作用。因此，傳感器中光纖是連續的，目前在醫學上應用的主要是傳光型光纖傳感器。傳感型傳感器主要又分為：強度調制型傳感器和相位調制型傳感器。

3.2 生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。

按照其感受器中所采用的生命物質分類，可分為：微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細胞傳感器、酶傳感器、DNA傳感器等。

按照傳感器器件檢測的原理分類，可分為：熱敏生物傳感器、場效應管生物傳感器、壓電生物傳感器、光學生物傳感器、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

集成化是指傳感器同一功能的多元件并列以及功能上的一體化。前一種集成化使傳感器的檢測參數實現“點、線、面、體”多維圖像化，甚至能加上時序控制等軟件，變單參數檢測為多參數檢測；后一種集成化使傳感器由單一的信號轉換功能，擴展為兼有放大、運算、補償等多功能的傳感器。在實際運用中，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的復合傳感器；傳感系統硬件的集成；硬件與軟件的集成；數據集成與融合等。

而多功能是指“一器多能”，即一個傳感器可以檢測兩個或兩個以上的參數。這樣可大大節省工程成本，并使項目復雜度降低，提高了工作效率。

運用集成化多功能理論研制出的傳感器可以應用到更廣泛的領域，并發揮出更加強大的功能效用。利用集成化多功能原理，現代傳感技術已制成帶溫度補償的集成壓力傳感器，頻率輸出型集成壓力傳感器，霍爾集成傳感器，半導體集成色敏傳感器，多維化集成氣敏傳感器等。

4.結語

測控技術的發展方興未艾。可以預見，測控技術必將隨著我國相關技術的發展而逐步完善和成熟，各種功能的測控系統在不遠的將來會廣泛地使用在社會的各個領域，測控技術的新發展將會給經濟建設和國防建設注入新的活力。