【正文】 展的關(guān)鍵。傳感技術(shù)已成為制約測(cè)量控制儀器儀表發(fā)展的瓶頸。如果高等級(jí)、高檔次的儀器儀表不能自立，中國(guó)就不能成為科技大國(guó)，就不能成為創(chuàng)新型國(guó)家。經(jīng)濟(jì)全球化的結(jié)果，很有可能會(huì)造成一些國(guó)家是頭腦國(guó)家產(chǎn)生并輸出知識(shí)，另外一些國(guó)家是軀干國(guó)家只引進(jìn)和應(yīng)用知識(shí)。在我國(guó)，國(guó)家主體科技計(jì)劃對(duì)這方面研究項(xiàng)目的支持幾乎為零?！　《强茖W(xué)方法研究與應(yīng)用不夠。微分析儀器及其關(guān)鍵技術(shù)的研究方向包括： 　　(1)開(kāi)展高靈敏度、高分辨率、高性能水平的微結(jié)構(gòu)型傳感器研究，將生物芯片技術(shù)、新型化學(xué)傳感器技術(shù)、多組分(多參數(shù))集成傳感器技術(shù)應(yīng)用于分析儀器的研制和開(kāi)發(fā)。主要包括符合現(xiàn)場(chǎng)要求的各類傳感器及檢測(cè)儀表，實(shí)時(shí)流程分析儀器及在線分析技術(shù)，新型現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，e網(wǎng)控制系統(tǒng)，以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制為基礎(chǔ)的開(kāi)放式控制系統(tǒng)及先進(jìn)控制技術(shù)，特種測(cè)控裝備和測(cè)控技術(shù)，系統(tǒng)成套集成技術(shù)等。 四、儀器科學(xué)的發(fā)展方向從儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域個(gè)組成部分相互關(guān)系、共性問(wèn)題以及我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)、社會(huì)發(fā)展全局進(jìn)行戰(zhàn)略研究，建議學(xué)科領(lǐng)域科技研究方向?yàn)椋?新型傳感器及信息獲取技術(shù)；2與國(guó)家重點(diǎn)工程相配套的過(guò)程控制系統(tǒng)和測(cè)控裝備及其系統(tǒng)集成技術(shù)；3精確制造中的測(cè)量控制技術(shù)及儀器儀表；4微分析儀器及其關(guān)鍵技術(shù)；5數(shù)字化醫(yī)療儀器及其關(guān)鍵技術(shù)；6基于量子物理的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。在工程應(yīng)用技術(shù)方面，已經(jīng)能夠承擔(dān)一部分國(guó)家重大工程儀器儀表系統(tǒng)成套。目前，我國(guó)儀器儀表與測(cè)量控制產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成門(mén)類品種比較齊全、布局比較合理、具有相當(dāng)技術(shù)基礎(chǔ)和生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)體系，在亞洲我國(guó)是除日本以外第二大儀器儀表生產(chǎn)國(guó)，是發(fā)展中國(guó)家綜合實(shí)力最強(qiáng)的儀器儀表生產(chǎn)國(guó)。 各類專用儀器應(yīng)用于各種專門(mén)的領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、環(huán)保、氣象、水文、地質(zhì)、海洋等，這類儀器除了應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求具備某些特殊性外，它們的基本原理和應(yīng)用方法跟科學(xué)儀器等其他類儀器并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別；178。儀器儀表在代表我們國(guó)家命脈的重化工業(yè)、大能源工業(yè)中發(fā)揮的作用，不但是正常運(yùn)行的保障，而且是最后的安全屏障，因?yàn)槿魏伟踩[患的異常反應(yīng)都首先出現(xiàn)在儀器儀表上。發(fā)展科學(xué)儀器已成為國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略。科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，首先要靠?jī)x器儀表去認(rèn)識(shí)世界。著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森明確指出： “信息技術(shù)包括測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。信息科學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)一起構(gòu)成了當(dāng)代三種前沿科學(xué)，信息技術(shù)是當(dāng)代世界范圍內(nèi)新技術(shù)革命的核心。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，一般都把信息當(dāng)作社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，把信息產(chǎn)業(yè)作為所有產(chǎn)業(yè)核心的新興產(chǎn)業(yè)群，稱為第四產(chǎn)業(yè)?！眱x器科學(xué)與技術(shù)是對(duì)客觀事物提供檢測(cè)、計(jì)量、監(jiān)測(cè)和控制的重要手段，是人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界和社會(huì)法制化提供物質(zhì)技術(shù)保障的一門(mén)知識(shí)密集、技術(shù)密集的綜合性學(xué)科。從設(shè)立諾貝爾獎(jiǎng)百年以來(lái)，在物理和化學(xué)獎(jiǎng)中有大約四分之一是屬于測(cè)試方法和儀器的創(chuàng)新成就?，F(xiàn)代儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)是集成化，儀器中的信息處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示等都與信息技術(shù)相同。178。各類儀器的基礎(chǔ)理論和技術(shù)，構(gòu)成了儀器儀表與測(cè)量控制學(xué)科體系的基本內(nèi)容，它們的產(chǎn)業(yè)成為儀器儀表與測(cè)量控制產(chǎn)業(yè)體系的重要組成，而它們的發(fā)展決定著儀器儀表與測(cè)量控制的未來(lái)。比如電工儀器儀表在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到95%，并有13%產(chǎn)品出口。4．存在的問(wèn)題在先進(jìn)裝備制造領(lǐng)域，測(cè)試裝備的投入占1/3在高端裝備制造領(lǐng)域，測(cè)試裝備的投入占1/2在尖端和高可靠性裝備領(lǐng)域，測(cè)試裝備的投入大于1/2我國(guó)高端儀器現(xiàn)狀高端科學(xué)儀器95%以上靠進(jìn)口大型超精密儀器95%以上靠進(jìn)口國(guó)防專用精密儀器：國(guó)外技術(shù)封鎖涉及戰(zhàn)略高技術(shù)的高端儀器： 國(guó)外技術(shù)封鎖因缺乏標(biāo)準(zhǔn)裝置，大部分工程參量的量值溯源和傳遞能力至今沒(méi)有形成工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高新技術(shù)儀器儀表產(chǎn)品品種約占總品種的75%，而國(guó)內(nèi)還不到20%。信息獲取、傳感技術(shù)是儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)技術(shù)；新型傳感器是發(fā)展高水平測(cè)量控制儀器儀表的基礎(chǔ)。智能控制技術(shù)可以說(shuō)是測(cè)控系統(tǒng)中最重要和最關(guān)鍵的軟件資源。 　　(4)不同類別分析器聯(lián)用技術(shù)的研究。“十五”期間，國(guó)家主體科技計(jì)劃用于“科學(xué)儀器設(shè)備研制與開(kāi)發(fā)”，僅占三大科技計(jì)劃經(jīng)費(fèi)的千分之二和科學(xué)儀器購(gòu)置經(jīng)費(fèi)的1%；科學(xué)儀器水平與發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯差距，高檔科學(xué)儀器基本處于空白，中檔科學(xué)儀器、國(guó)產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定性和重現(xiàn)性不高，軟件配套性較差，占有率??；科學(xué)研究“空芯化”現(xiàn)象嚴(yán)重，每年科學(xué)儀器固定資產(chǎn)投資中的60%用于進(jìn)口設(shè)備，其中，精密儀器、生命科學(xué)儀器、大型科學(xué)儀器等高技術(shù)含量的產(chǎn)品更是90%以上依靠進(jìn)口。科研院所對(duì)科研人員研究能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不全面，過(guò)分重視SCI，而忽視一些基礎(chǔ)性或方法上的重要問(wèn)題。以發(fā)電設(shè)備為例，如果電機(jī)、鍋爐和汽輪機(jī)是國(guó)內(nèi)的，而測(cè)控設(shè)備是國(guó)外的，那么企業(yè)就不知道用什么參數(shù)控制主設(shè)備的運(yùn)行，人家賣給企業(yè)的這個(gè)軟件等于“黑軟件”。我國(guó)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的總體目標(biāo)是：至2020年，必須充分利用我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和巨大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合測(cè)控技術(shù)的深化研究，大力推進(jìn)新技術(shù)、新工藝在儀器儀表中的應(yīng)用研究，掌握各類儀器儀表的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等關(guān)鍵技術(shù)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民健康和國(guó)防安全在生產(chǎn)、科研、應(yīng)用各個(gè)方面對(duì)測(cè)量控制與儀器儀表的需求，減少進(jìn)口，擴(kuò)大出口，使我國(guó)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域科技和產(chǎn)業(yè)總體水平與國(guó)際水平差距普遍縮短到3~5年；工業(yè)自動(dòng)化儀表和控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、醫(yī)療儀器、電測(cè)和計(jì)量?jī)x器、各類專用儀器儀表、相關(guān)傳感器和元器件及材料等領(lǐng)域約30%的產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際同期先進(jìn)水平，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的儀器儀表在大工程的配套能力達(dá)到80%以上。 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高新技術(shù)儀器儀表產(chǎn)品品種約占總品種的75%，而國(guó)內(nèi)還不到20%。而有關(guān)石化、冶金、電力、制藥行業(yè)中自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的先進(jìn)控制軟件價(jià)格就超過(guò)系統(tǒng)硬件價(jià)格。含義：1) 傳感器是某種測(cè)量裝置或測(cè)量裝置的一部分，能完成部分檢測(cè)任務(wù)2) 它的輸入量是某一被測(cè)量3) 輸出是某種物理量，這種量要便于轉(zhuǎn)換、處理等，可以是氣、光電等，主要是電參量4) 輸出輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且有一定的精度2. 組成及部分的作用二、 傳感器的分類1. 按工作原辦理分類1) 物理型：是利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料特殊物理性能制成的傳感器。味覺(jué)(酸甜苦辣)、嗅覺(jué)(氣味)c) 物理量：度量物質(zhì)的屬性或描述物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所用的各種量值位移、速度、加速度、溫度、濕度、壓力、濃度、黏度等基本量：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、發(fā)光強(qiáng)度、物質(zhì)的量3. 其他分類方式a) 按能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型b) 按用途c) 按輸出類型三、 新型傳感器的概念所謂新型傳感器是指最近幾十幾年內(nèi)研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的、已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没膫鞲衅?。智能家居、建筑安全、智能交?) 新材料、新功能的開(kāi)發(fā)：傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，多數(shù)傳感器是利用某些材料的特殊功能達(dá)到測(cè)量的目的。 (光效應(yīng)、磁效應(yīng)、力效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等)1） 光效應(yīng)(光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)等光電效應(yīng)，克爾效應(yīng)、光彈效應(yīng)等電光效應(yīng)，光的多普勒效應(yīng))a) 光電導(dǎo)效應(yīng)b) 光伏效應(yīng)c) 科頓效應(yīng)2） 磁效應(yīng)(法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)等磁光效應(yīng)，霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等磁電效應(yīng)，磁致伸縮、威德曼效應(yīng)等壓磁效應(yīng)，約瑟夫效應(yīng)，核磁共振等)a) 法拉第效應(yīng)b) 霍爾效應(yīng)3） 力效應(yīng)(壓電效應(yīng)、磁致伸縮、電致伸縮、壓阻效應(yīng)等)4） 化學(xué)效應(yīng)(表面吸附效應(yīng)、可頓效應(yīng)、飽和效應(yīng)、電泳效應(yīng)、彼德效應(yīng)等)5） 多普勒效應(yīng)二、 新型敏感材料1） 半導(dǎo)體敏材料2） 光導(dǎo)纖維3） 高分子材料4） 石英材料三、 新加工工藝1） 薄膜加工工藝2） 光學(xué)曝光微加工工藝3） 激光微細(xì)加工4） 光纖制造技術(shù)自然規(guī)律與傳感器傳感器之所以能正確傳遞信息、具有信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，是因?yàn)樗昧俗匀灰?guī)律中的各種定律、法則和效應(yīng)。測(cè)量時(shí)，正對(duì)流體的小口2處形成一個(gè)停滯點(diǎn)，故其流速為零，壓力為P2(全壓)，而側(cè)口1由于與流體流動(dòng)方向平行，由此該處的流速為待測(cè)流速，壓力為P1(靜壓)。利用靜電場(chǎng)有關(guān)定律構(gòu)成的傳感器有電容式傳感器。由統(tǒng)計(jì)物理可知，電子熱運(yùn)動(dòng)的漲落，在電阻R的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電位波動(dòng)。這些傳感器的主要性能在很大程度上受相應(yīng)的物理常數(shù)所決定，也即與物質(zhì)的材料密切相關(guān)。從本質(zhì)上說(shuō)，信息是反映現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)、發(fā)展和變化狀態(tài)及規(guī)律的信號(hào)與消息。如自然信息可轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言、文字和圖像等形態(tài)，也可轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)或計(jì)算機(jī)代碼[4] 可存儲(chǔ)。信息的傳遞是與物質(zhì)和能量的傳遞同時(shí)進(jìn)行的。人們常常用盡可能少的信息量描述一件事物的主要特征。我們說(shuō)話、寫(xiě)文章、做事情，就是在進(jìn)行傳播；我們聽(tīng)別人講話，看別人寫(xiě)的文章，了解別人所從事的工作，就是在接受傳播。因?yàn)樾畔⒌慕涣魇谷祟惪梢哉莆崭嗟慕?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，從而向前發(fā)展。這次信息革命依次為：語(yǔ)言的誕生、文字的誕生、印刷術(shù)的誕生、利用電磁波和計(jì)算機(jī)技術(shù)。216。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式是多種多樣的，對(duì)于每一個(gè)具體的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式存在相應(yīng)的能量形式，例如：與宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是動(dòng)能；與分子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是熱能；與原子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是化學(xué)能；與帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是電能；與光子運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量形式是光能；等等。但信息本身并非能量，或與能量沒(méi)有直接的關(guān)系，又非物質(zhì)形態(tài)。究其原因，是因?yàn)榻⑽镔|(zhì)的或能量的某種能運(yùn)載信息的規(guī)則狀態(tài)，如用圖表，數(shù)字，字母或符號(hào)建立數(shù)據(jù)，必須消耗功。因此，在測(cè)量系統(tǒng)中，信息傳遞的負(fù)熵原理的基本內(nèi)容為：測(cè)量信息的運(yùn)載者是能量，為了將信息送入傳感器的輸入端并作傳送，就必須作功，即注入足夠的負(fù)熵，如果被測(cè)對(duì)象完全不能供給能量，那么被測(cè)量信息的傳遞過(guò)程就不可能實(shí)現(xiàn)。因此，應(yīng)用參數(shù)式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，攜帶信息的能量流和信息的傳遞方向仍然是一致的。在拾取信息—測(cè)量過(guò)程中，傳感器與被測(cè)對(duì)象間的能量關(guān)系有如下兩種情況：(1)當(dāng)被測(cè)對(duì)象的物理狀態(tài)與某種形式的能量有關(guān)時(shí)，從被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)所獲得的信息中，便可確定傳感器得到的能量與信息的相互關(guān)系。對(duì)于傳感器傳遞信息而言，辛普森采用信息轉(zhuǎn)換效率作為傳感器之間的比較標(biāo)準(zhǔn)。而示強(qiáng)變量(或稱作用變量)是表示在某種場(chǎng)合下作用程度的量，如力、壓力、溫度、電壓等都屬于示強(qiáng)變量。由上述可知，傳感器輸出的能量(電能)無(wú)論是從被測(cè)對(duì)象索取的還是由外加電源供給的，傳感器總能將一種非電能量轉(zhuǎn)換成電能量輸出，進(jìn)行能量變換。這些元件的功能分別為：敏感元件：直接感受被測(cè)量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量(包括電學(xué)量)。但不少傳感器需通過(guò)轉(zhuǎn)換電路才能輸出便于測(cè)量的電量，而轉(zhuǎn)換電路的類型又與不同工作原理的傳感器有關(guān)。其輸入是被測(cè)非電量，輸出是電壓或電流。其典型例子有聲表面波傳感器、變壓器式位移傳感器、感應(yīng)同步器、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電化學(xué)電解電池傳感器等。這種二級(jí)或二級(jí)以上的變換增加了傳感器設(shè)計(jì)的自由度，因而可設(shè)計(jì)出測(cè)量各種非電參數(shù)，適應(yīng)各種條件的傳感器。因此參比補(bǔ)償型傳感韶有利于提高測(cè)量精度。反饋型傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如高精度微差壓的測(cè)量、高流速的測(cè)量等。接觸型與下述非接觸型相比，其優(yōu)點(diǎn)是：(1)可將傳感器與被測(cè)對(duì)象視為一體，因此不易受到環(huán)境變動(dòng)的影響，易獲得較準(zhǔn)確的被測(cè)量；(2)傳感器的標(biāo)定方法和裝置與具體被測(cè)對(duì)象無(wú)關(guān)，因此適用于各種場(chǎng)合的被測(cè)對(duì)象，不需現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。因此傳感器對(duì)原有流體的狀態(tài)將不可避免地會(huì)產(chǎn)生影響。在這些變量中，如果把x1作為被測(cè)信號(hào)，y1作為與x1對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，則y1=f1x1,x2,?,xn,u1,u2,?,ur為了得到輸入x1與輸出y1一一對(duì)應(yīng)，必須使x1以外的變量(稱干擾量)固定不變，或即使有變化，對(duì)y1也不產(chǎn)生影響或影響很小可以忽略。又如位移式傳感器，其測(cè)量和傳遞位移部分的結(jié)構(gòu)應(yīng)堅(jiān)固，不允許有變形和撓曲。當(dāng)被測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)在同一頻率范圍內(nèi)時(shí)，可先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將其移到別的頻率范圍內(nèi)，然后用濾波方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇。圖153所示為同步迭加平均法原理，在t軸上按被測(cè)信號(hào)的周期分段Tl，T2，…，并以相同起始點(diǎn)進(jìn)行N次相加，即將被測(cè)信號(hào)放大N倍，而干擾信號(hào)因其隨機(jī)性只被放大N倍，因此信噪比提高了N倍，使埋入不規(guī)則干擾中的信號(hào)極易檢測(cè)，但其裝置比同步檢波法復(fù)雜。智能傳感器是傳感器技術(shù)的發(fā)展方向。三、 智能傳感器應(yīng)具備的功能智能傳感器在具有常規(guī)傳感器的所有功能的基礎(chǔ)上，通常還應(yīng)具有以下主要功能是：(1)具有自校零、自標(biāo)定、自校正功能；(2)具有自動(dòng)補(bǔ)償功能；(3)能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(4)能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障；(5)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能；(6)具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者信號(hào)輸出功能；(7)具有判斷、決策處理功能。五、 智能傳感器的特點(diǎn)與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器的特點(diǎn)是：1．精度高智能傳感器有多項(xiàng)功能來(lái)保證它的高精度。2 智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法一、 非線性自校正二、 自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)三、 噪聲抑制技術(shù)四、 自補(bǔ)償五、 多傳感器信息融合六、 自選量程與增益調(diào)整七、 智能傳感器的自檢八、 自診斷42