卞正崗（1936－）
男，教授級高級工程師，中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )，1961年清華大學(xué)電機系畢業(yè)，早年從事電機及微型電機研究，后多年從事工業(yè)自動(dòng)化儀表、集散系統和現場(chǎng)總線(xiàn)的研制和自動(dòng)化系統集成的工程實(shí)踐，享受政府特殊津貼，中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )科普工作委員會(huì )委員，曾獲得機械部新產(chǎn)品獎、中國有色總公司科技進(jìn)步一等獎和國家機械總局科技進(jìn)步三等獎。

1     傳感器和檢測儀表的重要性

    工業(yè)設備在制造過(guò)程中及整機性能測試中會(huì )遇到各種機械量和幾何量，有些工業(yè)設備在運行中還要經(jīng)常對一些機械量、電量進(jìn)行檢測或監視。這些機械量有位移、速度、加速度、力、力矩、功率、壓力、流量、溫度、硬度、密度、溫度、比重和粘度等，幾何量有長(cháng)度、角度、形狀、位置、表面粗糙度、表面波形等，這些均屬于物理量。實(shí)際在人們生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗中還會(huì )遇到化學(xué)量、生物量（包括醫學(xué)），而所有這一切，從信號的角度來(lái)看，都需要通過(guò)傳感器，將其轉換成電信號（近代還可以轉換成光信號），而后再進(jìn)行信號的傳輸、處理、存儲、顯示、控制……，從信息的角度看，這些信號連同聲音和圖像信息都是信息的源頭，所以傳感器和檢測儀表、測量?jì)x表是信息科學(xué)技術(shù)的三部分（信息獲取、信息傳輸、信息處理）中的重要部分。

    在現代工業(yè)設備中，傳感器和檢測儀表是不可或缺的一部分的理由，還可由以下兩方面來(lái)看：傳統的工業(yè)設備如在其上增加了必要的傳感器，配備精密測量部件（附件），則其功能和精度可以提高，便于用戶(hù)操作和維護，安全等級也可以提高，設備可以增值；工業(yè)設備作為自動(dòng)化系統的控制對象或作為自動(dòng)化系統的一部分，必須能與自動(dòng)化系統的三部分（檢測、控制、執行）相兼容或提供接口，使之集成為一個(gè)有機的整體，無(wú)論是單機自動(dòng)化或作為大型自動(dòng)化裝置的一部分，都使該工業(yè)設備的用途擴大。綜上所述，作為工業(yè)設備本身增加傳感器和檢測儀表、測量?jì)x表或提供接口，是傳統設備更新?lián)Q代的必要條件。

    傳感器是一種把非電量轉變的電信號的器件，而檢測儀表在模擬電路情況下，一般是包括傳感器、檢測點(diǎn)取樣設備及放大器（進(jìn)行抗干擾處理及信號傳輸），當然還有電源及現場(chǎng)顯示部分（可選擇），電信號一般分連續量、離散量?jì)煞N，實(shí)際上還可分成模擬量、開(kāi)關(guān)量、脈沖量等，模擬信號傳輸采用統一信號（4~20mA DC等）。數字化過(guò)程中，檢測儀表變化比較大，經(jīng)過(guò)幾個(gè)階段，近來(lái)多采用ASIC專(zhuān)用集成電路，而且把傳感器和微處理器及網(wǎng)絡(luò )接口封裝在一個(gè)器件中，完成信息獲取、處理、傳輸、存貯等功能。在自動(dòng)化儀表中經(jīng)常把檢測儀稱(chēng)為變送器，如溫度變送器、壓力變送器等。

    因為傳感器用于各行各業(yè)，加之這些年來(lái)，家用電器、汽車(chē)、信息產(chǎn)業(yè)三方面的飛速發(fā)展，對傳感器需求大增，所以傳感器制造業(yè)發(fā)展很快，形成獨立的產(chǎn)業(yè)，這就拉動(dòng)了工業(yè)設備，特別是半導體、設備制造業(yè)的發(fā)展，所以中國有必要特別關(guān)注傳感器產(chǎn)業(yè)。

    傳感器產(chǎn)品品種多，采用的科學(xué)原理多，技術(shù)密集，具有多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性，需要多學(xué)科、多種高新技術(shù)配合，雖然具有高附加效益，但本身價(jià)格不高，所以要推動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是有難度的。

2  傳感器和檢測儀表的現狀

    傳感器產(chǎn)品的門(mén)類(lèi)品種繁多，用于流程工業(yè)的主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、重量傳感器、流量傳感器、液位傳感器、氧敏傳感器,各種力敏傳感器、氣敏傳感器、分析儀表等，用于機械工業(yè)的還有：開(kāi)關(guān)類(lèi)的接近/定位傳感器、安全門(mén)開(kāi)關(guān)等安全傳感器、旋轉編碼器、視覺(jué)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器等。目前國內傳感器共分10大類(lèi)，24小類(lèi)，6000個(gè)品種。而國內品種更多，如美國約有17000種傳感器，所以我國發(fā)展傳感器品種的領(lǐng)域很寬廣。

    中國傳感器的市場(chǎng)近幾年一直持續增長(cháng)，增長(cháng)速度超過(guò)15％，2003年銷(xiāo)售額為186億元，同比增長(cháng)32.9％；而世界非軍用傳感器市場(chǎng)1998年為325億美元，平均增長(cháng)率為9％，預計2008年將增加到506億美元。2003年中國傳感器應用四大領(lǐng)域為工業(yè)及汽車(chē)電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品專(zhuān)用設備，其中工業(yè)和汽車(chē)電子產(chǎn)品占市場(chǎng)份額的33.5％。由于改革開(kāi)放，我國巨大的市場(chǎng)，引來(lái)了各國廠(chǎng)商如西門(mén)子、橫河、霍尼韋爾、歐姆龍、邦納等公司，這為最終用戶(hù)和工業(yè)設備制造廠(chǎng)帶來(lái)了很大的便利，而國內傳感器和檢測儀表生產(chǎn)雖有發(fā)展，但這遠不能跟上形勢的要求。各國傳感器生產(chǎn)和研發(fā)的規模在不斷擴大，美國約有1300家生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)傳感器的廠(chǎng)家，100多個(gè)研究院所和院校，日本有800家廠(chǎng)商。我國近年建立了傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、微米/納米國家重點(diǎn)實(shí)驗室等研發(fā)基地，初步建立了敏感元件和傳感器產(chǎn)業(yè)，2000年總產(chǎn)量超過(guò)13億只，目前我國已有1688家從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)，其中從事MEMS研制生產(chǎn)的已有50多家，到“十五”末期，敏感元件和傳感器年總產(chǎn)量已達到20億只。

    我國在參與國際傳感器市場(chǎng)競爭方面也走出了新路子，如沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院的“傳感器國家研究中心”，已向美國出口力敏傳感器芯片40萬(wàn)只。

    傳感器技術(shù)包括敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術(shù)四個(gè)方面，約有30多種技術(shù)。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)發(fā)展很快，我國研發(fā)的力量尚需大量投入，特別要加強具有自主知識產(chǎn)權的傳感器的開(kāi)發(fā)、科研成果的轉化及傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題，在我國更是迫在眉睫的問(wèn)題，在批量生產(chǎn)情況下，控制傳感器產(chǎn)品性能（主要是穩定性、可靠性），使之合格率很高，就需要有先進(jìn)的制造工藝和自動(dòng)化水平很高的工藝設備，我國應在開(kāi)發(fā)專(zhuān)用工藝設備上下功夫，解決傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化的“瓶頸”問(wèn)題；在傳感器的應用上，特別是新型傳感器的應用上，還沒(méi)大力推廣，改革開(kāi)放創(chuàng )造了有利條件，各種工業(yè)設備應用了先進(jìn)的傳感器，這擴大了傳感器市場(chǎng)，也使我國新型傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化有了動(dòng)力。

    我國在傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，應該兼顧引進(jìn)國外技術(shù)和自主創(chuàng )新兩方面。在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)中，可以提高自己的技術(shù)，同時(shí)也滿(mǎn)足了國內市場(chǎng)的需求，形成了傳感器生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)規模。如橫河公司最近發(fā)布的EJX多變量變送器，就是個(gè)可以考慮引進(jìn)技術(shù)的例子，它精度高（0.025％）、智能化程度高，采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，由于能把質(zhì)量流量、介質(zhì)壓力及導管堵塞、診斷、蒸氣伴熱診斷和孔板磨損情況等多種變量和信息經(jīng)現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸給中央控制室；對保證生產(chǎn)和提供設備維護信息、保證安全運行都很有利，這種新型變送器的發(fā)展，配合了自動(dòng)化系統管控一體化的變革，只有信息源頭能力強了，信息豐富了，才能使信息化更好促進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展。另外，它有廣闊的市場(chǎng)，因為它在石油化工、冶金、電力等多個(gè)行業(yè)均用量很大。

3  傳感器和檢測儀表的發(fā)展趨勢

    近年來(lái)，傳感器正處于傳統型向新型傳感器轉型的發(fā)展階段。新型傳感器的特點(diǎn)是微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網(wǎng)絡(luò )化，它不僅促進(jìn)了傳統產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導致建立新型工業(yè)和軍事變革，是21世紀新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。微型化是建立在微電子機械系統（MEMS）技術(shù)基礎上的，目前已成功應用在硅器件上形成硅壓力傳感器（如上述EJX變送器）。微電子機械加工技術(shù)，包括體微機械加工技術(shù)、表面微機械加工技術(shù)、L1GA技術(shù)（X光深層光刻、微電鑄和微復制技術(shù)）、激光微加工技術(shù)和微型封裝技術(shù)等。MEMS的發(fā)展，把傳感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。傳感器和檢測儀表，在微電子技術(shù)基礎上，內置微處理器，或把微傳感器和微處理器及相關(guān)集成電路（運算放大器、A/D、D/A、存貯器、網(wǎng)絡(luò )通訊接口電路）等封裝在一起完成了數字化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、系統化。網(wǎng)絡(luò )化方面，目前主要是指采用多種現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)），這要按各行業(yè)的需求，選擇其中的一種或多種，近年內最流行的有FF、Profibus、CAN、LonWorks、AS-I、Interbus、TCP/IP等。

    除MEMS外，新型傳感器的發(fā)展還有賴(lài)于新型敏感材料、敏感元件和納米技術(shù)，如新一代光纖傳感器、超導傳感器、焦平面陳列紅外探測器、生物傳感器、納米傳感器、新型量子傳感器、微型陀螺、網(wǎng)絡(luò )化傳感器、智能傳感器、模糊傳感器、多功能傳感器等。

    多傳感器數據融合技術(shù)正在形成熱點(diǎn)，它形成于20世紀80年代，它不同于一般信號處理，也不同于單個(gè)或多個(gè)傳感器的監測和測量，而是對基于多個(gè)傳感器測量結果基礎上的更高層次的綜合決策過(guò)程。有鑒于傳感器技術(shù)的微型化、智能化程度提高，在信息獲取基礎上，多種功能進(jìn)一步集成以至于融合，這是必然的趨勢。多傳感器數據融合技術(shù)也促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展。多傳感器數據融合的定義概括為：把分布在不同位置的多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器所提供的局部數據資源加以綜合，采用計算機技術(shù)對其進(jìn)行分析，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，降低其不確定性，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，從而提高系統決策、規劃、反應的快速性和正確性，使系統獲得更充分的信息。其信息融合在不同信息層次上出現，包括數據層（像素層）融合、特征層融合、決策層（證據層）融合。由于它比單一傳感器信息有如下優(yōu)點(diǎn)，即容錯性、互補性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟性，所以逐步推廣應用。應用領(lǐng)域除軍事外，還適用于自動(dòng)化技術(shù)、機器人、海洋監視、地震觀(guān)測、建筑、空中交通管制、醫學(xué)診斷、遙感技術(shù)等方面。

4 結語(yǔ)

    2002年發(fā)行的王大珩主編的“現代儀器儀表技術(shù)與設計”上下兩卷400多萬(wàn)字的巨著(zhù)，為我們發(fā)展儀器儀表工業(yè)添加了助推力，其中第三篇為智能微系統技術(shù)、第四篇為傳感器技術(shù)，第十二篇為信息傳輸與網(wǎng)絡(luò )化儀器相關(guān)發(fā)展技術(shù)，均與傳感器和檢測儀表有直接關(guān)系，很值得我們從事自動(dòng)化工作的人員一讀，其它門(mén)類(lèi)儀表的篇章及現代設計科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)篇章也使我們更深刻了解傳感器與檢測儀表的發(fā)展趨勢，所以本人把推薦此書(shū)作為本文的結束語(yǔ)。我國傳感器產(chǎn)業(yè)要適應新的技術(shù)潮流，根據市場(chǎng)需求，做到“新舊交替、遠近結合、品種齊全、滿(mǎn)足需求”，做到“大、中、小并舉”、“集團化和專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)并存”，向國內外兩個(gè)市場(chǎng)相結合的國際化方向發(fā)展，讓傳感器和檢測儀表抓住信息化的發(fā)展機遇，形成一個(gè)陽(yáng)光產(chǎn)業(yè)。