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感測技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。從仿生學觀點,如果把計算機看成處理和識別信息的「大腦」,把通信系統看成傳遞信息的「神經系統」的話,那麼感測器就是「感覺器官」。感測技術是關於從自然信源獲取信息,並對之進行處理(變換)和識別的一門多學科交叉的現代科學與工程技術,它涉及感測器(又稱換能器)、信息處理和識別的規劃設計、開發、制/建造、測試、應用及評價改進等活動。

1技術概述

獲取信息靠各類感測器,它們有各種物理量、化學量或生物量的感測器。按照資訊理論的凸性定理,感測器的功能與品質決定了感測系統獲取自然信息的信息量和信息質量,是高品質感測技術系統的構造第一個關鍵。信息處理包括信號的預處理、後置處理、特徵提取與選擇等。識別的主要任務是對經過處理信息進行辨識與分類。它利用被識別(或診斷)對象與特徵信息間的關聯關係模型對輸入的特徵信息集進行辨識、比較、分類和判斷。因此,感測技術是遵循資訊理論和系統論的。它包含了眾多的高新技術、被眾多的產業廣泛採用。它也是現代科學技術發展的基礎條件,應該受到足夠地重視。
為了提高製造企業的生產率(或降低運行時間)和產品質量、降低產品成本,工業界對感測技術的基本要求,是能可靠地應用於現場,完成規定的功能。

2發展現狀

無論是國內還是國外,與計算機技術和數字控制技術相比,感測技術的發展都落後於它們。從80年代起才開始重視和投資感測技術的研究開發或列為重點攻關項目,不少先進的成果仍停留在研究實驗階段,轉化率比較低。
中國從60年代開始感測技術的研究與開發,經過從「六五」到「九五」的國家攻關,在感測器研究開發、設計、製造、可靠性改進等方面獲得長足的進步,初步形成了感測器研究、開發、生產和應用的體系,並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,它還不能適應中國經濟與科技的迅速發展,中國不少感測器、信號處理和識別系統仍然依賴進口。同時,中國感測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。

3發展趨勢

(1)國外感測技術發展的主要趨勢
---強調感測技術系統的系統性和感測器、處理與識別的協調發展,突破感測器同信息處理與識別技術與系統的研究、開發、生產、應用和改進分離的體制,按照資訊理論與系統論,應用工程的方法,同計算機技術和通訊技術協同發展。
---突出創新。國外感測技術的發展強調以下幾方面的創新:
利用新的理論、新的效應研究開發工程和科技發展迫切需求的多種新型感測器和感測技術系統。
側重感測器與感測技術硬體系統與元器件的微小型化。利用集成電路微小型化的經驗,從感測技術硬體系統的微小型化中提高
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其可靠性、質量、處理速度和生產率,降低成本,節約資源與能源,減少對環境的污染。這種充分利用已有微細加工技術與裝置的做法已經取得巨大的效益、極大地增強了市場競爭力,例如:80年代進口一套AE感測器及其住處預處理硬體的成本已被降至原來的百分之幾到千分之幾,使中國經「七五」和「八五」攻關的產品化系統處於無力競爭的地位。後者採用獨創的寬頻高精度AE感測器和厚膜集成電路預處理硬體,但其成本仍比國外先進的產品高數倍到數十倍。在微小型化中,為世界各國注目的是納米技術。
集成化。進行硬體與軟體兩方面的集成,它包括:感測器陣列的集成和多功能、多感測參數的複合感測器(如:汽車用的油量、酒精檢測和發動機工作性能的複合感測器);感測系統硬體的集成,如:信息處理與感測器的集成,感測器--處理單元--識別單元的集成等;硬體與軟體的集成;數據集成與融合等。
---研究與開發特殊環境(指高溫、高壓、水下、腐蝕和輻射等環境)下的感測器與感測技術系統。這類感測器及感測技術系統常常是中國缺少的一類高新感測技術和產品。
---對一般工業用途、農業和服務業用的量大面廣的感測技術系統,側重解決提高可靠性、可利用性和大幅度降低成本的問題,以適應工農業與服務業的發展,保證這種低技術產品的市場競爭力和市場份額。
---徹底改變重研究開發輕應用與改進的局面,實行需求驅動的全過程、全壽命研究開發、生產、使用和改進的系統工程。
---智能化。側重感測信號的處理和識別技術、方法和裝置同自校準、自診斷、自學習、自決策、自適應和自組織等人工智慧技術結合,發展支持智能製造、智能機器和智能製造系統發展的智能感測技術系統。
(2)工況監視技術的現狀與發展趨勢
工況監視主要指對機器裝備故障、系統運行過程與過程質量缺陷、刀具/砂輪和工件的工況的監測與控制。
國外預測工況監視用感測檢測技術系統的主要發展趨勢:
①提高系統的可靠性和靈敏度;
②側重發展智能感測技術;
③強調改進和提高力/力矩、功率/電流、振動、聲振(合聲發射與超聲及語音)、溫度、光視及觸針感測系統,使它們有儘可能高的可靠性、靈敏度和可應用性,以適應21世紀初工業應用的要求;
④強調發展信號處理戰略、程序和識別技術,提高硬/軟體的集成度和系統的識別速度、精度和動態特性(魯棒性等);
⑤發展多感測器數據集成與融合的研究開發,以提高對缺陷和故障的識別精度、可靠性、降低成本,提高系統可應用性。
(3)國外自動化裝配對感測技術的研究開發趨勢
①對現有自動化裝配與機器人裝配用的感測技術的改進與革新。主要針對:力、觸覺、視覺、光學、機械觸針、位置感測和順應裝置用應力等感測器與尺寸感測技術系統,提高其可靠性、通用性。
②開發新型感測器,如:印刷電路板裝配用的非接觸式溫度感測器、超聲感測器等。
③研究開發先進領域用的感測技術系統,如:微機電器件複雜裝配等為代表的微型裝配(Mic-roassembly)用感測系統,微型控制用的加速度感測器、壓電執行器和小型化CCD及其集成等。
④特別要重視聲振感測技術的研究開發。
⑤開發數據集成、融合與人工智慧感測技術,如:機器手腕/手指用的多感知感測集成,多個超聲與力感測器的組合,高精度零件識別與分類、質量檢測與控制用感測技術系統。
⑥研究開發大型易變形件加工、裝配用感測技術系統。
⑦改變研究開發戰略,把主要在研究中心(院、所)用的過程高技術感測技術與
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系統轉向工業一線過程式控制制用。
綜上所述,中國的優勢有:①已經形成了研究、生產和應用體系、人材隊伍和部分感測技術的優勢,是進一步發展的基礎;②有一批先進的成果,如刀具/砂輪監控儀系列成果,石油油井用高溫、高壓感測檢測系統、高精度熱敏檢測感測等等;③有一個量大面廣的用戶市場;不足之處有:①研究開發戰略在系統性上的不足,如:感測器與感測系統未能統一布置,形成兩套並列,相互脫節的攻關;②對傳統感測器的革新改進不足,微小型化步子慢,在國內與國際市場上形不成競爭力;③ 加緊特殊環境和工程項目感測技術的研究開發;④集成化、智能化和納米技術與國外差距大。

4「十五」期間

目標
為了發展先進位造與振興機械工業的要求和國內外發展趨勢的分析,感測技術攻關的目標是:提高傳統感測技術等級、可靠性和可應用性水平,增強競爭力;積極創新系統,開發新產品,縮小差距,支持和促進中國先進位造技術的發展,振興製造業。
研究內容
(1)傳統感測技術與系統的研究開發。側重應用量大、面廣的力/力矩、功率/電流、視覺、聲振、光學、振動、觸針等工業用及農業用的濕度、溫度與元素等感測系統的現代化,但核心是微小型化,要解決:提高可靠性、可應用性、降低成本,形成國內外市場的競爭優勢,支持中國工業、農業和服務業的發展。
(2)高溫高壓環境下感測技術系統的研究。側重油井、輸送管線和連續過程用的高壓、高溫和大量程感測技術系統的研究、開發和應用,縮短差距,形成生產能力,替代進口,爭取出口。
(3)新型感測器與感測技術系統的研究。根據生產和科學研究需求發展幾種有制高點意義的新品種,如:微流量與微磁場感測器、生物與化學感測分析用微晶元技術等。
(4)智能感測技術的研究。結合中國汽車、CNC機床和產業的重大裝備更新,有目的研究開發幾種智能感測技術,使之達到或接近國際先進水平。
(5)過程質量與設備故障監控技術研究。在工業背景支持下,研究開發過程質量缺陷與劣化傾向監控技術系統和過程中設備故障(含潛在故障實時診斷感測技術系統)。
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