测控技术的发展及其工程应用

1、测控技术的发展及其工程应用测控技术，即测试与控制，是一门新型的技术科学，也是一门边缘科学。早在一千多年以前，我国就先后发明了铜壶滴漏计时器、指南针以及天文仪器等多种自动测控装置，这些发明促进了当时社会经济的发展。二次大战期间，由于建造飞机自动驾驶仪、雷达跟踪系统、火炮瞄准系统等军事装备的需要，推动了控制理论的飞跃发展。二次世界大战后，控制理论扩展到民用，在化工、炼油、冶金等工业部门得到了进一步的应用，控制理论也日渐成熟。20 世纪 50 年代末和 60 年代，控制工程又出现了一个迅猛发展时期，这时由于导弹制导、数控技术、空间技术发展需要和电子计算机技术的成熟，控制理论发展到了一个新的阶段，产生

2、了现代控制理论。测试技术中传感器的发展及应用测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物理量（如噪声，温度）检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。因此测试技术的发展很大一部分是依赖传感器的发展。传感器技术是在20 世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技

3、术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段， 并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的， 并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。我国从20 世纪60 年代开始传感技术的研究与开发，已经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

4、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。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。传感器的发展，多是利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器。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。1. 光纤传感器。随着光导纤维、纳米材料超导材料等相继问世，人工智能材

5、料给我们带来了福音，它具有能够感知环境条件的变化（传统传感器）的功能，识别、判断（处理器）功能，发出指令和自采取行动（执引器）功能。利用这样具有新效应的敏感功能材料使研制具有新原理的新型传感器成为可能。20 世纪70 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光的特性，而且本身就可以构成一种新的直接交换信息的元件。光纤能把待测的量与它的各种参数联系起来，从而将被测信号的状态，以光信号的形式传出。另外，光纤不仅是一种敏感元件，而且是一种优良的低损耗传输线。光纤传感器具有传统传感器所不可比的优点：灵敏度高、动态范围大、响应速度快、不受电磁干扰、防爆防燃、易于远距离遥测、保密性好、重量轻、机械强度高等。

6、从光纤传感器问世至今，已有了上百个品种，在许多领域获得了广泛应用。例如，光纤流速传感器以其高的灵敏度、耐高压耐腐蚀、频带宽等特点，逐步取代传统的传感原理及测试方法。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的强度、频率、相位、偏振等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按测量对象分为：光纤温度传感器、位置传感器、流量传感器、力传感器、速度传感器、磁场传感器、电流传感器、电压传感器、光纤图像传感器和医用光纤传感器。光纤传感器按其传感原理可分为两大类：一类是传光型传感器，另一类是传感型传

7、感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”是依靠其它的功能元件来完成的。传光型传感器中的光纤是不连续的，中间有敏感元件；传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤作为敏感元件，把“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且起调制器的作用。因此，传感器中光纤是连续的，目前在医学上应用的主要是传光型光纤传感器。传感型传感器主要又分为：强度调制型传感器和相位调制型传感器。2. 生物传感器。生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一

8、种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。生物传感器的原理是待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为：微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞

9、传感器、酶传感器、DNA传感器等等按照传感器器件检测的原理分类，可分为：热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。按照生物敏感物质相互作用的类型分类，可分为亲和型和代谢型两种。例如，UVA-1210是一个近紫外波光电传感器，可见光范围不响应，输出电流与紫外指数呈线性关系。适用于手机、PDA、MP4等便携式移动产品测量紫外指数，随时提醒人们（特别是女士）紫外线的强度并注意防晒，也适用于紫外波段的检测器、紫外线指数检测器。3 集成化多功能传感器的开发。集成化是指传感器同一功能的多元件并列以及功能上的一体化。前一种集成化

10、使传感器的检测参数实现“点、线、面、体”多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测；后一种集成化使传感器由单一的信号转换功能，扩展为兼有放大、运算、补偿等多功能的传感器。在实际运用中，常做到硬件与软件两方面的集成，它包括：传感器阵列的集成、多功能和多传感参数的复合传感器；传感系统硬件的集成；硬件与软件的集成；数据集成与融合等。而多功能是指“一器多能”，即一个传感器可以检测两个或两个以上的参数。这样可大大节省工程成本，并使项目复杂度降低，提高了工作效率。运用集成化多功能理论研制出的传感器可以应用到更广泛的领域，并发挥出更加强大的功能效用。利用集成化多功能原理，现代传感技术已制

11、成带温度补偿的集成压力传感器，频率输出型集成压力传感器，霍尔集成传感器，半导体集成色敏传感器，多维化集成气敏传感器等。在智能化传感技术方面，以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理等功能；硬件上由微处理器系统对整个传感器电路、接口、信号转换进行处理调整；软件上进行非线性特性校正，误差的自动校准和数字滤波处理，从而形成传感技术的智能化系统。4. 实现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

12、强了市场竞争力。5. 传感器与多学科交叉融合，推动无线传感器网络的发展。无线传感器网络是由大量具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统。利用微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化，使其能根据环境自主完成指定任务.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方面分析与概括：一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；二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。由此可见，现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间。面对当前各项技术