传感器技术的发展与应用--都睿感控

文章来源：四川都睿感控科技有限公司

现代电网发展的第一个特点是大容量、高电压。我国输电线路电压等级在今年已经达到了1000KV，随着电压等级的不断提高，传统高压测试设备，如：电磁式电压、电流互感器的绝缘问题日益突出。

现代电网发展的第二个特点是小型、紧凑化。由于信息化社会进一步发展，大城市对电力的需求持续增加，必须将高电压引入到城市中心才能满足这种持续增加的需要。如果可以将某些高压大型变电站建在高层建筑地下，必将有效地利用空间。随着高电压引入城市等负荷中心，迫切要求高电压设备，如断路器、变压器、互感器、隔离开关等的小型化。

现代电网发展的第三个特点是输配电系统自动化，即电网运行的保护、控制、监测、故障预测、通讯和记录的自动化。随着计算机的广泛应用，通讯技术、传感技术的飞跃发展，电力系统控制保护技术也发生了重大变化，传统的电磁式继电保护正在向微处理机分级监控保护转变，在电网中心系统管理下，实现分级管理，组成智能化远动终端。电流、电压传感器在电力系统控制保护和监控中起枢纽作用，因此，现代电网的发展对电流、电压互感器不仅提出了小型化、高可靠性的要求，还要求它具有高、低压完全隔离、抗电磁干扰性能好、频带宽及无铁磁饱和等优点。【1】

传感器是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

自20世纪80年代起，由于IT产业的推动，传感器成为发达国家发展最快的产业之一。传感器大国日本将传感器列为“今后十年最应注意的技术”的第一位，美国和欧洲各国也将传感器列为国家科技和国防科技发展的重要内容。

我国从1986年“七五”开始，将传感器技术列为国家重点攻关项目，投入了以机械敏、力敏、气敏、湿敏、生物敏为主的五大敏研究。在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。截至2000年末，全球传感器产业的销售额达90亿美元，预计到2003年，销售额将达203亿美元，增长速度十分惊人。

1传感器类型

在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色。人类由凭自身感官感觉外部世界到制造人造器件感觉外部世界，每一次进步，都推动了不同领域的全面革新。人们总是首先通过新的传感技术开拓出新的天地，使之成为人们梦寐以求的特异功能。应该说，有一种自然现象，就应该有其对应的传感技术，因此，传感技术门类繁多。
传感技术可以按被测量的类型分类，也可以按本身应用的传感原理分类。这里按被测量的类型，将已有传感器作如下粗略分类。 实际上，所谓条条达到通罗马，即同一种被测量的传感器，可以用不同的原理去实现。在传感器的开发方面，很大的工作量落在了利用新的原理技术开发精度、灵敏度更高，成本更低，体积更小的传感器。

2新型传感器进展

2.1 石英谐振传感器

石英谐振传感器是一种多用途的传感器。人们最熟悉的是晶振。晶振就是一种石英晶体，它以几乎恒定的振动频率作为时钟基准，广泛用于计算机、钟表等行业。晶振实际上就是一个时间传感器，利用频率表示时间，误差为ppm 量级。大量的研究表明，石英晶体不但可以作为时间传感器，还可以作为其它被测量的传感器。石英谐振力敏传感器就是其中一种。它的力敏基础是基于石英晶体的力—频效应。即在一定的电压下，石英晶体振动频率随加载到晶体一定切面上的力的大小而变化。不但基频随之变化，高次谐振频率也随之变化。石英晶体的力-频效应最早由BOTTOM于1947年发现。在随后的50几年中，国内外科学工作者对这一效应进行了大量定性及定量研究，取得了丰硕成果，使石英晶体用做力传感器的许多优点得以充分发挥。清华大学在世界上率先开发成功了可以批量生产的石英谐振力传感器 ，其主要优点是：

1、分辨率高；

2、精度高，优质品可达0.03%；

3、重复性好，时间稳定性好，理论上无滞后；

4、数字量输出，便于微处理器及计算机处理，抗干扰能力强；

5、很高的工作频率，可将信号以电磁波的形式发送与接受，适用于遥测场合；

6、低工耗；

7、人工石英技术成熟，使其成本大大降低。

目前，此项技术的工程化已通过国家九五项目验收，已在深圳清华传感设备有限公司投产，产量已超过100万只。 除了力—频效应外，石英晶体还有温—频效应。即在一定的电压下，石英晶体振动频率随温度变化而变化。这样，它还可以做成温度传感器。

近年来，随着生物技术的发展，对生物传感器的需求增加。石英晶体也可以做成生物传感器。比如，将石英晶体传感器与基因芯片结合，用于对标本中的靶基因进行检测。其实质是以石英晶体液相振动理论为依据的石英晶体微天平（quartz crystalmicrobalance, QCM）技术。

该技术基于Sauerbrey所推导的石英晶体AT切面表面质量变化值与谐振频率变化值的关系式。在检测过程中，在石英晶体与银电极构成的芯片表面固定事先合成的待测靶基因探针，然后加入DNA标本，依据晶体液相振动理论和Sauerbrey方程，液相条件下，若靶基因与固定在基因芯片表面的相应探针结合，将使晶体表面质量增加，导致晶体谐振频率变化。在比如，石英晶体的振动对敷层的粘弹性、应力、液体密度及粘度等均有影响。一般情况下，利用石英晶体微天平原理时应避免这些现象，但这些现象同时也可以用于敏感测量。使用石英晶体谐振传感器测定金葡球菌的溶血素就是典型例子。[2]

2.2 微传感器

微传感器是指敏感元件的几何尺寸在μm到mm数量级的范围的各种传感器。微传感器的主要特征是在硅基片上制作的MEMS技术。即微传感器本身就是MEMS的重要组成部分，而且是目前最为成功、最具实用性的产品。微传感器和MEMS具有划时代微小体积、低成本、高可靠性等独特的优点。

例如一个压力成像器的MEMS，含有1024个微型压力传感器，传感器之间的距离只有250μm，每个压力膜片尺寸为50μm，整个膜片尺寸仅为10mm X 10mm ，所有部件均采用CMOS工艺集成到同一芯片上。目前，国际上有代表性的MEMS主要有：压力微系统、加速度微系统、微型流量计、微型力传感器、微分析系统等近百种产品。[3]

2.3 光学传感器

光导纤维和集成光学传感器也是最具市场前景的传感器技术。这方面的主要应用有：用于干涉仪的集成光位移传感器；用于波长调制的H型传感器；用于光强度调制的并基于微曲光损失的力传感器；用于偏振光调制的法拉第效应的电流传感器；用于化学的氢、氧测量污染传感器；分布式的光学时间域反射计；共振式的光谐振传感器等。[4]这些传感器都含有一个光纤或集成光学片相连接的光源，如LED或激光二极管和光探测器，用于探测光线的变化。这种传感器具有无电磁干扰、良好的电绝缘性和抗噪声性，并且能应用于各种不同环境等优点。 CCD图象传感器也是一种技术成熟且市场巨大的传感器。经过30年的发展，CCD图象传感器从最初简单的8像元位移寄存器发展至今，已具有数百万至上千万像元。目前德州仪器公司的CCD已提高到2000万像元以上。

福特空间公司已推出了2048X2048、4096X4096像元祯转移CCD。日本日电公司制成4096X5200像元的超高分辨率CCD数字摄像机，分辨率高达1000X1000条TV线。加拿大达尔萨公司推出5120X5120像元祯转移CCD。荷兰菲利浦成像技术公司研制成功7000X9000像元CCD。美国亚利桑那大学报道了9126X9126像元CCD。欧洲南部天文台正开发16000X16000像元CCD。

目前美国、日本、德国和法国部分公司已开发出长线阵和大面阵可见光以及多针相模式工作的CCD图象传感器。近年来，CCD图象传感器像元数的竞争实际上就是像元尺寸缩小的竞争。比如日本松下开发的CCD图象传感器芯片尺寸为1.1mm X 1.34mm，这一微型CCD技术可广泛用于视频摄像机以外的领域。为了开发单片式低成本摄像机，研究重点也更多地转向互补金属氧化物半导体（CMOS）有源象素图象传感器（APS）方面，它将成为数字相机、摄像机和高清晰度电视（HDTV）的关键器件。

2.4 生物传感器

酶具有分析和检测特定物质的性质特点。生物体内除了酶以外，其它具有分子识别作用的物质，例如抗体、抗原、激素等，把它们固定在膜上也能作为传感器的敏感元件。另外，固定化的细胞、细胞器及动植物组织的切片也有类似的作用。这类用固定化的生物成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感器称为生物传感器。 按照生物传感器分子敏感元件分类，可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。 酶传感器是成熟程度最高的生物酶传感器。由于酶能选择性的快速辨别特定的底物，并在较温和的条件下对底物反应起催化作用，所以酶一直作为生物传感器中的首选生物活性物质。但大多数酶的制备和纯化比较困难，价格较高，使酶传感器的使用受到限制。 组织传感器是以组织薄片材料作为敏感元件的生物传感器。它的主要优点是用自然物质本身探测自然；省去酶传感器中酶的分离，制作简单，价格低廉，使用寿命较长；可用于酶催化途径不清楚的体系。 微生物固定化的技术在不断发展，从而固定化生物越来越多地被用于生物传感器的识别元件，于是产生了微生物电极。较早的微生物电极多是根据微生物对有机物质的同化作用而设计的。[3]

随着微生物电极技术的发展，已出现基于其它原理的微生物电极。比如，燃料型微生物电极、光微生物电极、微生物变异电极、酶—微生物混合电极、微生物抑止电极、细胞表层物质电极等。微生物传感器目前还在发展阶段，有望出现实用产品。 免疫传感器是根据抗原体反应来测定痕量物质的一种高灵敏度、高选择性识别功能的生物传感器。

它主要分为竞争法和夹心法两类。竞争法是利用一定量的标记抗原和样品中的抗原对少量进行竞争结合，然后将结合在抗体上的抗原和未在抗体上结合的抗原分离，测定抗体或抗原中标记剂的量来求待测抗原的方法。夹心法是将样品中的抗原与已在固定载体表面上固定的抗体结合，洗出未结合的成份后，加入标记抗体，使之与固相上的抗原结合，结果是把抗原夹在固定抗体和标记抗体的中间，洗去未结合的标记抗体，测定结合在固相上标记剂的量来求出待测抗原量的方法。

到目前为止，已形成的产品和正在开发的临床诊断用的生物传感器主要是电流形的电化学生物传感器。测定的对象包括酶的底物、酶的活性、抗原、抗体、酶的抑止剂等。有些生物传感器已比较成熟，如测定尿素、胆固醇、谷氨酸等的传感器。生物传感器除了用于临床医学以外，还在发酵工业、环境检测、食品领域广泛应用。

3．多传感器的集成与融合

多传感器的集成与融合技术已经成为智能机器与系统领域的一个重要的研究方向。它涉及信息科学的多个领域，是新一代智能信息技术的核心基础之一。从80年代初以军事领域的研究为开端，多传感器的集成与融合技术迅速扩展到军事和非军事的各个应用领域，如自动目标识别、自主车辆导航、遥感、生产过程监控、机器人、医疗应用等。 由于单传感器不可避免存在不确定或偶然不确定性，缺乏全面性，缺乏鲁棒性，所以偶然的故障就会导致系统失效。多传感器集成与融合技术正是解决这些问题的良方。多个传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余的信息，而且可以描述不同的环境特征。[4]例如一个带有多个传感器的移动机器人，它可以分别通过立体视觉和超声波传感器得到某个物体的距离信息。多个传感器的使用还可以使信息采集和处理过程并行化，不仅可以得到更全面、更准确的信息，而且减少时间和成本，提高整个系统的性能。

因此，多传感器集成与融合的特点就是冗余性、互补性、及时性和低成本性。 多传感器集成与融合并不是简单的相加，是由5个方面的研究内容组成，即融合结构、控制结构、传感器选择策略、世界模型和融合方法。融合结构是指如何为多传感器融合建立一个通用的信息处理模式。常见的有分层相平面模式、神经网络、逻辑传感器、面向对象设计等。控制结构是指如何对多传感器集成与融合过程进行有效的控制。根据不同应用的特点，有NBS（National Bureau ofStandards）传感与控制分层结构、分布式黑板和自适应学习三种方法。传感器选择是多传感器集成的一部分。它可以使多传感器系统从可用的传感器之中选择最合适的传感器组合。预选法和实时选择法是目前采用的两种基本的方法。

世界模型可以用来对先前获得的传感信息进行存储和推理。通常世界模型根据传感信息的高层表示来定义。来自不同传感器的数据首先被融合为统一的、高层的表示形式，然后被添加到世界模型当中。一般来说，不同的应用采用不同的世界模型。融合方法是指与数据融合有关的算法。比较典型的融合方法有：加权平均、卡尔曼滤波、采用一致传感器的贝叶斯估计、多贝叶斯、统计决策理论、证据推理、模糊逻辑和产生式规则等。

4．结束语

随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

参考文献

[1]  陈振生．新型传感器技术及应用．2008

[2]  R.GROSS(Switzerland)，H-J.HERRMANN (Germany) ，U.KATSHINSKI (Germany)，P.MENKE (Germany)，A.OSTERMEIER (Germany)，J.SCHMID (Germany)， M,WACHE (Germany)，"Substation Controland Protection System for Novel Sensors"，session 2000@CIGRE.

[3]  A.H Luxa．ABMueller．中压开关柜的监测和传感技术.2000

[4]  金发庆．传感器技术与应用．2004