当代测试技术与传感器的发展现状

当代测试技术与传感器的发展现状乔冠伟2014141411145摘要：现代，先进的测试技术水平已经可以标志一个国家的科研水平，了解当代测试技术的发展现状显然有其必要性。当然，在机械工程的范畴内了解当代先进测试技术必然要了解传感器技术。关键词：测试技术、传感器、当代、发展现状正文：现代科学技术的发展与进步总是离不开测试技术的发展进步。抛开中国古代更重实用，着重发展工程技术使必然注重测试技术，西方科学的发展更是体现了测试技术的进步与科学的发展的相互促进关系。自从亚里士多德首先提出位移、速度、加速度的科学概念开始，而更先进的科学技术的实用使我们有了更精确地测试手段，而更精确的测量结果又促使了科学的进一步发展。很显然的例子，比如牛顿经典物理理论在高速、微观的情形下与测量结果的不符催生了相对论、量子力学等学说。现代，先进的测试技术水平已经可以标志一个国家的科研水平，了解当代测试技术的发展现状显然有其必要性。当然，在机械工程的范畴内了解当代先进测试技术必然要了解传感器技术。测试技术测试是测量与试验的简称。测量内涵：对被检测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量做数值测定工作。试验内涵：是指在真实情况下或模拟情况下对被研究对象的特性、参数、功能、可靠性、维修性、适应性、保障性、反应能力等进行测量和度量的研究过程。试验与测量技术是紧密相连，试验离不开测量。在各类试验中，通过测量取得定性定量数值，以确定试验结果。而测量是随着产品试验的阶段而划分的，不同阶段的试验内容或需求则有相对应的测量设备和系统，用以完成试验数值、状态、特性的获取、传输、分析、处理、显示、报警等功能。产品测试是通过试验和测量过程，对被检测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量、特性等做数值测定工作，是取得对试验对象的定性或定量信息的一种基本方法和途径。测试的基本任务是获取信息。因此，测试技术是信息科学的源头和重要组成部分。信息是客观事物的时间、空间特性，是无所不在，无时不存的。但是人们为了某些特定的目的，总是从浩如烟海的信息中把需要的部分取得来，以达到观测事物某一本值问题的目的。所需了解的那部分信息以各种技术手段表达出来，提供人们观测和分析，这种对信息的表达形式称之为“信号”，所以信号是某一特定信息的载体。信息、信号、测试与测试系统之间的关系可以表述为：获取信息是测试的目的，信号是信息的载体，测试是通过测试系统、设备得到被测参数信息的技术手段。测试技术是一门专业性很强的综合技术，而且包含众多的专业门类和应用领域，其中非电量测试及传感器的应用已经逐渐成为测试技术的重要分支。目前，测试技术已广泛应用于工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、交通运输等领域，而且起着越来越重要的作用，是国家科学发展和社会进步的一项不可缺少的重要技术。当代测试技术随着科学技术水平的不断提高和生产技术的高速发展，机械工程测试技术亦随之向前发展，卡式仪器、总线仪器直至集成仪器，近年出现的虚拟仪器和集成虚拟仪器库不断地丰富测试领域的手段。此外，测试系统的体系结构、测试软件、人工智能测试技术等也有很大的发展。仪器与计算其技术的深层次结合产生了全新的测试仪器的概念和结构。近年来，计算机技术在现代测试系统中的地位显得越来越重要，软件技术已成为现代测试技术中的重要组成部分。当然，计算机软件不可能完全取代测试系统的硬件。但是，现代测试技术已经要求从事测试科技的人员具备良好的计算机技术基础，更要求深入掌握测试技术的基本理论和方法。在当代测试技术中，通用集成仪器平台的构成技术、数据采集、数字信号分析处理技术是决定现代测试仪器系统与功能的三大关键技术。以软件化的虚拟仪器和虚拟仪器库为代表的现代测试仪器系统与传统测试仪器相比较最大的特点就在于，用户可以在集成仪器平台上按自己的要求开发相应的应用软件，构成自己所需要的使用仪器和使用测试系统，其仪器和系统的功能不局限于厂家的束缚。特别当测试仪器系统进一步实现了网络化以后，仪器资源将得到很大的延伸，其性价比将获得更大的提高，机械工程测试领域将出现一个更加蓬勃发展的新局面。传感器传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件，是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示、控制要求，是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件。传感器的应用应用领域除军事外，已适用于自动化技术、机器人、海洋监视、地震观测、建筑、空中交通管制、医学诊断、遥感技术等方面。1、汽车领域随着汽车的逐渐普及，人们对汽车安全性能、舒适性能的要求已经越来越高，很多国家甚至制定相关标准来对此进行规范化管理。为了帮助客户提升汽车产品的竞争力，各个传感器厂商在技术发展上特别用心，除了继续走智能化、集成化以及小型化路线以外，传感器创新的应用模式也不断涌现。1.1SP35胎压传感器英飞凌去年年底在Convergence2006展会上推出了SP35胎压传感器，这是第一款将TPMS模块所有功能融入单一封装的器件。这个高度集成的器件安装在印刷电路板上，与电池和天线一起组成一个完整的TPMS模块，使汽车行业供应商可以经济有效地满足美国安全法规的要求。该独立封装器件集成了带有8位微控制器的微机电系统压力、加速和温度传感器，TPMS模块和电子控制单元之间通过调幅/调频、射频发送器和低频接收器进行无线通信。MCU芯片还带有存储器、电池电压监测器和高级功率控制单元。通过去除TPMS模块中的独立通信芯片，SP35使模块设计复杂度和成本降低了大约10%。与英飞凌SP35的单片TPMS解决方案相呼应，飞思卡尔的8针脚胎压监测传感器MPXY8020A也是一款高集成度产品。它由一个变容压力传感器元件、一个温度传感元件和一个界面电路(具有唤醒功能)组成，所有这三个元件都在单块芯片中。MPXY8020A可与遥控车门开关(RKE)系统结合使用，提供一个高度集成的低成本系统。1.2MEMSMEMS是面向汽车安全应用的传感器技术的一个亮点。专家最新提出一个汽车“黑匣子”的概念，该“黑匣子”用以监控汽车的速度、安全带的使用状况以及由于汽车急转弯、急刹车、行驶不稳定、异常减速和不安全倒车等原因造成的超重力行驶，为驾驶者提供指导和预警帮助。这些系统配有加速感应器和回转感应器，采用MEMS技术以减小器件尺寸和成本，并获得了市场的认可。1.3ViSe智能图像传感器在高端的汽车中，人们常常会使用智能图像传感器来辅助驾驶。由于该传感器价格昂贵，一直未能普及，但是就在近日，瑞士CSEM公司宣称其利用ViSe智能图像传感器设计的实时视觉系统，能把汽车视觉系统的成本从数千美元降低到数百美元。CSEM采用了双芯片解决方案，即该公司专有的视觉传感器搭配ADI公司并不昂贵的BlackfinDSP。CSEM正计划下一步把一个专有DSP芯片和其图像芯片集成在一起，提供单芯片解决方案。1.4超声波传感器面向倒车系统应用的传感器技术也是目前的热门之一。Murata推出了一系列超声波传感器产品用于倒车系统。以其MA40MF14-5B为例，该产品不仅具有小体积、防水、窄范围检测、响铃时间短等特点，最特别之处为该产品采用了110°×50°的不对称光栅，以提高检测的准确性，避免误操作。1.5电池IVT传感器作为汽车的核心技术，发动机控制系统和底盘控制系统对传感器的要求一直以高精度与高可靠性为主。这类传感器技术已经非常成熟，其市场也主要以北美和欧洲为主。在这个应用领域内，为了进一步提升汽车的附加价值，传感器厂商在精准处下了不少功夫，如利用先进传感器提升电池的使用效率等。2、实现嗅觉、味觉和触觉功能的电子系统众所周知，电子技术刚一出现，就被用于制造照相机和扩音器，从而扩大了人的视觉和听觉功能。而另外三种感觉，嗅觉、味觉和触觉却大大落后了。然而今天的情况已不再是这样了。实现嗅觉、味觉和触觉功能的电子系统正在迅速发展。同时，新技术的出现，特别是生物芯片的出现，有希看大大延伸这三种感官的能力。2.1嗅觉系统电子感觉传感器'开发应用最广泛确当属电子鼻，其中英国以其雄厚的人才资源和研究基础处于世界领先地位，英国的苏格兰高地科学研究团体的高级研究员乔治×多德被公以为电子嗅觉系统的先驱，他于1980年在沃威克大学首先研制出这种系统。2.2味觉系统与气味最密切相关的感觉是味觉。一些国外的研究职员正努力开发电子舌，它能品尝出不同种类的溶液。2.3触觉系统触觉也正被人工仿真。美国伊利诺斯大学的研究职员正在研制一种象头发一样的触觉传感器。众所周知，很多动物和昆虫都能用其毛发辨别很多不同事物，包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种人造毛发是利用挠性很好的玻璃和多晶硅制造的，通过光刻工艺由硅基底刻蚀出来的。3、生物传感器微生物电子产品为了能够获得最佳的信号传递，固定化的生物组件通常与信号转换组件紧密地接合在一起。基本上，由信号产生方式的不同，可以将生物传感器区分成两种主要类型来的。3.1生物亲和性传感器当固定生物组件与待测定之分析物发生亲和性结合时，造成生物分子形状改变与/或引起诸如荷电、厚度、质量、热量或光学等物理量的变化。此种经由分子辨认─结合类型的生物传感器有免疫传感器、化学受体传感器等，其分析可为荷尔蒙、蛋白质、醣类、抗原或抗体，而相对应的受体可为荷尔蒙受体、染剂、外源凝集素、抗体或抗原等。3.2生物催化型感应器此类传感器之信号侦测并不在于分子辨认─结合的阶段，而且当固定划分子与待测物反应后，产生生化代谢物质，再经特定电极侦测特定代谢物后以电子讯号表现出来。最为人所熟悉的为属第一代生物传感器的酵素电极。目前有关此类生物传感器的两个主要研究发展方向为(1)使用酵素共轭物、环系酵素群和系列酵素来组合生物传感器，(2)使用微生物细胞或动、植物组织切片或可渗透性细胞等来当作分子辨认组件。3.3生物传感器在当前的主要应用领域1.发酵工业因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。所以具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰的微生物传感器发酵工业中得到了广泛的应用。2.食品工业生物传感器可以用来检测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度等。如已经开发出来的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖含量，从而衡量水果的成熟度。采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的应用。3.医学领域生物传感器在医学领域也发挥着越来越大的作用：临床上用免疫传感器等生物传感器来检测体液中的各种化学成分，为医生的诊断提供依据；在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。生物传感器还可以用来测量乙酸、乳酸、乳糖、尿酸、尿素、抗生素、谷氨酸等各种氨基酸，以及各种致癌和致变物质。4.环境监测环保问题已经引起了全球性的广泛关注，用于环境监测的专业仪器市场也越来越大，目前已经有相当数量的生物传感器投入到大气和水中各种污染物质含量的监测中去，在发达国家如英国、法国、德国、西班牙和瑞典，在水质检测过程都采用了生物冷光型的生物传感器。生物传感器因其具有快速，连续在线监测的优点，相信在未来，还会有更广泛的应用。未来发展方向传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代们学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。随着科技的发展，传感器也在不断的更新发展。1、利用新发现的现象、效应。传感器本来就是基于一系列效应制造出来的，目前应用的效应很多，比如压电效应、压阻效应等等，还有一些效应是我们未知