第六節　現代檢測技術與傳感器的發展

一、軟測量技術的發展

隨著現代工業過程對控制、計量、節能增效和運行可靠性等要求的不斷提高，現代過程檢測的內涵和外延較之以往均有很大的深化和拓展。單純依據流量、溫度、壓力和液位等常規過程參數的測量信息往往不能完全滿足工藝操作和控制的要求，很多控制系統需要獲取諸如成分、物性乃至反映過程的多維時空分布信息（例如化學反應器內的介質濃度及其分布等），才能實現更有效的過程控制、優化控制、故障診斷、狀態監測等功能。雖然過程檢測技術發展至今已有長足的進步，但在實際工業過程中仍存在許多無法或難以用傳感器或過程檢測儀表進行直接測量的重要過程參數。

一般解決工業過程的測量要求有兩條途徑：一是沿襲傳統的檢測技術發展思路，通過研制新型的過程測量儀表，以硬件形式實現過程參數的直接在線測量；另一就是采用間接測量的思路，利用易于獲取的其他測量信息，通過計算來實現被檢測量的估計。“軟測量技術”（Soft-Sensing Technique）正是第二種思想的集中體現。

軟測量技術也稱為軟儀表技術（Soft Sensor Technique）。概括地講，就是利用易測過程變量（常稱為輔助變量或二次變量，例如工業過程中容易獲取的壓力、溫度等過程參數），依據這些易測過程變量與難以直接測量的待測過程變量（常稱為主導變量，例如精餾塔中的各種組分濃度等）之間的數學關系（軟測量模型），通過各種數學計算和估計方法，實現對待測過程變量的測量。

軟測量技術作為一個概括性的科學術語被提出并得到了快速發展，始于20世紀80年代中后期。經過多年的發展，目前已建立了不少構造軟儀表的理論和方法，軟測量技術也已經在許多實際工業裝置上得到了成功的應用。

通常，軟測量技術可分為機理建模、回歸分析、狀態估計、模式識別、人工神經網絡、模糊數學、過程層析成像、相關分析和現代非線性信息處理技術等九種。相對而言，前六種軟測量技術的研究較為深入，在過程控制和檢測中有更多成功的應用。

二、現代傳感器技術的發展

現代傳感器技術發展的顯著特征是：研究新材料，開發利用新功能，使傳感器多功能化、微型化、集成化、數字化、智能化。

1.新材料、新功能的開發，新加工技術的使用

傳感器材料是傳感技術的重要基礎。因此，開發新型功能材料是發展傳感技術的關鍵。半導體材料和半導體技術使傳感器技術躍上了一個新臺階。半導體材料與工藝不僅使經典傳感器煥然一新，而且發展了許多基于半導體材料的熱電、光電特性及種類眾多的化學傳感器等新型傳感器。如各種紅外、光電器件（探測器）、熱電器件（如熱電偶）、熱釋電器件、氣體傳感器、離子傳感器、生物傳感器等。半導體光、熱探測器具有高靈敏度、高精度、非接觸的特點，由此發展了紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現代傳感器。以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化和智能化，工藝技術成熟，因此應用最廣，也最具開拓性，是今后一個相當長的時間內研究和開發的重要材料之一。

被稱為“最有希望的敏感材料”的是陶瓷材料和有機材料。近年來功能陶瓷材料發展很快，在氣敏、熱敏、光敏傳感器中得到廣泛的應用。目前已經能夠按照人為設計的配方，制造出所要求性能的功能材料。陶瓷敏感材料種類繁多，應用廣泛，極有發展潛力，常用的有半導體陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷、離子導電陶瓷、超導陶瓷和鐵氧體等。半導體陶瓷是傳感器應用的主要材料，其中尤以熱敏、濕敏和氣敏最為突出。高分子有機敏感材料是近幾年人們極為關注的具有應用潛力的新型敏感材料，可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等元件。高分子有機敏感材料及其復合材料將以其獨特的性能在各類敏感材料中占有重要的地位。生物活性物質（如酶、抗體、激素）和生物敏感材料（如微生物、組織切片）對生物體內化學成分具有敏感功能，且噪聲低、選擇性好，靈敏度高。

檢測元件的性能除由其材料決定外，還與其加工技術有關，采用新的加工技術，如集成技術、薄膜技術、硅微機械加工技術、離子注入技術、靜電封接技術等，能制作出質地均勻、性能穩定、可靠性高、體積小、重量輕、成本低、易集成化的檢測元件。

2.多維、多功能化的傳感器

目前的傳感器主要是用來測量一個點的參數，但應用時往往需要測量一條線上或一個面上的參數，因此需要相應地研究二維乃至三維的傳感器。將檢測元件和放大電路、運算電路等利用IC技術制作在同一芯片或制成混合式的傳感器。實現從點到一維、二維、三維空間圖像的檢出。在某些場合，希望能在某一點同時測得兩個參數，甚至更多的參數，因此要求能有測量多參數的傳感器。氣體傳感器在多功能方面的進步最具有代表性。例如，一種能夠同時測量四種氣體的多功能傳感器，共有六個不同材料制成的敏感部分，它們對被測的四種氣體雖均有響應，但其響應的靈敏度卻有很大差別，根據其從不同敏感部分的輸出差異即可測出被測氣體的濃度。

3.微型化、集成化、數值化和智能化

微電子技術的迅速發展使得傳感器的微型化和集成化成為可能，而與微處理器的結合，形成新一代的智能傳感器，是傳感器發展的一種新的趨勢。智能傳感器是一種帶有微處理器兼有檢測信息和信息處理功能的傳感器。智能傳感器通常具有自校零、自標定、自校正、自補償功能；能夠自動采集數據，并對數據進行預處理；能夠自動進行檢驗。自選量程、自尋故障；具有數據存儲、記憶與信息處理功能；具有雙向通信、標準化數字輸出或者符號輸出功能；具有判斷、決策處理功能。其主要特點是：高精度，高可靠性和高穩定性，高信噪比與高分辨力，強自適應性以及低的價格性能比。可見，智能化是現代化新型傳感器的一個必然發展趨勢。

4.新型網絡傳感器的發展

作為現代信息技術三大核心技術之一的傳感器技術，從誕生到現在，已經經歷了從“聾啞傳感器”（Dumb Sensor）、“智能傳感器”（Smart Sensor）到“網絡化傳感器”（Networked Sensor）的發展歷程。傳統的傳感器是模擬儀器儀表或模擬計算機時代的產物。它的設計指導思想是把外部信息變換成模擬電壓或電流信號，它輸出幅值小，靈敏度低，而且功能單一，因而被人們稱為“聾啞傳感器”。隨著時代的進步，傳統的傳感器已經不能滿足現代工農業生產甚至戰爭的需求，尤其20世紀70年代以來，計算機技術、微電子技術、光電子技術獲得迅猛發展，加工工藝逐步成熟，新型的敏感材料不斷被開發，特別是單片機的廣泛使用使得傳感器的性能越來越好、功能越來越強，智能化程度也越來越高，實現了數字化的通信，具有數字存儲和處理、自檢、自校準以及一定的通信功能，工業控制系統中的控制單元中的某些功能已逐漸被集成入傳感器中，形成了所謂“智能型傳感器”。

近幾年來，工業控制系統繼模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統、分布式控制系統之后，基于各種現場總線標準的分布式測量和控制系統DMCS（Distributed Measurement and Control System）得到了廣泛的應用。目前在DMCS中所采用的控制總線網絡多種多樣，千差萬別，內部結構、通信接口、通信協議各不相同。比較有影響的現場總線有Foundation Fieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。目前許多新型傳感器已經不再需要數據采集和變送系統的轉換，而直接具有符合上述總線標準的接口，可以直接連接在工業控制系統的總線上使用，這樣就極大地提高了整個系統的性能、簡化了系統的復雜程度并降低了成本。可以說這類傳感器已經具有相當強的網絡通信功能，可以將其稱為“具有網絡功能的智能傳感器”，但由于每種總線標準都有自己規定的協議格式，只適合各自的領域應用，相互之間互不兼容，從而給系統的擴展及維護等帶來不利影響。對于傳感器生產商而言，由于市場上存在大量的控制網絡和通信協議，要開發出所有控制網絡都支持的傳感器是不現實的。

圖3-79是一種網絡傳感器的連接圖。它是采用RCM2200模塊，配合Dynamic C集成開發環境，利用其內嵌的TCP/IP協議棧開發出的一種簡單實用的網絡傳感器。

測量所用的敏感元件通過信號調整電路將所測數據輸送到RCM2200的I/O口，模塊在讀取數據并經過一定的判斷和處理后一方面可以通過外圍電路直接輸出報警和控制信號，另一方面也可以通過以太網口將數據發布到網絡中去。該傳感器可以直接與集線器相連接，并通過集線器與上位工控機連接構成一個完整的測控以太網絡。