第六节　现代检测技术与传感器的发展

一、软测量技术的发展

随着现代工业过程对控制、计量、节能增效和运行可靠性等要求的不断提高，现代过程检测的内涵和外延较之以往均有很大的深化和拓展。单纯依据流量、温度、压力和液位等常规过程参数的测量信息往往不能完全满足工艺操作和控制的要求，很多控制系统需要获取诸如成分、物性乃至反映过程的多维时空分布信息（例如化学反应器内的介质浓度及其分布等），才能实现更有效的过程控制、优化控制、故障诊断、状态监测等功能。虽然过程检测技术发展至今已有长足的进步，但在实际工业过程中仍存在许多无法或难以用传感器或过程检测仪表进行直接测量的重要过程参数。

一般解决工业过程的测量要求有两条途径：一是沿袭传统的检测技术发展思路，通过研制新型的过程测量仪表，以硬件形式实现过程参数的直接在线测量；另一就是采用间接测量的思路，利用易于获取的其他测量信息，通过计算来实现被检测量的估计。“软测量技术”（Soft-Sensing Technique）正是第二种思想的集中体现。

软测量技术也称为软仪表技术（Soft Sensor Technique）。概括地讲，就是利用易测过程变量（常称为辅助变量或二次变量，例如工业过程中容易获取的压力、温度等过程参数），依据这些易测过程变量与难以直接测量的待测过程变量（常称为主导变量，例如精馏塔中的各种组分浓度等）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，实现对待测过程变量的测量。

软测量技术作为一个概括性的科学术语被提出并得到了快速发展，始于20世纪80年代中后期。经过多年的发展，目前已建立了不少构造软仪表的理论和方法，软测量技术也已经在许多实际工业装置上得到了成功的应用。

通常，软测量技术可分为机理建模、回归分析、状态估计、模式识别、人工神经网络、模糊数学、过程层析成像、相关分析和现代非线性信息处理技术等九种。相对而言，前六种软测量技术的研究较为深入，在过程控制和检测中有更多成功的应用。

二、现代传感器技术的发展

现代传感器技术发展的显著特征是：研究新材料，开发利用新功能，使传感器多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化。

1.新材料、新功能的开发，新加工技术的使用

传感器材料是传感技术的重要基础。因此，开发新型功能材料是发展传感技术的关键。半导体材料和半导体技术使传感器技术跃上了一个新台阶。半导体材料与工艺不仅使经典传感器焕然一新，而且发展了许多基于半导体材料的热电、光电特性及种类众多的化学传感器等新型传感器。如各种红外、光电器件（探测器）、热电器件（如热电偶）、热释电器件、气体传感器、离子传感器、生物传感器等。半导体光、热探测器具有高灵敏度、高精度、非接触的特点，由此发展了红外传感器、激光传感器、光纤传感器等现代传感器。以硅为基体的许多半导体材料易于微型化、集成化、多功能化和智能化，工艺技术成熟，因此应用最广，也最具开拓性，是今后一个相当长的时间内研究和开发的重要材料之一。

被称为“最有希望的敏感材料”的是陶瓷材料和有机材料。近年来功能陶瓷材料发展很快，在气敏、热敏、光敏传感器中得到广泛的应用。目前已经能够按照人为设计的配方，制造出所要求性能的功能材料。陶瓷敏感材料种类繁多，应用广泛，极有发展潜力，常用的有半导体陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、离子导电陶瓷、超导陶瓷和铁氧体等。半导体陶瓷是传感器应用的主要材料，其中尤以热敏、湿敏和气敏最为突出。高分子有机敏感材料是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料，可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等元件。高分子有机敏感材料及其复合材料将以其独特的性能在各类敏感材料中占有重要的地位。生物活性物质（如酶、抗体、激素）和生物敏感材料（如微生物、组织切片）对生物体内化学成分具有敏感功能，且噪声低、选择性好，灵敏度高。

检测元件的性能除由其材料决定外，还与其加工技术有关，采用新的加工技术，如集成技术、薄膜技术、硅微机械加工技术、离子注入技术、静电封接技术等，能制作出质地均匀、性能稳定、可靠性高、体积小、重量轻、成本低、易集成化的检测元件。

2.多维、多功能化的传感器

目前的传感器主要是用来测量一个点的参数，但应用时往往需要测量一条线上或一个面上的参数，因此需要相应地研究二维乃至三维的传感器。将检测元件和放大电路、运算电路等利用IC技术制作在同一芯片或制成混合式的传感器。实现从点到一维、二维、三维空间图像的检出。在某些场合，希望能在某一点同时测得两个参数，甚至更多的参数，因此要求能有测量多参数的传感器。气体传感器在多功能方面的进步最具有代表性。例如，一种能够同时测量四种气体的多功能传感器，共有六个不同材料制成的敏感部分，它们对被测的四种气体虽均有响应，但其响应的灵敏度却有很大差别，根据其从不同敏感部分的输出差异即可测出被测气体的浓度。

3.微型化、集成化、数值化和智能化

微电子技术的迅速发展使得传感器的微型化和集成化成为可能，而与微处理器的结合，形成新一代的智能传感器，是传感器发展的一种新的趋势。智能传感器是一种带有微处理器兼有检测信息和信息处理功能的传感器。智能传感器通常具有自校零、自标定、自校正、自补偿功能；能够自动采集数据，并对数据进行预处理；能够自动进行检验。自选量程、自寻故障；具有数据存储、记忆与信息处理功能；具有双向通信、标准化数字输出或者符号输出功能；具有判断、决策处理功能。其主要特点是：高精度，高可靠性和高稳定性，高信噪比与高分辨力，强自适应性以及低的价格性能比。可见，智能化是现代化新型传感器的一个必然发展趋势。

4.新型网络传感器的发展

作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术，从诞生到现在，已经经历了从“聋哑传感器”（Dumb Sensor）、“智能传感器”（Smart Sensor）到“网络化传感器”（Networked Sensor）的发展历程。传统的传感器是模拟仪器仪表或模拟计算机时代的产物。它的设计指导思想是把外部信息变换成模拟电压或电流信号，它输出幅值小，灵敏度低，而且功能单一，因而被人们称为“聋哑传感器”。随着时代的进步，传统的传感器已经不能满足现代工农业生产甚至战争的需求，尤其20世纪70年代以来，计算机技术、微电子技术、光电子技术获得迅猛发展，加工工艺逐步成熟，新型的敏感材料不断被开发，特别是单片机的广泛使用使得传感器的性能越来越好、功能越来越强，智能化程度也越来越高，实现了数字化的通信，具有数字存储和处理、自检、自校准以及一定的通信功能，工业控制系统中的控制单元中的某些功能已逐渐被集成入传感器中，形成了所谓“智能型传感器”。

近几年来，工业控制系统继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分布式控制系统之后，基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统DMCS（Distributed Measurement and Control System）得到了广泛的应用。目前在DMCS中所采用的控制总线网络多种多样，千差万别，内部结构、通信接口、通信协议各不相同。比较有影响的现场总线有Foundation Fieldbus（FF）、LonWorks、Profibus、HART、CAN、Dupline等。目前许多新型传感器已经不再需要数据采集和变送系统的转换，而直接具有符合上述总线标准的接口，可以直接连接在工业控制系统的总线上使用，这样就极大地提高了整个系统的性能、简化了系统的复杂程度并降低了成本。可以说这类传感器已经具有相当强的网络通信功能，可以将其称为“具有网络功能的智能传感器”，但由于每种总线标准都有自己规定的协议格式，只适合各自的领域应用，相互之间互不兼容，从而给系统的扩展及维护等带来不利影响。对于传感器生产商而言，由于市场上存在大量的控制网络和通信协议，要开发出所有控制网络都支持的传感器是不现实的。

图3-79是一种网络传感器的连接图。它是采用RCM2200模块，配合Dynamic C集成开发环境，利用其内嵌的TCP/IP协议栈开发出的一种简单实用的网络传感器。

测量所用的敏感元件通过信号调整电路将所测数据输送到RCM2200的I/O口，模块在读取数据并经过一定的判断和处理后一方面可以通过外围电路直接输出报警和控制信号，另一方面也可以通过以太网口将数据发布到网络中去。该传感器可以直接与集线器相连接，并通过集线器与上位工控机连接构成一个完整的测控以太网络。