内容： 1 前言
现代化工业生产向着大型、快速、高效、低耗和保护环境、防止污染的方向发展是必然的趋势。随着信息技术的发展, 生产过程的最优化控制、图像识别、人机联系以及智能化和无人化控制是这一发展趋势的重要标志。自动化技术和信息技术的发展要求传感器技术必须同步发展。在工业过程控制方面,计算机技术比较成熟,需要采集的信息不断增加，生产过程要求采用更多的各类传感器，诸如压敏、热敏、光敏、气敏、湿敏、磁敏和光电转换器件等，把大量非电量的物化参数转换成控制信息，以满足各个行业、各种工业过程的自动化、智能化程度快速发展的需求。
2 工业过程控制传感器的现状
在各种工业过程控制中，使用量较多的有力学量传感器(含压力、位移、角速度传感器等)、温度传感器、气体传感器和湿度传感器。
2.1 力学量传感器
目前工业过程控制领域中应用力学量传感器最多的是压力传感器，压力传感器中按原理主要有如下几种:电位计式压力传感器，此种传感器结构简单、价格低廉、性能稳定、输出信号大、便于应用；压阻式压力传感器，此种压力传感器是用单晶硅作膜片,然后采用集成电路工艺在硅片上扩散应变电阻器,它的优点是输出信号大、灵敏度高、精度高、动态响应好、结构简单、尺寸小、重量轻,缺点是温漂大,均需采用温度补偿；电容式压力传感器，此种传感器结构简单,没有摩擦。其特点是线路和传感器组装在一起,减少分布参数的影响,又可以利用电路来补偿传感器的误差；压电式压力传感器，目前多为石英压电式压力传感器。瑞士的Kistler公司和奥地利的AVL公司的产品,在性能和测压范围上均达到一定的水平；谐振式压力传感器，此种传感器具有高精度,既能测动压又能测静压,优点是精度和分辨力高,输出信号是频率信号,为数字化提供了方便。
2.2 温度传感器
当前应用最多的是溅射铂电阻器，铂电阻器是中低温领域的测量传感器，稳定性好，十分可靠,精度高。典型技术指标为：测温范围-100～350℃，重复性0.1%。
过程控制应用的温度传感器还有热电偶和热敏电阻器。热电偶特点是测量范围宽,响应速度快,精度高和可远距离传输。热敏电阻器最大的特点是温度系数大，适合微小温度测量场合使用，价格便宜，特别适合在常温范围中使用。
2.3 气体传感器
气体传感器从原理上可以分为三大类：利用物理化学性质的气体传感器：如半导体式、催化燃烧式、固体热导式等；利用物理性质的气体传感器：如热传导式、光干涉式、红外吸收式；利用电化学性质的气体传感器：如定电位电解、迦伐尼电池式、隔膜离子电极式、固定电解质式等。其中半导体气敏元件典型技术指标：测量范围为（1～10000）×10-6，重复误差小于2%，响应时间小于5s 。
2.4 湿度传感器
电解质湿度传感器，有机高分子薄膜湿度传感器、金属和金属氧化物湿度传感器、陶瓷湿度传感器。其中高分子薄膜湿敏元件测试范围较宽，性能好，线性好，迟滞小，精度高，响应速度快，温度系数较小，典型技术指标：测量范围为30%～80%RH，工作温度为-10～50℃，精度为±3%RH，响应时间优于5s。
3 国内工业过程控制传感器市场现状及需求
冶金工业：冶金工业中应用的传感器，其环境条件十分恶劣，因此，需要这类传感器具有耐高温，防潮，耐振动，抗干扰和高可靠等特点。冶金企业在线测量系统使用数千种测控仪表及上百种传感器，据调查统计，“十五”期间我国钢铁行业各种传感器在线量约800万只，年需求量300万只，其中温度传感器150万只，压力传感器130万只。
石油工业：石油工业在线仪表210多万台，年维修量约用40多万只传感器，全国油田需各类传感器约500万只。
电力工业：在电力工业中,从发电、变电、输电到供电每个环节都需要电子装备作为安全监控、通信调度、控制负荷等方面的技术手段。
据统计，全国所需传感器用量约为：压力传感器4500只，温度传感器9000只,热电偶9万只，物位计270台；化工领域对传感器的需求：目前石油化工生产过程中，均采用计算机网络控制，需配用大量的传感器和变送器。传感器用量最大的有：力学量传感器年需6000只，温度传感器年需5000只；轻工、纺织、粮食及食品加工业为了实现规模生产和提高产品质量均需采用大量的温度传感器、光电传感器、磁传感器、力学量传感器和湿度传感器以及各类气体传感器。
4 工业过程控制传感器的需求预测
4.1 国内传感器市场容量预测
2005年传感器国内市场容量为8.2～10亿只，年产量(推荐量)为12.6 ～16亿只。考虑到产品出口量， 2005年我国将建成年生产能力达到20亿只的传感器新兴产业。
4.2 国外工业过程控制传感器的需求预测
美国加州国际咨询和市场研究公司分析认为,1996年全世界传感器市场为144亿美元,年增长率为5.4%。 到2003年，该市场将增长到208亿美元，最新的市场需求估计21%为流量传感器，18%为压力传感器，13%为接近传感器，11%为温度传感器，8%为液位传感器，8%为图像传感器，21%为加速度传感器、生物传感器、化学传感器和其它传感器。估测认为，1996年美国市场需求量达到了57.7亿美元，2003年将达到81.2亿美元，年增长率为5%。
关于工业传感器市场,据一份“传感器技术市场”研究报告预测，1996～2001年世界工业过程控制应用的传感器的年平均增长率为9.1%，1996年的市场销售额为38亿美元,到2001年可以达到59亿美元(表2)。
表1 2005年我国敏感元件与传感器市场容量
类别 主 要 产 品 2005年市场容量(亿只)2005年生产量 (亿只）
光敏 光探测器,光电传感器,CCD图像传感器, 光纤传感器 2.0～2.5 3～4
(电)压敏 ZnO压敏电阻器, SiTiO3压敏电阻器，ZnO避雷器等 3.5～4.0 5～6
热敏 NTCR,PTCR铂膜热敏电阻器, PN结温度传感器 2.0～2.5 3～4
力敏 箔式应变计,半导体应变计,应变式/压阻式/压电式力学量 0.4～0.6 1.0～1.2
传感器(压力,加速度,位移,角度,荷重,冲击等)
磁敏 霍尔元件,霍尔集成电路, 结型磁敏元件,磁敏电位器, 0.4～0.6 1.0～1.2
磁敏元件,韦根特磁敏元件等
气敏 可燃性气体传感器, CO,H2S,NH3,SO2,Cl2,NO,NO2等 0.15～0.2 0.3～0.4
毒性气体传感器, 氧传感器,溶氧传感器, CO2传感器等
湿敏 有机高分子湿度传感器,陶瓷湿度传感器,电解质类湿度传感器, 0.08～0.1 0.15～0.2
热敏电阻式绝对湿度传感器等
表2 世界工业传感器市场
传感器类型 1996年 2001年 1996～2001年
(百万美元) (百万美元) 年平均增长率（%）
无源 908 1329 7.9
有源 1297 1722 5.8
机电 793 1170 8.1
半导体 833 1693 15.2
总计 3831 5913 9.1
资料来源：《Sensor Review》1998，18（1），7～8
5 工业过程控制对未来传感器的要求
(1) 扩展测量范围，例如工业测温范围一般在-200～3000℃，而今后要求测量超高温和超低温，尤其是液化气体的超低温测量更加迫切。10K以下温度将是研究的重点。
(2) 提高测量准确度，计算机技术发展对传感器的测量准确度提出了很高的要求。
(3) 扩大检测对象，传统工业和新兴的工业面临市场竞争，为实现规模生产，保证质量和降低消耗，过程控制的对象越来越多，因此需要不断增加采集信息的传感器种类。
(4) 提高可靠性，目前传感器存在的最大问题是可靠性问题，必须采用先进的技术提高传感器的可靠性。
6 传感器技术发展趋势
随着工业生产的不断发展，过程控制要求传感器越来越高。敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化和网络化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，并加速新一代传感器的开发和产业化。
微电子、光电子、生物化学、信息处理等各学科、各种新技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批新颖、先进的传感器。新一代光纤传感器、复合传感器、微生物传感器、模糊传感器以及无线传感器网络等将逐步推广应用于工业过程控制领域。例如微波技术由于采用非接触式测量原理，更好适应槽罐测量在全部检测范围耐高温压力，蒸汽和灰尘的要求。目前市场份额正在大幅度增加，现在大多数传感系统工作在5.8～10GHz,下一代产品将采用在24GHz的产品。仪表易操作而且具有高稳定性和高准确度；选取超精细纳米级微粒子组合成多功能敏感器件，在半导体硫化铅（PdS）和氧化亚铜（Cu2O）之间采用特殊的工艺设施，诸如薄膜化和集成化等工艺，可从中选取多种半导体多功能器件。例如利用微电子机械系统（MEMS）技术制造即能测绝压又能测差压的多功能压力传感器，分布式光纤温度传感网络是工业过程控制和新的检测方法与技术，是一种实时在线多点光纤温度测量系统，在一个21cm光纤上可采集1000个温度信息，并能进行空间定位，已经用于过程控制和大型设备中的温度分布测量。
MEMS加工技术和纳米技术将得到高速发展，并将成为21世纪传感器领域中带有革命性变化的高新技术。微系统传感器具有划时代的微小体积、低成本、高可靠等独特的特点，预计由微传感器/微执行器以及信号和数据处理装置总装集成的微系统将进入工业过程应用领域。
欧洲委员会在Eurimus计划中就把利用MEMS加工技术发展过程控制传感器作为重点研究项目，具体内容包括用其产品替代下列传统产品：压力传感器和变送器，高温传感器，环境传感器，化学、气体和振动、微泵和角旋转控制传感器，检测距离、位置和角度的磁传感器，电子鼻，pH计，电导率传感器和温度传感器等。
无线传感器是工业过程控制应用的一个重要发展趋势。在传统的采集系统中需要采用大量电缆把传感器连接成网络，成本高不方便，而且费用大，利用蓝牙技术，美国加州Gossbow公司已经推出了“蓝牙”通信标准接GossNet结构。包括节点“智能I/O”以及Internet，每个节点可控制和监视，支持各种以电压、电流和电阻桥输出的各类传感器，目前已出现的采用温度、压力、流量、气体、化学GPS、湿度、磁场、光和应变传感器。
7 结束语
传感器是工业过程控制领域中的关键组成部分，在工业过程中是否能理想地采集到所需要的数据和信息，实时地对生产环节进行监控，目前主要是取决于传感器的质量、品种、功能和价格。我国现行研制和生产的传感器在以上方面和国外的产品存在着很大的差距，因此，研制和批量生产新型、多功能、可靠性高、性能质量好的新一代传感器，满足工业过程应用的需求是传感器研制和生产单位迫在眉睫的任务。 |