平层传感器

在工业自动化生产过程中，力传感器发挥着重要作用，它可以帮助设备实现高精度、高效率的自动化控制。力标准机是力值量传的标准设备，能够确保各行业力值计量器具的准确性。开展超大力值的力传感器研究，构建超大力值试验能力，有助于提升我国大力值传感器领域的技术水平，不断提高行业整体基础技术和共性技术能力。上海仪电旗下上海工业自动化仪表研究院有限公司面向工业领域超大力值测量及应用需求，于2019年承担起上海市工业强基专项“超大力值传感器和100MN力标准测力机研制及应用”项目。验算建模，力标准机主体设备一次吊装成功！100MN力标准机装置的总重量约500吨，其中最重的结构件约80吨，四根方立柱的长度近12米，约30吨/根，需从20米高的安装孔中垂直吊装进入场地，并直接安装就位。不仅安装难度极高，而且由于结构件重量重、长度长，吊装存在较大安全风险。项目研发团队通过反复验算、建模，并结合实地测量，最终确定了安装施工方案和安全防护方案。2021年1月25日，随着四辆巨型运输车抵达自仪院松江分院，项目迎来了最为重要的建设环节——力标准机主体设备吊装。在项目研发团队、安装技术人员、安全管理人员的全力配合保障下，主体设备仅用2天就一次吊装就位，确保了安装过程的安全可控。驻守现场，保障国际首台套设备研制进度！2021年初，在100MN标准测力机建设调试阶段，项目调试进程遇到了挑战。为保障设备研制进度，自仪院项目研发团队、安装技术人员迎难而上，连续两个月驻守现场展开了持续调试。在一次调试中，在回程卸压到3000吨时，突发液压无法正常卸载，问题非常棘手。调试人员尝试通过松动管路密封卡套螺帽，实现液压缸的卸荷。刚松开3圈时油液四射，调试人员在保障安全的前提下，浑然不顾全身淋满了液压油，当即先控制住了液压油管。最终查明原因是由于狭小的阀芯被堵塞进而导致回油不畅，问题得到了及时解决。最终，项目团队克服重重困难，顺利完成100MN标准测力机一次性满负荷加载试压试验，为项目后续落地应用争取了宝贵时间。突破瓶颈，关键核心技术获多项国外发明专利！自仪院充分发挥转制科研院所的经验优势，项目研发团队着力攻克关键核心技术难题，陆续突破了材料研制难关、传统热处理工艺、传感器结构优化等多个瓶颈。其中，“精度检测方法技术”获得美国、欧盟、日本和韩国多项国际发明专利。2020年6月，新研制的金属材料试制的测力传感器性能测试结果不理想。项目团队开始通宵达旦分析讨论，终于找出问题在于采取的热处理制度不能满足传感器的要求。分析结果指明了努力方向，经过艰苦攻关，最终制成的测力传感器性能得到了大幅改善，这意味着在传感器材料和热处理工艺方面向前迈出了一大步。自2019年开始，项目历时4年时间，成功研制70MN超大力值传感器，以及国际首台套100MN力标准测力机装置，综合技术达到国内领先、国际先进水平。从2023年起，项目研制的超大力值传感器、张力传感器“及测量系统装置已经在国内钢厂几十条热轧或冷轧生产线现场进行了国产化替代应用，并走向海外市场。通过持续完善改进，产品已达到与国外同类产品的同等技术水平。

今年以来，全球几大消费电子巨头纷纷发力抢占以智能眼镜及智能手表为代表的可穿戴设备市场。而在本轮可穿戴设备的追逐热潮中，传感器已然成为可穿戴设备产业链中的点金石，是硬件产业链上机会确定性较强的一块领域。据美国《华尔街日报》的报道显示，苹果即将发布的iWatch智能手表就将整合至少10种传感器，这无疑将对传感器市场的大热进一步起到推波助澜的作用。此外，前瞻产业研究院在此前发布的《2013-2017年中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》中，曾预测2013-2017年中国传感器制造行业销售收入将保持快速增长，2017年行业销售收入将突破5000亿元。分析人士表示，苹果等巨头的示范效应叠加传感器市场规模超千亿，都将推动国内传感器市场加速发展，相关概念大概率将获得资金青睐。　　iWatch将成传感器大热催化剂　　据外媒报道，最近Sensoplex公司的首席执行官Hamid Farzaneh在采访中对iWatch中可能出现的传感器进行了推测。作为一家新型可穿戴产品设计和供应传感器模块公司，Sensoplex在此领域非常具有发言权。　　据悉，Farzaneh专门对这10种传感器进行了分类，有五种可能性比较大，而另外五种则是较有可能。其认为，几乎肯定会被整合进iWatch的传感器，包括加速度传感器、陀螺仪、磁力计、晴雨表/气压传感器及环境温度传感器。　　Farzaneh指出，加速度传感器似乎已经成为智能手机的标配，而iWatch将使用加速度传感器测量身体运动，并且可以记录用户步数以及睡眠习惯。而陀螺仪是一款不可缺少的组件，可以侦测转动。陀螺仪获得的数据可以与锻炼逻辑算法相互协作 而且陀螺仪还能让iWatch&ldquo 感知&rdquo 用户，比如举起手腕准备看表时，屏幕自动亮起。气压传感器则不仅仅可以向用户提供更准确的天气数据，还可感知海拔高度的变化，对于跑步爱好者和登山爱好者来说，海拔高度数据非常重要。　　针对比较有可能被整合进iWatch的传感器，Farzaneh认为，包括心率监控仪、血氧传感器、皮肤电导传感器、皮肤温度传感器以及GPS。　　除此之外，据《华尔街日报》报道称，台湾厂商广大电脑将成为iWatch的主要生产商。而LG将为苹果智能手表独家提供显示屏，这种屏幕拥有2.5英寸，为长方形设计，且呈拱形，支持触摸以及无线充电功能等特点。　　iPhone 6或搭载气压计及　　传感器装置　　据科技博客9to5mac报道，当前业界关于苹果下一代iPhone的传闻正沸沸扬扬，似乎iPhone 6将采用更大的屏幕设计、重新启用金属面板等，已是板上钉钉的事情。近期又有知情人士爆料，iPhone 6可能将搭载运动气压计和大气传感器装置。　　据介绍，在通常情况下，气压计是用来测量位置高度的一个装置，这一传感器已经普遍存在于常见的Android设备上，比如三星的Galaxy Nexus手机。对于徒步旅行者、登山者、骑行和一些希望能够获取自己当前位置精确高度的发烧友来说，气压计传感器装置很实用。当然，通过一些气压数据，气压计同时可以预测气温和天气状况。　　业内人士表示，&ldquo iPhone 6可能将搭载运动气压计&rdquo 的传闻并非空穴来风，在苹果最新的软件开发工具包Xcode 6和iOS 8操作系统的代码上，可以找到相关信息。其中的CoreMotion APIs上，赫然显示有高度测量功能。　　此外，在当前的苹果应用商店内，已有几款可以跟踪高度的应用存在，这些应用基于现有的GPS芯片和运动跟踪芯片。不过，据相关开发人员称，Xcode 6 和iOS 8中的高度测量基于新的技术框架，需要有新的苹果硬件支持。　　上述开发人员称，iOS 8操作系统对新的测量高度的硬件支持，意味着苹果将在未来发布的iOS设备中嵌入这一新功能，这些设备不仅包括今年秋季推出的iPhone 6，还有可能覆盖新的ipad，甚至iWatch。　　此外，开发人员在iOS 8上还找到了环境压力跟踪参数，根据这些参数，除了根据气压可以确定高度外，还可以分析周边降水或天气阴晴状况。开发人员称，未来iOS设备的这种天气预测功能。　　5000亿市场引角逐　　应该说，传感器已经成为可穿戴设备产业链中的点金石，是硬件产业链上机会确定性较强的一块领域。以谷歌眼镜为例，其内置了多达10余种的传感器，包括陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速等传感器的应用，这让谷歌眼镜实现了一些传统终端无法实现的功能，如使用者仅需眨一眨眼睛就可以完成拍照。虽然谷歌没有透露具体的技术细节，但是业界专家都认为，这主要是因为谷歌眼镜内置了红外传感器和距离传感器，在两者的有机结合下，用户眼睛活动被识别，从而最终实现对应用的操作。　　而在可穿戴设备智能化升级的过程中，MEMS传感器是传感器发展的必然趋势。MEMS被称为微机电系统，主要包括传感器和执行器两类，广泛应用于包括智能手机、平板电脑和可穿戴设备等在内的消费电子领域。分析人士表示，各类传感器功能性的全融合将成为传感器的研发方向，未来可穿戴产品终端前景的发展将取决于传感器等产业链上游技术的提升，其中，MEMS创新应用将是可穿戴设备发展的源泉。　　另外，早在去年，前瞻产业研究院发布的《2013-2017年中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》就曾预测，2013-2017年传感器制造行业销售收入将保持快速增长，2017年行业销售收入将突破5000亿元。　　具体而言，传感器制造行业研究小组认为，传感器制造行业的下游主要应用领域包括工业检测、汽车、医疗、环境保护、航空航天等。鉴于传感器制造行业下游市场给力，我国传感器制造行业的前景值得期待。其一，传感器在机械行业将会有广阔的应用前景。未来机械行业将会广泛全面地应用信息技术，加快产品更新换代，提高产品技术含量，缩短与国际先进水平的差距，在机械产品中融入传感器、单片机、微处理器、PLC、NC、数字通信接口以及激光等现代信息技术和高新技术，提高产品的机电一体化、数字化、智能化和网络化的程度，使产品的技术含量、知识含量、附加值得以提高。其二，随着传感器技术作为物联网的核心技术，家电物联网的发展必定会带动相关传感器技术的大规模应用，传感器在家电领域的发展前景也十分广阔。其三，在疾病的早期诊断、早期治疗、远距离诊断及人工器官的研制等广泛范围内发挥作用的大趋势之下，传感器在这些方面将会得到越来越多的应用。

近年来，各大品牌的折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷，成为行业热点。作为柔性电子设备的重要组成部分，柔性传感器用以测量温度，反映人体的各项指标。现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、敏感材料等限制，难以实现高温物理场的温度测量。因此，如何继承柔性薄膜传感器优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的应用是一个值得关注的问题。近日，来自微纳制造领域的一项最新研究成果，为柔性传感器突破高温应用瓶颈提供了新思路。西安交通大学机械工程学院精密工程研究所的刘兆钧博士、田边教授、蒋庄德院士及其合作团队首次制备出了具有良好温度敏感性的高温柔性温度传感器。相关成果发表于工程制造领域期刊《极端制造》。传统柔性温度传感器难以实现高温无损监测柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可自由弯曲、折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂表面进行检测。在可穿戴方面，柔性的电子产品适合“人体不是平面”的生理特性，因此更易于测试皮肤的相关参数，其可将外界的受力或受热情况转换为电信号，传递给机器人的电脑进行信号处理，从而实时精准地监测出人体各项指标。“柔性薄膜温度传感器能变形、易附着、轻薄等优点受到了研究人员的广泛关注。”田边说，“热电偶式传感器以结构简单、动态响应快、便于集中控制等优点脱颖而出。”结合二者优势，热电偶式柔性薄膜温度传感器应运而生。“温度传感器主要由两部分组成，由两种不同材料制成的温度敏感层和柔性基板。温度敏感层常由金属以及金属化合物组成，柔性基材则选择已经商业化的聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等高分子聚合物材料。”田边表示。实际上，柔性传感器的优势使其能运用到多个领域当中，除了可穿戴设备，柔性传感器还在医疗电子、环境监测等领域显示出很好的应用前景。然而，现有的柔性薄膜温度传感器受柔性衬底、温度敏感材料等限制，难以在高温环境场中工作，更无法实现功能化应用。“因为柔性基板的熔点通常低于400℃，在高温环境中发生碳化后会变脆、变硬，因此，很难在高温环境下使用现有的柔性温度传感器。这一点也限制了它们在航空航天、钢铁冶金和爆炸损伤检测等极端环境中的应用。”田边解释道。“现有的高温温度测量手段受限于设备尺寸大、需要破坏结构、破坏气流场、受环境干扰等，难以实现对温度场的无损实时温度监测。”博士生刘兆钧补充道。因此，如何继承柔性薄膜传感器的优势，实现柔性薄膜传感器在高温环境下的安装与应用是亟须解决的关键问题。突破多项柔性温度传感器测量瓶颈为了突破柔性温度传感器的温度测量瓶颈，田边教授团队创新性地选择了具有宽温域的铝硅氧气凝胶毡作为温度传感器的柔性基板。由于柔性基板表面不均匀、粗糙度较大，难以通过传统的微纳制造工艺实现薄膜沉积与功能化，因此团队选用了丝网印刷技术制备厚膜以克服上述困难。在制备传感器的实际操作中，田边、刘兆钧等人使用有机黏合剂混合功能粉末完成浆料配置，利用高温热处理的方法去除薄膜中的多余有机物，如环氧树脂、松油醇等。同时，团队还针对不同应用表面，基于柔性材料可变形、可共形的优势，实现了功能薄膜的特定曲面化制备。“就像球鞋设计者根据球星脚底的尺寸大小来制定码数一样，这种‘独家订制’能有效解决一些问题。”田边表示，这样制备好的柔性温度传感器能够贴附于不同曲率曲面，例如叶片等。同时，其也具有超薄、超轻等优点。这项研究首次实现柔性传感器在零下190℃至零上1200℃这一极广的温度范围内工作，测试灵敏度也达到了可观的226.7微伏每摄氏度（μV/℃）。这是现有所有柔性温度传感器难以实现的。扩大柔性传感器的工作温域，为柔性传感开拓了更广阔的应用领域，它在探险排难、航空航天、钢铁冶金等领域将呈现出巨大的应用潜力。在被问及新型柔性传感器何时能够实现实际应用时，蒋庄德表示：“我们团队的研究人员对制备的柔性温度传感器已经进行了多种实验室级测试与实际测试。其中，包括对航模发动机的尾喷温度进行实时监控，小型物理爆炸场爆炸瞬时温度测量以及对坩埚中金属熔化过程进行温度监测等。传感器在整个测试过程都表现出了优异的测温能力。”在蒋庄德看来，科技发展的目标始终围绕造福人类。他指出：“我们根据柔性温度传感器极轻、极薄的特点，创新性地将其应用于智能穿戴设备，如传感器与环保透明面罩相结合设计出的智能口罩，实现对人体呼吸状态的实时监测，有望惠及长期独居旅行者和慢性病患者。我们的科研成果可以给人们的生活带来便捷，这也让科研有了‘温度’。”目前，柔性传感器许多技术仍停留在研究阶段，柔性传感器产业链整体能力亟待增强。就技术本身而言，传感器本身的稳定性、耐磨损性等还需要进一步提高。而从整个产业链的配套来说，柔性电路、柔性存储，以及软硬连接等环节也需要跟进步伐。在未来，团队也期望将制备的柔性传感器进一步优化，实现飞机表面、涡轮叶片等国之重器上的温度测量，为我国科技进步添砖加瓦。