绝压型气体压力传感器

柔性压力传感器是得到关注最多的一类柔性传感器，在生物医学、脑机工程、智能制造等众多领域得到了应用。近日，大连理工大学研究员刘军山团队与李明教授等团队合作，独辟蹊径地提出了一种纳米工程策略，首次制造出了亚微米厚度（0.85μm）的柔性压力传感器。相关成果发表在Small上，并被选为封面文章。封面图片。大连理工大学供图柔性压力传感器通常由上下两层柔性电极层和中间的功能软材料层组成，外界压力会导致功能软材料层产生压缩变形，从而引起传感器输出信号的改变。而这种以功能软材料层压缩变形为主导的传感机理，要求电极层具有相对较大的抗弯刚度，电极层厚度一般要比功能软材料层大1~2个数量级。因此，现有的柔性压力传感器厚度只能在百微米甚至毫米量级，严重影响了传感器的轻质性、变形性和共形性。团队通过纳米工程策略，将柔性压力传感器的传感机理，由功能软材料层的压缩变形为主导，转变为柔性电极层的弯曲变形为主导，从根本上解除了对于传感器厚度的限制。并且，由于超薄的柔性电极层拥有极强的变形能力，使得传感器具有优异的检测性能。传感器的单位面积重量只有2.8 g/m2，相当于普通办公打印纸的1/29，能够承受曲率半径小至8.8μm的面外超大弯曲变形，并且能够与皮肤表面实现完全共性贴合。另外，传感器的灵敏度为92.11 kPa-1，检出限为0.8 Pa，均处于目前公开报道的最高水平。纳米工程策略可以成数量级地减小传感器的厚度，从而突破性提升传感器的轻质性、变形性和共形性，同时还能够使得传感器具有超高的检测性能，为柔性压力传感器的设计和制造提供了一种全新的思路。

近日，国际知名期刊《Small》以封面文章刊发了我校机械工程学院刘军山研究员团队关于柔性压力传感器的最新研究成果“Nanoengineering Ultrathin Flexible Pressure Sensor with Superior Sensitivity and Perfect Conformability”。柔性压力传感器是得到关注最多的一类柔性传感器，在生物医学、脑机工程、智能制造等众多领域得到了应用。柔性压力传感器通常由上下两层柔性电极层和中间的功能软材料层组成，外界压力导致功能软材料层产生压缩变形，从而引起传感器输出信号(电阻、电容、电压)的改变。这种以功能软材料层压缩变形为主导的传感机理，要求电极层具有相对较大的抗弯刚度，电极层厚度一般要比功能软材料层大1~2个数量级。因此，现有的柔性压力传感器厚度只能在百微米甚至毫米量级，严重影响了传感器的轻质性、变形性和共形性。 　　刘军山研究员团队长期开展柔性传感器研究，通过与我校力学系李明教授等团队合作，独辟蹊径地提出了一种纳米工程策略，首次制造出了亚微米厚度(0.85µm)的柔性压力传感器。纳米工程策略将柔性压力传感器的传感机理由功能软材料层的压缩变形为主导转变为柔性电极层的弯曲变形为主导，从根本上解除了对于传感器厚度的限制；而且，由于超薄的柔性电极层拥有极强的变形能力，使得传感器具有优异的检测性能。传感器的单位面积重量只有2.8 g/m2，相当于普通办公打印纸的1/29，能够承受曲率半径小至8.8µm的面外超大弯曲变形，并且能够与皮肤表面实现完全共性贴合。另外，传感器的灵敏度为92.11 kPa-1，检出限为0.8 Pa，均处于目前公开报道的最高水平。纳米工程策略可以成数量级地减小传感器的厚度，从而突破性提升传感器的轻质性、变形性和共形性，同时还能够使得传感器具有超高的检测性能，为柔性压力传感器的设计和制造提供了一种全新的思路。 　　该项工作得到了国家重点研发计划项目(2020YFB2008502)、国家自然科学基金(51875083)和大连市科技创新基金(2020JJ25CY018)的。

灵敏度高、线性传感范围宽的柔性压力传感器在机器人触觉、健康监测、可穿戴设备领域具有重要应用。构筑微结构可以提高传感器的灵敏度，但由于软材料在压力作用下的结构硬化问题使传感器的响应逐渐饱和，导致器件呈现较窄的传感范围和显著的非线性响应。针对这一问题，来自南方科技大学的郭传飞教授团队设计了由微穹顶阵列与带有次级微柱的微穹顶（分级微穹顶）阵列而形成的一种分级互锁结构，有效提升界面结构的可压缩性，显著降低结构硬化，实现柔性压力传感器的高灵敏度（49.1 kPa-1）、线性响应（相关系数R20.995）和宽传感范围的统一（~485 kPa）。传感器的响应/恢复时间小于5 ms，可以检测频率高达200 Hz的振动刺激，显示出良好的动态响应特性。将传感器用于机械手的抓取任务中，结合机器学习，帮助机械手识别被抓取物体的重量，提升机器人触觉感知能力。相关工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range”为题发表于国际期刊《ACS Nano》。 该研究使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S130，摩方精密）打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具，进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜。打印模具尺寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，单个微穹顶尺寸（电极模具）：宽290 μm，高480 μm；次级微柱尺寸（离子膜模具）：直径28 μm，高70 μm。每层打印精度设置为5 μm，以实现分级互锁结构的高精度、定制化打印。 这项工作为制造具有高灵敏度、高线性度和宽压力响应范围的柔性压力传感器提供了一种策略，在未来的触觉器件中具有广阔的应用前景。 图1. 分级互锁结构的可压缩性及器件传感原理 分级互锁结构由微穹顶结构与带有次级微柱的微穹顶结构组成。微柱在分级互锁结构中具有重要作用。一方面，它提高了结构的可压缩性，减少结构硬化，使应力分布更均匀，有助于实现线性形变；另一方面，微柱结构的引入减小了电极与离子膜之间的起始接触面积，可有效提高了器件的灵敏度（图1）。 图2. 分级互锁型柔性压力传感器的制备该研究使用面投影微立体光刻技术打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具。进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜，并与平面电极PET/Au组合、封装，获得分级互锁型器件（图2）。 图3. 分级互锁型柔性压力传感器的传感性能分级互锁结构的设计实现了器件的高灵敏度、高线性度及宽传感范围的统一，同时提升了器件的响应速度，实现对高频振动刺激的精准检测，呈现出良好的动态响应特性（图3）。 图4. 分级互锁型柔性压力传感器的线性传感特性 将该传感器用于开发线性响应的电子天平，并用于测量几种未知物体的重量，其输出结果与商业电子天平的称量结果几乎一致，表明了自制电子天平对质量的测量比较准确、可靠，而且无需额外的非线性校准，大大简化数据处理过程（图4）。 图5. 基于机器学习的抓取任务感知与重量识别 柔性压力传感器的一个重要应用是为机器人带来触觉感知能力，使机器人能够像人类一样与外界互动。将分级互锁型传感器集成在气动抓手表面，实现机械手在抓取物体时的触觉感知；结合机器学习，帮助机械手识别物体的重量（图5）。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10535作者：白宁宁

由悬浮石墨烯制成的纳米机械谐振器对压力变化表现出高灵敏度。然而，由于受空气阻尼的影响，这些设备在非真空环境中表现出明显的能量损失，以及由于石墨烯的轻微渗透，参考腔内不可避免地出现微弱的气体泄漏。2023年6月12日，北京航空航天大学李成副教授团队在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊发表名为“High-Sensitivity Graphene MOEMS Resonant Pressure Sensor”的论文，研究提出了一种利用微电子机械系统技术的新型石墨烯谐振压力传感器，其特点是将多层石墨烯膜密封在真空中，并粘附在带有凹槽的压敏硅膜上。这种方法创新性地采用了间接敏感的方法，在大气中表现出60倍的能量损失，并解决了基底和石墨烯之间长期存在的气体渗透问题。值得注意的是，所提出的传感器表现出1.7Hz/Pa的高压力灵敏度，比硅的同类产品的灵敏度高5倍。此外，全光封装腔结构有助于实现6.9×10-5/Pa的高信噪比和低温度漂移（0.014%/℃）。所提出的方法为使用二维材料作为敏感膜的压力传感器的长期稳定性和能量损失抑制提供了一个很好的解决方案。MOEMS石墨烯谐振压力传感器其特点是通过阳极键合实现10-3Pa的真空封装，大大降低了压力差下基底和石墨烯之间高空气阻尼和气体渗透造成的能量损失。总的来说，所提出的传感器为提高信噪比和实现二维材料谐振传感器的可靠使用提供了一个有前途的解决方案。

提起肿瘤，相信大多人都是惧怕的，因为它在大多数时候都代表了痛苦与死亡，至今，人们对于大部分肿瘤依旧束手无策。　　而传感器的功能相信大家都是了解的，是人工智能硬件的必备品，越小越灵敏的传感器也就意味着可以办成更多的事。　　由于生产方法的限制，人类还很难制造出厚度在100位微米以下的传感器。但是日前却传来了好消息，日本东京大学的研究人员研发了一种由纳米纤维材料制成的超薄柔性压力传感器，仅80微米厚，可以很准确地感知圆形物体表面的压力，甚至可以一次性测量出144个点的压力。　　利用碳纳米管、石墨烯和高分子弹性聚合物等制成了300-700纳米厚的纳米纤维材料，再形成透明、轻薄的多孔结构。　　研究人员将这一传感器放进人造血管之中进行测试，发现可以测量出极其微小的压力变化，同时还可以检测出压力在这种环境中传播的速度。　　由此，研究人员表明，未来是有希望利用搭载这种传感器的橡胶手套来检测出乳腺癌或是肿瘤的。　　我们相信时间的力量，有一天，肿瘤再不会成为一个可怕的代名词。

日前，丹纳赫Setra(西特)全新推出Model278大气压力传感器。该产品长期稳定性小于0.1mb/年，可用于要求精确测量、快速响应和长期稳定、长期可靠的环境中。　　为了经受自动气象站(AWS)恶劣的环境和环境监测需要，Model278外壳采用了不锈钢和聚酯材质构成。可插拨的5针端子排使得连接数据记录仪和信号连接非常简单，1/8“倒刺压力接口简化了气路连接，传感器的体积只有(3.6”×2.4“×1.0”)是应用和替代现有产品的理想选择。　　Model278可工作在-40℃～60℃(-40°F～140°F)的温度范围内。用户可选择0-2.5VDC或0-5VDC的输出，3线或4线电路和9.5-28VDC激励。传感器工作功耗很低(3mA标称)。它的休眠特性使功耗降低到1μA，并且当压力读数快速启动时传感器也能快速启动。　　Model278采用Setra的SETRACERAMTM电容式敏感元件和独特的IC模拟电路，这从根本上简化了设计，热稳定玻璃熔融陶瓷敏感腔结合Setra久经考验的电容式电荷平衡IC电路，使得传感器在精度和环境补偿方面都有出色的表现。SetraceramTM敏感元件具有卓越的热膨胀系数和低机械迟滞使得Model278具有良好的长期稳定性。

用途适用于医用外科口罩气体交换压力差的测定，也可用来测定其它纺织材料的气体交换压力差。 原理通过气体流量计设定气流的输出，使该气流经过一定面积的测试样品，通过压力传感器检测当前压力并计算压力差。 符合标准：YY0469-2011、YY0969-2013 产品规格项目技术参数气源压缩空气空气流量1 - 10L/min可设置（标准8L/min）试样透气口径Ф25mm；压差传感器量程0～500Pa；显示方式触摸屏；电源220V，50Hz。产品特点1、.配有专用试样夹，使用简单方便。2.内置高清触摸显示屏。3.内置微型打印机，方便打印实验结果。4.配有高精度压差传感器，数字显示试样两测压差；5.配有高精度气体流量控制，流量实时数字显示，稳定控制气流并可手动设置。6.测试时间可根据测试要求，任意调节。创新点：1.配有高精度压差传感器，数字显示试样两测压差；2.配有高精度气体流量控制，流量实时数字显示，稳定控制气流并可手动设置。3.测试时间可根据测试要求，任意调节。医用口罩气体交换压力差测试仪N701

近日，深圳安培龙科技股份有限公司（下文简称“安培龙”）在深圳证券交易所创业板正式上市，深圳收获一家A股上市传感器龙头企业。以创新打破国外技术垄断安培龙成立于2004年，是一家专业从事热敏电阻及温度传感器、氧传感器、压力传感器研发、生产和销售的公司。目前公司已形成了热敏电阻及温度传感器、氧传感器、压力传感器三大类产品线，包含上千种规格型号的产品，目前主要应用于家电、通信及工业控制领域，同时也逐渐在汽车、光伏、储能、医疗等领域扩大应用。公司已取得境内专利授权64项，其中包括发明专利13项、实用新型专利51项。在热敏电阻领域，公司具有突出的技术开发及规模化产业转化能力，参与了多项国家级科研项目。公司“微晶热敏陶瓷纳米粉体及其片式元件制备技术”获得中国电子协会科技进步一等奖。在温度传感器领域，NTC热敏电阻作为其中最为关键的元件，公司利用多年在NTC热敏电阻开发及产业化过程中积累的实践经验，开发出了高性能的温度传感器，产品主要技术指标与国外领先企业接近，已逐步进入国际品牌的供应链体系。在压力传感器领域，基于陶瓷材料方面的深入研究，公司获得了“一种陶瓷电容式压力传感器及制备方法”、“一种温度-压力一体式传感器”等核心技术专利，打破国外公司对该类型产品的技术壁垒；同时，公司获得工信部2019年度工业强基重点产品传感器“一条龙”应用计划示范企业，具有较强的技术研发实力。在氧传感器领域，经过近十年的开发，公司实现了氧传感器所用关键材料的国产化，取得了“一种高热导LTCC陶瓷基板”等发明专利，并承担了“面向国六排放标准的气体传感器研发”的深圳市科技计划项目。通过对核心技术进行攻关，于2019年入选了工信部第一批专精特新“小巨人”企业（共248家）、2021年入选了工信部第一批建议支持的国家级专精特新“小巨人”企业（全国共782家，为深圳市6家入选企业之一），于2021年被广东省科学技术厅认定为“广东省基于先进功能陶瓷材料的 智能传感器工程技术研究中心”的依托单位。凭借着长期积累的平台优势，优异的产品性能，安培龙主要产品已配套用于国内外知名品牌的终端产品，包括：比亚迪、上汽集团、长城汽车、东风汽车、万里扬、华为、美的集团、格力电器、海尔智家、东芝、三星、伊莱克斯等客户。安培龙近年业绩保持快速增长势头。公司2020年、2021年、2022年、2023年1-9月营业收入分别为4.18亿元、5.02亿元、6.26亿元、5.47亿元；归母净利润分别为0.60亿元、0.53亿元、0.89亿元、0.61亿元。助力战略性新兴产业发展近年来，中国汽车产业实现“弯道超车”，其中新能源汽车表现抢眼。产业的快速增长也带来众多上下游企业带来了发展新机遇。中国汽车产业的崛起，对于传感器行业而言是百年难遇的大机会，安培龙早早看到了这一机遇并布局。招股说明书资料显示，安培龙拟募集资金将主要用于投建安培龙智能传感器产业园项目。该募投项目建成后将实现年产1500万只压力传感器、年产非汽车综合用温度传感器10000万只、年产汽车用温度传感器500万只的产能，此外，还将进行智能传感器研发中心建设项目以及厂房办公室生活配套项目的建设。作为深圳最年轻的行政区之一，坪山承载着“深圳东部中心、深圳国家高新区核心园区、深圳未来产业试验区”的重担，并在全市“20+8”产业集群中承接“9+2”战略性新兴产业和未来产业集群发展，已初步形成“智能车、创新药、中国芯”为代表的三大主导产业，打造的新能源（汽车）和智能网联、生物医药、新一代信息技术三大主导产业均是当下乃至未来最具发展潜力的战新产业。登陆资本市场，安培龙也开启了新的发展阶段。谈及公司未来发展目标，邬若军表示，“短期来说，希望公司的压力传感器、温度传感器、氧传感器在汽车行业得到广泛的推广，成为国内汽车电子的领先品牌。长期而言，安培龙希望成为国际领先的智能传感器企业。”

style type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylestyle type="text/css".TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }/stylep　　柔性可穿戴电子设备的飞速发展与商业化应用，加快了能源存储器件的变革与升级。为了良好的匹配可穿戴电子器件，所使用的能源存储器必须具备安全性高、体积小、寿命长、易集成化、功率密度高等特点。鉴于以上要求，平面微型电容器成为最佳的供能器件的选择。但单个的电容器电压窗口较小，能量密度较低，很难连续不间断地为可穿戴器件供能。解决这个问题最便捷的方式是将多个微型电容器串联形成阵列为可穿戴集成系统的功能单元供电。目前，已有许多不同类型的电容器阵列驱动的集成探测系统相继被开发，例如集成光探测系统、集成压力传感器系统等。除了压力、光、热等传感器，有机气体传感器近年来在环境监测、工业现场与安防等领域发挥的作用越来越大，但与光探测、压力传感器相比，气体传感器对目标气体的响应时间长，相应的能耗更大，对能源器件的要求更高，加大了集成的难度。因此，研究自驱动气体传感器这一集成系统具有重要意义。/pp　　近日，中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室沈国震课题组开发了新型的由微电容阵列驱动的可穿戴气体传感器与实时显示系统。该集成系统由基于电沉积聚吡咯电极材料的圆形电容器阵列、基于碳纳米管/聚苯胺材料的常温乙醇气体传感器和原位气体分析与显示系统组成。所组装的电容器的面积比电容为47.42mF/cm2，气体传感器在常温下对乙醇气体的响应回复时间分别为13s和4.5s。当有气体进入传感器中时，气体传感器两边的电流会发生变化，电路板中元件会采集这个变化并进行计算，与预先存储的标准曲线进行比较从而得出气体的浓度值，再经蓝牙把信号传输到手机，随即手机APP会显示出对应的气体浓度并绘制出实时的I-t曲线，在个性化酒驾测试等领域都具有广泛的应用前景。/pp　　相关研究成果发表在emNano Energy/em上。研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中科院前沿科学重点研究项目等的支持。/pp style="text-align:center "img alt="" oldsrc="W020171122541344436928.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/uepic/e3b32010-c775-4458-9645-12641860bf32.jpg" uploadpic="W020171122541344436928.jpg"//pp style="text-align: center "半导体所在柔性自驱动气体传感与显示系统研究中获进展/p

p　　从智能袜子、运动衣服计算消耗已经成为可穿戴人体传感器最新的必备技术，研究人员正在采用用世界上最理想的织物丝绸，开发出一种更灵活、灵敏的新一代多功能设备可以实时监控许多身体功能。/pp　　这项技术在美国化学协会(ACS)创办全国会议及博览会上展示，美国化学协会是全球最大的科学协会，此次展会是越过9400演示大范围的科学主题活动。/pp　　人体传感器由半导体组成，在人体健康监测领域有巨大潜力。但它还有一些挑战性难题。例如在应变传感器力测量变化时，敏感度不足、可伸缩性不强等。/pp　　丝绸是天然材料，比钢灵活比尼龙更强大，可以克服这些问题，且纤维还具有良好的生物相容性和轻量化特点。然而，丝绸不能导电。为解决这一障碍，研究员通过找到一种方法来增加丝绸的电导率，有效地应用于体感设备。/pp　　研究人员计划尝试两种不同的策略。在一个方法中，他们把丝绸置于温度在1112° F到5432° F的惰性气体环境中，在此温度丝绸成为充满氮和碳的石墨颗粒，这种状态下是导电的。使用这种方法，这个团队开发了压力传感器、应变传感器和一个可以同时测量温度和压力的双模传感器。/pp　　另一种方法中，团队对家蚕喂碳纳米管和石墨烯，通过蚕把这些纳米粒子添加到丝绸。到目前为止，这种技术还没有产生导电纤维，但研究人员继续试验这种方法，并相信它们能使其发挥作用。/pp　　研究者热衷于探索如何开发一套由纳米发电机运行组成的基于丝绸的传感器，研究员还建议丝绸传感器用来构造更实用的机器人，可以感知温度、触觉或湿度，甚至可以辨别不同人的声音。/p

p　　要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。/ppstrong1.电化学型气体传感器的结构/strong/pp　　电化学式气体传感器，主要利用两个电极间的化学电位差，一个在气体中测量气体浓度，另一个是固定的参比电极。电化学式传感器采用恒电位电解方式和伽伐尼电池方式工作。有液体电解质和固体电解质，而液体电解质有分为电位型和电流型。电位型是利用电极电势和气体浓度之间的关系进行测量；电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。/pp　　电化学传感器有两电极和三电极结构，主要区别在于有无参比电极。两电极CO传感器没有参比电极，结构简单，易于设计和制造，成本较低适用于低浓度CO的检测和报警；三电极CO传感器引入参比电极，使传感器具有较大的量程和良好的精度，但参比电极的引入增加了制造工序和材料成本，所以三电极CO传感器的价格高于两电极CO传感器，主要用于工业领域。两电极电化学CO传感器主要由电极、电解液、电解液的保持材料、出去干涉气体的过滤材料、管脚等零部件组成。/ppstrong2.电传感器工作原理/strong/pp　　电化学气体传感器是一种化学传感器，按照工作原理一般分为：a.在保持电极和电解质溶液的界面为某恒电位时，将气体直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出；b.将溶解于电解质溶液并离子化的气态物质的离子作用与离子电极，把由此产生的电动势作为传感器输出；c.将气体与电解质溶液反应而产生的电解电流作为传感器输出；d.不用电解质溶液，而用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电解质等材料制作传感器。/ppstrong表1 各种电化学式气体传感器的比较/strong/ptable cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"tbodytr class="firstRow"td style="border-width: 1px medium border-style: solid none border-color: rgb(79, 129, 189) currentcolor padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"种类/span/strong/p/tdtd style="border-width: 1px medium border-style: solid none border-color: rgb(79, 129, 189) currentcolor padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"现象/span/strong/p/tdtd style="border-width: 1px medium border-style: solid none border-color: rgb(79, 129, 189) currentcolor padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"传感器材料/span/strong/p/tdtd style="border-width: 1px medium border-style: solid none border-color: rgb(79, 129, 189) currentcolor padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"特点/span/strong/p/td/trtrtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"恒电位电解式/span/strong/p/tdtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"电解电流/span/p/tdtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"气体扩散电极，电解质水溶液/span/p/tdtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"通过改变气体电极，电解质水溶液，电极电位等可测量CO、Hsub2/subS、HOsub2/sub、SOsub2/sub、HCl等/span/p/td/trtrtd style="border: medium none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"离子电极式/span/strong/p/tdtd style="border: medium none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"电极电位变化/span/p/tdtd style="border: medium none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"离子选择电极，电解质水溶液，多孔聚四氟乙烯膜/span/p/tdtd style="border: medium none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"选择性好，可测量NHsub3/sub、HCN、Hsub2/subS、SOsub2/sub、COsub2/sub等气体/span/p/td/trtrtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"电量式/span/strong/p/tdtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"电解电流/span/p/tdtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"贵金属正负电极，电解质水溶液，多孔聚四氟乙烯膜/span/p/tdtd style="border: medium none background: rgb(211, 223, 238) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"选择性好，可测量Clsub2/sub、NHsub3/sub、Hsub2/subS等/span/p/td/trtrtd style="border-width: medium medium 1px border-style: none none solid border-color: currentcolor currentcolor rgb(79, 129, 189) -moz-border-top-colors: none -moz-border-right-colors: none -moz-border-bottom-colors: none -moz-border-left-colors: none border-image: none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"strongspan style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"固体电解质式/span/strong/p/tdtd style="border-width: medium medium 1px border-style: none none solid border-color: currentcolor currentcolor rgb(79, 129, 189) -moz-border-top-colors: none -moz-border-right-colors: none -moz-border-bottom-colors: none -moz-border-left-colors: none border-image: none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"测定电解质浓度差产生的电势/span/p/tdtd style="border-width: medium medium 1px border-style: none none solid border-color: currentcolor currentcolor rgb(79, 129, 189) -moz-border-top-colors: none -moz-border-right-colors: none -moz-border-bottom-colors: none -moz-border-left-colors: none border-image: none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"固体电解质/span/p/tdtd style="border-width: medium medium 1px border-style: none none solid border-color: currentcolor currentcolor rgb(79, 129, 189) -moz-border-top-colors: none -moz-border-right-colors: none -moz-border-bottom-colors: none -moz-border-left-colors: none border-image: none padding: 0px 7px " width="142" valign="top"p style="text-align:left"span style=" font-family:' 微软雅黑' ,' sans-serif' color:#365F91"适合低浓度测量，需要基准气体，耗电，可测量COsub2/subsub、/subNOsub2/sub、Hsub2/subS等/span/p/td/tr/tbody/tablep表1汇集了各类电化学气体传感器的种类、检测原理所用材料与特点。/pp2.1 恒电位电解式气体传感器/pp　　恒电位电解式气体传感器的原理是：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。对于特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随电解时作用电极的材质、电解质的种类不同而变化。电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示：/pp　　　　I=(nfADC)/ σ/pp　　式中：I-电解电流；n-1mol气体产生的电子数；f-法拉第常数；A-气体扩散面积；D-扩散系数；C-电解质溶液中电解的气体浓度；σ-扩散层的厚度。/pp　　在统一传感器中，n、f、A、D及σ是一定的，电解电流与气体浓度成正比。/pp　　自20世纪50年代出现CIDK电极以来，控制电位电化学气体传感器在结构、性能和用途等方面都得到了很大的发展。20世纪70年代初，市场上就有了31检测器。有先后出现了CO、Nsubx/subOsubY/sub（氮氧化物）、Hsub2/subS检测仪器等产品。这些气体传感器灵敏度是不同的，一般是Hsub2/subS NO NOsubb/sub Sq CO，响应时间一般为几秒至几十秒，大多数小于1min；他们的寿命相差很大，短的只有半年，有的CO监测仪实际寿命已近10年。影响这类传感器寿命的主要因素为：电极受淹、电解质干枯、电极催化剂晶体长大、催化剂中毒和传感器使用方法等。/pp　　以CO气体监测为例来说明这种传感器隔膜工作电极对比电极的结构和工作原理。在容器内的相对两壁，安置作用电极h’和对比电极，其内充满电解质溶液构成一密封结构。瓦在化田由极3g对冲由极AnljI进行恒定电位差而构成恒压电路。此时，作用电极和对比电极之间的电流是I，恒电位电解式气体传感器的基本构造根据此电流值就可知CO气体的浓度。这种方式的传感器可用于检测各种可燃性气体和毒气，如Hsub2/subS、NO、NOsubb/sub、Sq、HCl、Clsub2/sub、PHsub3/sub等，还能检测血液中的氧浓度。/pp2.2离子电极式气体传感器/pp　　离子电极式气体传感器的工作原理是：气态物质溶解于电解质溶液并离解，离解生成的离子作用于离子电极产生电动势，将此电动势取出以代表气体浓度。这种方式的传感器是有作用电极、对比电极、内部溶液和隔膜等构成的。/pp　　现以检测NHsub3/sub传感器为例说明这种气体传感器的工作原理。作用电极是可测定pH的玻璃电极，参比电极是A8从姐电极，内部溶液是NIkCE溶液。NEACt离解，产生铵离子NHsub4/subsup+/sup，同时水也微弱离解，生成氢离子Hsup+/sup，而NH4sup+/sup与Hsup+/sup保持平衡。将传感器侵入NHsub3/sub中，NHsub3/sub将通过隔膜向内部渗透，NHsub3/sub增加，而Hsup+/sup减少，即pH 增加。通过玻璃电极检测此PH的变化，就能知道NHsub3/sub浓度。除NHsub3/sub外，这种传感器海能检测HCN（氰化氢）、Hsub2/subS、Sq、C0sub2/sub等气体。/pp　　离子电极式气体传感器出现得较早，通过检测离子极化电流来检测气体的体积分数，电化学式气体传感器主要的有点是检测气体的灵敏度高、选择性好。/pp2.3电量式气体传感器/pp　　电量式气体传感器的原理是：被测气体与电解质溶液反应生成电解电流，将此电流作为传感器输出，来检测气体浓度，其作用电极、对比电极都是Pt电极。/pp　　现以检测C12为例来说明这种传感器的工作原理。将溴化物MBr（M是一价金属）水溶液介于两个铂电极之间，其离解成比，同时水也离解成Hsup+/sup，在两铂电极间加上适当电压，电流开始流动，后因Hsup+/sup反应产生了Hsub2/sub ，电极间发生极化，发生反应，其结果，电极部分的Hsub2/sub被极化解除，从而产生电流。该电流与Hsub2/sub浓度成正比，所以检测该电流就能检测Clsub2/sub浓度。除Clsub2/sub外，这种方式的传感器还可以检测NHsub2/sub、Hsub2/subS等气体。/ppstrong3.传感器的检测/strong/pp　　电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器。可控电解式传感器是通过检测电解时流过的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测CO、NO、NOsub2/sub、Osub2/sub、SOsub2/sub等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过检测离子极化电流来检测气体的体积分数。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。/pp　　综上所述，不同种类的气体传感器适用于不同气体检测与控制的需求，随着现代工业的发展，尤其是绿色环保理念的不断加强，气体传感器技术的开发应用必将具有非常广阔的发展前景。两电极电化学CO传感器，是近年来研究的热点，属于国际上先进的传感器技术，通过实验研究，在电极、过滤层、电解质等材料选择和结构的设计中，攻克了影响传感器寿命的诸多技术难题，研制成功了具有实用意义的新型CO传感器，它必将在CO气体检测领域发挥积极的作用。/p

压力是工业生产中的重要参数，如高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。伴随经济、技术的进步，压力测试在实际的生产工作中发挥着至关重要的左右，为生产活动提供了大量有价值的参考信息，使生产和科研活动的质量和效率都得到了实质性的提升。而压力测量仪表是用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表，又称压力表或压力计。压力测量仪表按工作原理分为液柱式、弹性式、负荷式和电测式等类型。类别原理仪器种类液柱式根据流体静力学原理，将检测压力转换成液柱高度进行测量U形管压力计、单管压力计、斜管压力汁等弹性式利用各种形式的弹性元件，在被测介质的作用下,使弹性元件受压后产生弹性形变的原理弹簧管压力计、波纹管压力计及膜片式压力计等电测式将压力转换成电信号进行传输及显示电阻式压力计、电容式压力计、压电式压力计和压磁式压力计等负荷式直接按照压力的定义制作。这类压力计误差很小，主要作为基准仪表使用常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计仪器信息网特盘点各类常见压力检测仪器，以供读者参考。液柱式压力计 液柱式压力计是利用液柱所产生的压力与被测压力平衡,并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计。所用的液体叫封液——水,酒精,水银等. 液柱式压力计结构简单，灵敏度和精确度都高，常用于校正其他类型压力计，应用比较广泛。液柱式压力计按照结构形式可大致分为U形管压力计、单管压力计、斜管压力汁等。U形管压力计是根据流体静力学原理用一定高度的液柱所产生的静压力平衡被测压力的方法来测量正压、差压和负压既真空度的。由于其结构简单、坚固耐用、价格低廉、使用寿命长若无外力破坏几乎可永久使用、读取方便、数据可靠、无需外接电力既无需消耗任何能源。故在工业生产各科研过程中得到非常广泛的应用，广泛用于测量风机和鼓风机的压力、过滤器阻力、风速、炉压、孔压差、气泡水位、液体放大器或液压系统压力等，也可用于燃烧过程中的气比控制和自动阀门控制，以及医疗保健设备中的血压和呼吸压力监测。斜管压力计 在测量微小压差时，由于h值较小，用U形管或单管液柱式压力计测量时的相对误差极大，此时可休用斜管式压力计，斜管式压力计分墙挂式和台式两种。　　在许多实验中往往需要同时测量多点的压力，例如压力分布实验。这时就要采用多管式压力计，多管式压力计的工作原理与斜管压力计相同，实际就是多根斜管压力计，由于多管压力计各测压管的内径不可能一样，因此，由毛细现象所造成的各测压管的初读数也不一致，测量前必须读出每根测压管的初读数，并作适当的修正。弹簧管压力计 弹簧管压力计又称波登管压力计。它是一种常见的也是应用最广泛的工程仪表，主要组成部分为一弯成圆弧形的弹簧管，管的横切面为椭圆形，作为测量元件的弹簧管一端固定起来，通过接头与被测介质相连，另一端封闭，为自由端，自由端借连杆与扇形齿轮相连，扇形齿轮又和机心齿轮咬合组成传动放大装置。当被测压的流体引入弹簧管时，弹簧管壁受压力作用而使弹簧管伸张，使自由端移动，其移动距离与压力大小成正比，或者带动指针指示出被测压力数值，适用于对铜合金不起腐蚀作用的气体和液体。波纹管压力计 波纹管压力计的波纹管由金属片折皱成手风琴风箱状，当波纹管轴向受压时，由于伸缩变形产生较大的位移，故一般可在其自由端安装传动机构，带动指针直接读数，从而测量出介质压力。波纹管压力计可广泛应用于石油、化工、矿山、机械、电力及食 品行业，直接测量不结晶体，有腐蚀性的气体、液体的压力。波纹管压力计的特点是低压区灵敏度高，常用于低压测量，但迟滞误差大，压力位移线性度差，精度一般只能达到1.5级，常在其管内安装线性度较好的螺旋弹簧。膜片式压力计 膜片压力计适用于测量无爆炸危险、不结晶、不凝固、有较高粘度，但对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力。 膜片压力计耐腐蚀性能取决于膜片材料。不锈钢耐腐膜片压力计的导压系统和外壳等均为不锈钢，具有较强的耐腐蚀性能。主要用于化学、石油、纺织工业对气体、液体微小压力的测量，尤其适用于腐蚀性强、粘稠介质（非凝固非结晶）的微小压力测量。 膜片压力计的工作原理是基于弹性元件(测量系统上的膜片)变形。在被测介质的压力作用下，迫使膜片产生相应的弹性变形——位移，借助连杆组经传动机构的传动并予放大，由固定于齿轮上的指针将被测值在度盘上指示出来。压阻式压力计 压阻式压力计是基于单晶硅的压阻效应而制成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号。 具体来讲，当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍 压阻式压力计是电阻式压力计的一种。采用金属电阻应变片也可制成压力计，测量原理以金属的应变效应为主。电容式压力传感器 电容式压力传感器，是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力计。特点是，输入能量低，高动态响应，自然效应小，环境适应性好。 电容式压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。压电式压力传感器 压电式压力传感器是基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。 这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。压磁式压力传感器 压磁式压力传感器是利用铁磁材料的压磁效应制成的，即利用其将压力的变化转化成导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁式的优点很多，如输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强、便于制造、经济实用，可用在给定参数的自动控制电路中，但测量精度一般，频响较低。 所谓压磁效应就是在外力作用下，铁磁材料内部发生应变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴磁化强度矢量转动，因而铁磁材料的磁化强度也发生相应的变化，这种由于应力使铁磁材料磁化强度变化的现象，称为压磁效应。 若某一铁磁材料上绕有线圈，在外力的作用下，铁磁材料的导磁率发生变化，则会引起线圈的电感和阻抗变化。当铁磁材料上同时绕有激磁绕组和测量绕组时，导磁率的变化将导致绕组间耦合系数的变化，从而使输出电势发生变化。通过相应的测量电路，就可以根据输出的量值来衡量外力的作用。霍尔式压力计 霍尔式压力计是利用霍尔效应制成的压力测量仪器。当被测压力引入后，弹簧管自由端产生位移，从而带动霍尔片移动，改变了施加在霍尔片上的磁感应强度，依据霍尔效应进而转换成霍尔电势的变化，达到了压力一位移一霍尔电势的转换。 霍尔压力计应垂直安装在机械振动尽可能小的场所，且倾斜度小于3°。当介质易结晶或黏度较大时，应加装隔离器。通常情况下，以使用在测量上限值1/2左右为宜，且瞬间超负荷应不大于测量上限的二倍。由于霍尔片对温度变化比较敏感，当使用环境温度偏离仪表规定的使用温度时要考虑温度附加误差，采取恒温措施（或温度补偿措施）。此外还应保证直流稳压电源具有恒流特性，以保证电流的恒定。活塞式压力计 活塞式压力计又称为静重式压力计，是利用流体静力平衡原理及帕斯卡定律工作的的一种高准确度、高复现性和高可信度的标准压力计量仪器。 流体静力平衡是通过作用在活塞系统的力值与传压介质产生的反作用力相平衡实现的。活塞系统由活塞和缸体（活塞筒）组成，二者形成极好的动密封配合。活塞的面积（有效面积）是已知的，当已知的力值作用在活塞一端时，活塞另一端的传压介质会产生与已知力值大小相等方向相反的力与该力相平衡。由此，可以通过作用力值和活塞的有效面积计算得到系统内传压介质的压力。在实际应用中，力值通常由砝码的质量乘以使用地点的重力加速度得到。 活塞式压力计也常简称活塞压力计或压力计，也有称之为压力天平，主要用于计量室、实验室以及生产或科学实验环节作为压力基准器使用，也有将活塞式压力计直接应用于高可靠性监测环节对当地其它仪表的表决监测。浮球式压力计 浮球式压力计是以压缩空气或氮气作为压力源，以精密浮球处于工作状态时的球体下部的压力作用面积为浮球有效面积的一种气动负荷式压力计。 压缩空气或氮气通过流量调节器进入球体的下部，并通过球体和喷嘴之间的缝隙排入大气。在球体下部形成的压力将球体连同砝码向上托起。当排除气体流量等于来自调节器的流量时，系统处于平衡状态。这时，球体将浮起一定高度，球体下部的压力作用面积（即浮球的有效面积）也就一定。由于球体下部的压力通过压力稳定器后作为输出压力，因此输出压力将与砝码负荷成比例。钟罩式压力计 钟罩式压力计的作用原理，是直接从压强定义出发，用一台天平对压力在液封受力器上 的垂直作用力F进行测定。这个受力器是一只几何形状有一定要求的钟罩，根据对钟罩几何 尺寸的精密测量和理论分析，求出其受力有效面积S后，待测压强p可由公示p=F/S求出。 因为钟罩式压力计有独特的结构原理，并具有、足够高的精度，这就可以通过与其他基准压力仪器比对，发现未知的系统误差。同时，钟罩式压力计在测量压强差时，其单端静压强可以根据需要调整，直至单端压强为零，即可以测量绝对压强。另外，该仪器还具有操作简单、受外界干扰小等优点。在高新科技快速发展的现今，静态的压力测量方法已获得了较大的优化，成为了各领域中常用的测量体系，并逐渐朝着动态的压力校准趋势发展。由此，相关技术人员针对压力计量检测方法的进步展开了深入的探究。简而言之，压力计量检测的未来趋势表现在测试精度等级、测试响应速率、测试可靠性与智能化水平这几个方面的提高。比如，在活塞式仪表测试中融进了智能加码与操作部位激光监测方法，如此不仅提升了检测效率，并且提高了测试的精准性，同时为绝压式仪表与活塞式仪表智能测试体系的进步打下了良好的基础。针对数字式仪表及压力变送器和压力传感器等设备的量传任务有了精良的全智能压力控制其能够用作量传标准，利用1台控制器配置若干个压力模块能够操作许多量程范围，随意确定测试点的高精度检测任务，而且能够选用气介质来工作，如此防止了采用液体介质在检测压力时引起的诸多问题，大幅度提升了数字式仪器的测试效率与智能化程度。

所谓气体传感器，是指用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和/或能连续测量气体成分浓度的传感器。在煤矿、石油、化工、市政、医疗、交通运输、家庭等安全防护方面，气体传感器常用于探测可燃、易燃、有毒气体的浓度或其存在与否，或氧气的消耗量等。气体传感器主要用于针对某种特定气体进行检测，测量该气体在传感器附近是否存在，或在传感器附近空气中的含量。因此，在安全系统中，气体传感器通常都是不可或缺的。从工作原理、特性分析到测量技术，从所用材料到制造工艺，从检测对象到应用领域，都可以构成独立的分类标准，衍生出一个个纷繁庞杂的分类体系，尤其在分类标准的问题上目前还没有统一，要对其进行严格的系统分类难度颇大。气体传感器的分类从检测气体种类上，通常分为可燃气体传感器（常采用催化燃烧式、红外、热导、半导体式）、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导 体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）、氧气（常采用顺磁式、氧化锆式）等其它类传感器。从使用方法上，通常分为便携式气体传感器和固定式气体传感器。从获得气体样品的方式上，通常分为扩散式气体传感器（即传感器直接安装在被测对象环境中，实测气体通过自然扩散与传感器检测元件直接接触）、吸入式气体传感器（是指通过使 用吸气泵等手段，将待测气体引入传感器检测元件中进行检测。根据对被测气体是否稀释，又可细分为完全吸入式和稀释式等）。从分析气体组成上，通常分为单一式气体传感器（仅对特定气体进行检测）和复合式气体传感器（对多种气体成分进行同时检测）。按传感器检测原理，通常分为热学式气体传感器、电化学式气体传感器、磁学式气体传感器、光学式气体传感器、半导体式气体传感器、气相色谱式气体传感器等。先来了解一下气体传感器的特性：1、稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。2、灵敏度灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制或爆炸限的百分比的检测要有足够的灵敏性。3、选择性选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。4、抗腐蚀性抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到优。接下来是关于不同气体传感器的检测原理、特点和用途：一、半导体式气体传感器根据由金属氧化物或金属半导体氧化物材料制成的检测元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化而进行气体浓度测量的。从作用机理上可分为表面控制型（采用气体吸附于半导体表面而产生电导率变化的敏感元件）、表面电位型（采用 半导体吸附气体后产生表面电位或界面电位变化的气体敏感元件）、体积控制型（基于半导体与气体发生反应时体积发生变化，从而产生电导率变化的工作原理） 等。可以检测百分比浓度的可燃气体，也可检测ppm级的有毒有害气体。优点：结构简单、价格低廉、检测灵敏度高、反应速度快等。不足：测量线性 范围较小，受背景气体干扰较大，易受环境温度影响等。二、固体电解质气体传感器固体电解质是一种具有与电解质水溶液相同的离子导电特性的固态物质，当用作气体传感器时，它是一种电池。它无需使气体经过透气膜溶于电解液中，可以避免溶液蒸发和电极消耗等问题。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，几乎在石化、环保、矿业、食品等各个领域都得到了广泛的应用，其重要性仅次于金属—氧化物一半导体气体传感器。这种传感器介于半导体气体传感器和电化学气体传感器之间，选择性、灵敏度高于半导体气体传感器，寿命长于电化学气体传感器，因此得到广泛应用。这种传感器的不足之处是响应时间过长。三、催化燃烧式气体传感器这种传感器实际上是基于铂电阻温度传感器的一种气体传感器，即在铂电阻表面制备耐高温催化剂层，在一定温度下，可燃气体在表面催化燃烧，因此铂电阻温度升高，导致电阻的阻值变化。由于催化燃烧式气体传感器铂电阻外通常由多孔陶瓷构成陶瓷珠包裹，因此这种传感器通常也被称为催化珠气体传感器。理论上这种传感器可以检测所有可以燃烧的气体，但实际应用中有很多例外。这种传感器通常可以用于检测空气中的甲烷、LPG、丙酮等可燃气体。四、电化学气体传感器电化学气体传感器是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出对象气体浓度的探测器。包含原电池型气体传感器、恒定电位电解池型气体传感器、浓差电池型气体传感器和极限电流型气体传感器。1、原电池型气体传感器（也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器），他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器可以有效地检测氧气、二氧化硫等。2、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正的库仑分析（根据电解过程中消耗的电量，由法拉第定律来确定被测物质含量）传感器。这种传感器用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害气体检测的主流传感器。3、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。4、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧（气）浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧浓度检测。主要优点：体积小，功耗小，线性和重复性较好，分辨率一般可以达到0.1ppm，寿命较长。主要不足：易受干扰，灵敏度受温度变化影响较大。五、PID——光离子化气体传感器PID由紫外光源和气室构成。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物，PID对挥发性有机化合物灵敏度很高。六、热学式气体传感器热学式气体传感器主要有热导式和热化学式两大类。热导式是利用气体的热导率，通过对其中热敏元件电阻的变化来测量一种或几种气体组分浓度的。其在工业界的应用已有几十年的历史，其仪表类型较多，能分析的气体也较广泛。热化学式是基于被分析气体化学反应的热效应，其中广泛应用的是气体的氧化反应（即燃烧），其典型为催化燃烧式气体传感器，其主要工作原理是在一定温度下，一些金属氧化物半导体材料的电导率会跟随环境气体的成份变化而变化。其关键部件为涂有燃烧催化剂的惠斯通电桥，主要用于检测可燃气体，如煤气发生站、制气厂用来分析空气中的CO、H2 、C2H2等可燃气体，采煤矿井用于分析坑道中的CH4含量，石油开采船只分析现场漏泄的甲烷含量，燃料及化工原料保管仓库或原料车间分析空气中的石油蒸 气、酒精乙醚蒸气等。七、红外气体传感器一个完整的红外气体传感器由红外光源、光学腔体、红外探测器和信号调理电路构成。这种传感器利用气体对特定频率的红外光谱的吸收作用制成。红外光从发射端射向接收端，当有气体时，对红外光产生吸收，接收到的红外光就会减少，从而检测出气体含量。目前较先进的红外式采用双波长、双接收器，使检测更准确、可靠。优点：选择性好，只检测特定波长的气体，可以根据气体定制；采用光学检测方式，不易受有害气体的影响而中毒、老化；响应速度快、稳定性好；利用物理特性，没有化学反应，防爆性好；信噪比高，抗干扰能力强；使用寿命长；测量精度高。缺点：测量范围窄；怕灰尘、潮湿，现场环境要好，需要定期对反射镜面上的灰尘进行清洁维护；现场有气流时无法检测；价格较高。八、磁学式气体分析传感器在磁学式气体分析传感器中，常见的是利用氧气的高磁化特性来测量氧气浓度的磁性氧量分析传感器，利用的是空气中的氧气可以被强磁场吸引的原理。其氧量的测量范围宽，是一种十分有效的氧量测量传感器。常用的有热磁对流式氧量分析传感器（按构成方式不同，又可细分为测速热磁式、压力平衡热磁式）和磁力机械式氧量分析传感器。主要用途：用于氧气的检测，选择性极好，是磁性氧气分析仪的核心。其典型应用场合有化肥生 产、深冷空气分离、火电站燃烧系统、天然气制乙炔等工业生产中氧的控制和连锁，废气、尾气、烟气等排放的环保监测等。九、气相色谱式分析仪基于色谱分离技术和检测技术，分离并测定气样中各组分浓度，因此是全分析传感器。在发电厂锅炉试验中，已有应用。工作时，从进样装置定期采取一定容积的气样，在流量一定的纯净载气（即流动相）携带下，流经色谱柱，色谱柱中装有称为固定相的固体或液体，利用固定相对气样各组分的吸收或溶解能力的不同，使各组分在两相中反复进行分配，从而使各组分分离，并按时间先后流出色谱柱进入检测器进行定量测定。根据检测原理，气相色谱式分析仪又细分为浓度型检测器和质量型检测器两种。浓度型检测器测量的是气体中某组分浓度瞬间的变化，即检测器的响应值和组分的浓度成正比。质量型检测器测量的是气体中某组分进入检测器的速度变化，即检测器的响应值和单位时间进入检测器某组分的量成正比。常用的检测器有TCD热导检测器、FLD氢火焰离子化检测器、HCD电子捕获检测器、FPD火焰光度检测器等。优点：灵敏度高，适合于微量和痕量分析，能分析复杂的多相分气体。不足：定期取样不能实现连续进样分析，系统较为复杂，多用于 试验室分析用，不太适合工业现场气体监测。十、其他气体传感器1.超声波气体探测器这种气体探测器比较特殊，其原理是当气体通过很小的泄漏孔从高压端向低压端泄漏时，就会形成湍流，产生振动。典型的湍流气流会在差压高于0.2MPa时变成因素，超过0.2MPa就会产生超声波。湍流分子互相碰撞产生热能和振动。热能快速分散，但振动会被传送到相当远的距离。超声波探测器就是通过接收超声波判断是否有空气泄漏。这类探测器通常用于石油和天然气平台、发电厂燃气轮机、压缩机以及其它户外管道。2.磁氧分析仪这种气体分析仪是基于氧气的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象，测量混合气体中氧气的一种物理气体分析设备。这种设备适合自动检测各种工业气体中的氧气含量，只能用于氧气检测，选择性极好。

一、燃气表行业背景分析近年来，我国加快推进“煤改气”工程建设，天然气已经成为我国现代清洁能源体系的主体能源之一。到2020年，天然气在一次能源消费结构中的占比力争达到10%左右，到 2030 年，占比提高到15%左右。在这些燃气迅速发展的利好消息促进下，燃气计量行业将迎来巨大的发展契机。膜式燃气表因其技术成熟、质量稳定和价格低廉等优点，在我国城市燃气发展中得到广泛应用，随着计算机和微电子技术的发展，膜式表也逐步实现了智能化，目前在燃气计量行业仍然占据着主导地位。但膜式燃气表结构复杂、易磨损、易受管道介质温度压力等客观因素的影响，导致测量精度降低。热式（MEMS）燃气表是利用热传递原理测量燃气标准状况下流量的一种新型燃气计量器具，采用全电子结构，无机械运转部件，体积小、精度高。虽然可以针对特定天然气组分进行修正，但是从原理上还是易受多种不同气体组分影响，温度的影响修正也相对复杂，同时长期的污染物沉积使得MEMS芯片响应变慢影响精度，使得其应用受到限制。超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度和可结合更多的智能化应用等优势，引起国内外的高度重视，是近年来燃气计量领域的开发热点。 二、超声波燃气表的研究与应用现状其实早在上世纪九十年代，英国、德国等国的多家燃气公司已陆续开发了超声波燃气表。受当时超声波探头、计时芯片、电子技术等的因素限制，价格还是非常高昂，无法与传统膜式燃气表竞争。进入二十世纪后，超声波燃气表的关键部件价格大大降低，迎来了超声波燃气表的快速发展。日本东京燃气公司于2003年7月开展了超声波燃气表的各种现场测试，于2005年率先安装了5000台超声波燃气表至用户家中，在2008年全面使用超声波燃气表。目前国际上的超声波燃气表技术主要来源于松下、西门子等公司，他们在超声波领域深耕多年，从流道结构、软件算法、超声波换能器及模块到整机，都有着诸多专利。虽然国内现有多家燃气表公司已开始研发超声波燃气表，但是大多数厂家还是使用松下的超声波燃气表传感器方案，也就是购买松下的电路板和超声波探测器，自己配套外壳组装成超声波燃气表。这样的模式使得国内厂家生产的超声波燃气表价格偏高，市场推广受到限制。我国燃气表产业生态已经基本建立，因此积极开展自主知识产权、可以满足燃气表规范要求的超声波气体流量传感器的技术研究，对于打破国外技术垄断、促进我国燃气表转型升级发展具有重要意义。 三、超声波燃气表用气体流量传感器核心关键（1）超声波换能器的自主研制。目前满足超声波燃气表计量要求的核心部件的超声波换能器基本都是进口，价格占总成本的40%。国产化的难点是其带宽以及高低温特性，既要保证较长的测试距离提高测试分辨率、较高灵敏度提高信噪比，还需要考虑不同温度下的测试漂移。 （2）燃气表的性能和稳定性问题。超声波燃气表由于无机械部件，理论上稳定性较传统膜式表要高很多，但膜式表在国内多年的使用中，已广泛被燃气表公司和客户接受。超声波燃气表如何在稳定性上达到燃气表公司的需求，打消燃气表公司的顾虑，是超声波燃气表迈向市场化的非常重要的一关。（3）气体污染问题。与膜式燃气表一样，由于超声波燃气表的常年运行，燃气中的粉尘或杂质会附着在超声波换能器上，影响换能器对信号的接收敏感度，从而影响燃气表测量准确度。（4）气源适应性问题。天然气密度比空气小，信号也较空气小；不同密度的气体通过超声波换能器后，其信号的波形会很不稳定。超声波信号传输会受传播介质、环境（温度、湿度、压力）以及管道内反射等各种因素影响，接收到的超声波信号通常存在着波形变化、幅值变化。因此，家用波燃气表要想进入家庭，并广泛使用，对气源的适应性是需要克服的最重要一关。 四、超声波燃气表用气体流量传感器技术特点四方光电公司自2008年开展对超声波气体传感器的研究以来，通过在超声波换能器、时间计量芯片以及时差自动计算方法、流程成分同时感知等领域取得突破，特别是在超声波氧气流量传感器、超声波沼气流量计等领域实现了规模化生产应用，具有较好的技术和产业基础。针对家用燃气表需要的超宽量程比、宽温度范围、抗污能力、脉动气流测量等特殊要求，开发成功满足超声波燃气表用的超声波气体流量传感器。（1）“L”型流道结构设计。超声波燃气表用超声波气体流量传感器采用“L”型流道设计，包括腔体、进气口、出气口及两个超声波换能器，通过将气室腔体的横截面设置为圆形，将超声波信号在第一个换能器安装孔和第二换能器安装孔之间的传播路径设置为“L”型流道，如图1所示。 图1. 燃气表用超声波气体流量传感器结构原理图传统超声波燃气表气体流量计量气室的“W”型发射流道，“V”型对射单通单流道以及“N”型对射单通单流道，都是通过超声波在流道内产生一次或多次反射而形成的路径以增加超声波声程，间接增大了换能器的有效距离，从而获得更高测量精度。但其缺点是通过反射后探测器信号较弱，信噪比降低，对换能器的要求很高。因此造成成本也较高。采用“L”型流道、圆形横截面的超声波燃气模块，克服了现有超声波燃气表气体流量计量气室管道的横截面积较大，气室体积较大，成本较高的问题，以及两个超声波换能器之间传播距离较短，降低测量结果准确性的问题。同时，还避免了被测气体中的污染物污染超声波换能器，从而影响检测结果准确性的问题。（2）用双阈值过零检测与数据选择技术。以时差法超声波气体流量计为基础，采用双阈值过零检测与数据选择算法技术，区别于超声波自动增益控制法，不对信号进行处理，通过关联幅值与飞行时间周期变化的关系，根据幅值判断飞行时间是否发生周期性变化，从实际测量得到多个结束方波脉冲对应的时间值中选择合适的结果，作为最终的飞行时间，从而精确计算气体流量。（3）自动调零算法。燃气表在温度、压力等外部因素变化条件下，对超声信号产生一定的影响，从而影响计量的时间差；此产生的时间差变化，可能只有ns级别，对高端流量几乎没影响；但对于低端流量，特别是Qmin，影响非常大，造成测量精度超过标准要求。另外，燃气表在无流量情况下的零点，可能受到超声波换能器零点的漂移影响，产生整体计量的漂移，对低端流量造成较大的影响，这是低端流量精度和稳定性超标最重要的原因。针对超声波换能器的零点漂移问题，在软件算法上，采用自动调零的处理算法，超声波燃气表采用可调整的零点，并根据超声波换能器的信号波动特点，软件上自动调整超声波燃气表的零点，保证在外部因素或内部因素作用下，超声波燃气表的零点随环境变化而适当做出调整，抵消由于零点漂移对低端流量产生的影响；同时，考虑电路整体对时间差值的影响，在软件算法上，补偿此部分对测量的影响。 五、超声波燃气表用气体流量传感器的应用基于专利的气体流量传感器硬件和软件核心技术，四方光电公司针对我国家用表以及五小工商户客户的需求，成功开发出超声波家用和商用燃气表。其核心传感器部件见图2：图2. 家用和商用超声波燃气表核心传感器部件解决核心燃气表气体流量传感器后，就可以利用以往具有的外壳、皮膜阀、电源管理等组装燃气表。图3是采用超声波核心流量传感器的G4燃气表。 图3. G4超声波燃气表(内置国产化核心流量传感器)根据燃气表的计量要求，进行了宽量程的燃气表误差特性以及耐久性实验。 图4. G4超声波燃气表典型误差曲线 图5. G4超声波燃气表耐久性误差曲线由于我国超声波燃气表的国家标准还处于征求意见稿阶段，因此借鉴了EN-14236欧洲有关“ultrasonic-domestic-gas-meters”标准进行完整的测试。除以上图示的基本试验，还进行了线性度、压损、高低温、交变湿热、耐粉尘、脉动流量等试验。试验表明基于超声波气体流量传感器核心模块的燃气表均满足燃气表的各项指标要求。作者简介熊友辉博士，教授级高工。中国科协九大代表、中国仪器仪表学会理事、分析仪器分会副理事长。主持过科技部重大科学仪器设备开发专项、工信部物联网专项、湖北省重大科技专项等多项国家和省市科技项目。现任武汉四方光电科技有限公司总经理。 公司简介武汉四方光电科技有限公司是一家专业从事气体传感器、气体分析仪器及物联网解决方案的国家高新技术企业，其全资子公司——四方仪器自控系统有限公司，以自主知识产权的核心传感器技术为依托，陆续推出了红外/紫外烟气分析仪、红外煤气分析仪、红外天然气热值仪、激光拉曼气体分析仪等气体成分分析仪器，并先后研制了超声波气体流量计、超声波燃气表核心传感器部件、智能超声波燃气表等燃气流量测量产品。四方光电通过了ISO9001、ISO14000、ISO18000、IATF16949等有关质量、环境、健康安全、汽车电子等体系认证，目前已与多家世界五百强企业建立长期配套合作关系。

2023年11月5日，2023世界传感器大会“MEMS智能传感器——先进技术分场活动”在郑州国际会展中心成功召开。来自智能传感器等领域专家学者、企业代表、新闻媒体近2000余人线上线下参加会议。会议由郑州市人民政府、河南省科学技术协会、沈阳仪表科学研究院有限公司、传感器国家工程研究中心、中国仪器仪表学会仪表元件分会、中国仪器仪表学会仪表工艺分会承办，郑州（国家）高新技术产业开发区管理委员会、郑州市科学技术协会、郑州众智科技股份有限公司协办。河南省科学技术协会副主席王继芬、郑州市人民政府副秘书长王举等领导出席会议并致辞。由沈阳仪表院院长助理、行业中心主任张阳主持。沈阳仪表院院长助理、行业中心主任张阳领导致辞中国工程院蒋庄德院士致开幕词。蒋院士回顾了MEMS智能传感器技术的发展历程，并鼓励中国传感器人在传感器产业细分领域不断攻坚克难、突破瓶颈，以国家战略需求为导向，加快实现高水平科技自立自强。中国工程院蒋庄德院士致开幕词中国科学院上海微系统与信息技术研究所李铁研究员作《微型全集成红外CO2气体传感器及其应用》主题报告，分享了红外二氧化碳气体传感器发展现状以及最新应用领域。传感器国家工程研究中心副总工程师、沈阳仪表院研发中心主任张春光作《大型模锻压机状态监测传感器关键技术研究》主题报告，介绍了压力传感器、位移传感器、振动传感器、粘度传感器在大型装备中应用的关键技术。西安交通大学赵立波教授聚焦压力传感器技术做《微纳特种压力传感器技术》专题报告。杭州师范大学传感技术中心钱正洪主任作《磁传感测量与数据融合处理技术》专题报告，从磁传感芯片的设计、信号测量与数据融合等方面作了详细的介绍。国防科技大学吴学忠教授作了《AI赋能MEMS传感器智能化发展新趋势》专题报告，从MEMS传感器智能化发展需求、技术途径、发展现状及趋势四个方面梳理了MEMS智能传感器技术发展方向。杭州晶华微电子股份有限公司副总经理赵双龙作了《智能传感器中国芯的方案》专题报告，分享了传感器信号调理芯片国产化方案。中科院上海微系统与信息技术研究所研究员李铁传感器国家工程研究中心副总工程师沈阳仪表院研发中心主任张春光西安交通大学教授赵立波杭州师范大学传感技术中心主任钱正洪国防科技大学教授吴学忠杭州晶华微电子股份有限公司副总经理赵双龙本次会议围绕MEMS智能传感器的前沿技术、产业趋势和热点问题等进行了深入研讨，来自不同领域的行业专家分享了传感器技术、产业和应用领域的最新研究成果，探讨了今后的发展方向。

传感器(Sensor)是一种常见的却又很重要的器件，它是感受规定的被测量的各种量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装置。对于传感器来说，按照输入的状态，输入可以分成静态量和动态量。我们可以根据在各个值的稳定状态下，输出量和输入量的关系得到传感器的静态特性。传感器的静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度和准确度等。传感器的动态特性则指的是对于输入量随着时间变化的响应特性。动态特性通常采用传递函数等自动控制的模型来描述。通常，传感器接收到的信号都有微弱的低频信号，外界的干扰有的时候的幅度能够超过被测量的信号，因此消除串入的噪声就成为了一项关键的传感器技术。　　物理传感器　　物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。作为例子，让我们看看比较常用的光电式传感器。这种传感器把光信号转换成为电信号，它直接检测来自物体的辐射信息，也可以转换其他物理量成为光信号。其主要的原理是光电效应：当光照射到物质上的时候，物质上的电效应发生改变，这里的电效应包括电子发射、电导率和电位电流等。显然，能够容易产生这样效应的器件成为光电式传感器的主要部件，比如说光敏电阻。这样，我们知道了光电传感器的主要工作流程就是接受相应的光的照射，通过类似光敏电阻这样的器件把光能转化成为电能，然后通过放大和去噪声的处理，就得到了所需要的输出的电信号。这里的输出电信号和原始的光信号有一定的关系，通常是接近线性的关系，这样计算原始的光信号就不是很复杂了。其它的物理传感器的原理都可以类比于光电式传感器。　　物理传感器的应用范围是非常广泛的，我们仅仅就生物医学的角度来看看物理传感器的应用情况，之后不难推测物理传感器在其他的方面也有重要的应用。　　比如血压测量是医学测量中的最为常规的一种。我们通常的血压测量都是间接测量，通过体表检测出来的血流和压力之间的关系，从而测出脉管里的血压值。测量血压所需要的传感器通常都包括一个弹性膜片，它将压力信号转变成为膜片的变形，然后再根据膜片的应变或位移转换成为相应的电信号。在电信号的峰值处我们可以检测出来收缩压，在通过反相器和峰值检测器后，种传感器外形我们可以得到舒张压，通过积分器就可以得到平均压。　　让我们再看看呼吸测量技术。呼吸测量是临床诊断肺功能的重要依据，在外科手术和病人监护中都是必不可少的。比如在使用用于测量呼吸频率的热敏电阻式传感器时，把传感器的电阻安装在一个夹子前端的外侧，把夹子夹在鼻翼上，当呼吸气流从热敏电阻表面流过时，就可以通过热敏电阻来测量呼吸的频率以及热气的状态。　　再比如最常见的体表温度测量过程，虽然看起来很容易，但是却有着复杂的测量机理。体表温度是由局部的血流量、下层组织的导热情况和表皮的散热情况等多种因素决定的，因此测量皮肤温度要考虑到多方面的影响。热电偶式传感器被较多的应用到温度的测量中，通常有杆状热电偶传感器和薄膜热电偶传感器。由于热电偶的尺寸非常小，精度比较高的可做到微米的级别，所以能够比较精确地测量出某一点处的温度，加上后期的分析统计，能够得出比较全面的分析结果。这是传统的水银温度计所不能比拟的，也展示了应用新的技术给科学发展带来的广阔前景。　　从以上的介绍可以看出，仅仅在生物医学方面，物理传感器就有着多种多样的应用。传感器的发展方向是多功能、有图像的、有智能的传感器。传感器测量作为数据获得的重要手段，是工业生产乃至家庭生活所必不可少的器件，而物理传感器又是最普通的传感器家族，灵活运用物理传感器必然能够创造出更多的产品，更好的效益。　　光纤传感器　　近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。光纤具有很多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区)，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。　　光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。　　所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身直接接收外界的被测量。外接的被测量物理量能够引起测量臂的长度、折射率、直径的变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生变化。测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干涉(比较)，使输出的光的相位(或振幅)发生变化，根据这个变化就可检测出被测量的变化。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位变化所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤圈，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。　　光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光能力发生很大的变化。声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感器的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体积小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮流量计的原理。　　另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的变化。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤相结合。光纤的导入使得实现探针化的遥测提供了可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，使用简便，但是精度比第一类传感器稍低。　　光纤在传感器家族中是后期之秀，它凭借着光纤的优异性能而得到广泛的应用，是在生产实践中值得注意的一种传感器。　　仿生传感器　　仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。这种传感器的特点是机能高、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。　　仿生传感器按照使用的介质可以分为：酶传感器、微生物传感器、细胞器传感器、组织传感器等。在图中我们可以看到，仿生传感器和生物学理论的方方面面都有密切的联系，是生物学理论发展的直接成果。在生体模拟的传感器中，尿素传感器是最近开发出来的一种传感器。下面就以尿素传感器为例子介绍仿生传感器的应用。　　尿素传感器，主要是由生体膜及其离子通道两部分构成。生体膜能够感受外部刺激影响，离子通道能够接收生体膜的信息，并进行放大和传送。当膜内的感受部位受到外部刺激物质的影响时，膜的透过性将产生变化，使大量的离子流入细胞内，形成信息的传送。其中起重要作用的是生体膜的组成成分膜蛋白质，它能产生保形网络变化，使膜的透过性发生变化，进行信息的传送及放大。生体膜的离子通道，由氨基酸的聚合体构成，可以用有机化学中容易合成的聚氨酸的聚合物(L一谷氨酸，PLG)为替代物质，它比酶的化学稳定性好。PLG是水溶性的，本不适合电机的修饰，但PLG和聚合物可以合成嵌段共聚物，形成传感器使用的感应膜。　　生体膜的离子通道的原理基本上与生体膜一样，在电极上将嵌段共聚膜固定后，如果加感应PLG保性网络变化的物质，就会使膜的透过性发生变化，从而产生电流的变化，由电流的变化，便可以进行对刺激性物质的检测。　　尿素传感器经试验证明是稳定性好的一种生体模拟传感器，检测下限为10的负3次方的数量级，还可以检测刺激性物质，但是暂时还不适合生体的计测。　　目前，虽然已经发展成功了许多仿生传感器，但仿生传感器的稳定性、再现性和可批量生产性明显不足，所以仿生传感技术尚处于幼年期，因此，以后除继续开发出新系列的仿生传感器和完善现有的系列之外，生物活性膜的固定化技术和仿生传感器的固态化值得进一步研究。　　在不久的将来，模拟生体功能的嗅觉、味觉、听觉、触觉仿生传感器将出现，有可能超过人类五官的敏感能力，完善目前机器人的视觉、味觉、触觉和对目的物进行操作的能力。我们能够看到仿生传感器应用的广泛前景，但这些都需要生物技术的进一步发展，我们拭目以待这一天的到来。　　红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：(1)辐射计，用于辐射和光谱测量 (2)搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪 (3)热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象 (4)红外测距和通信系统 (5)混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。　　红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。　　热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。　　电磁传感器　　磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器，为了便于信号处理，需要磁传感器能将磁信号转化成为电信号输出。应用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。这种磁电式传感器曾在工业控制领域作出了杰出的贡献，但是到今天已经被以高性能磁敏感材料为主的新型磁传感器所替代。　　在今天所用的电磁效应的传感器中，磁旋转传感器是重要的一种。磁旋转传感器主要由半导体磁阻元件、永久磁铁、固定器、外壳等几个部分组成。典型结构是将一对磁阻元件安装在一个永磁体的刺激上，元件的输入输出端子接到固定器上，然后安装在金属盒中，再用工程塑料密封，形成密闭结构，这个结构就具有良好的可靠性。磁旋转传感器有许多半导体磁阻元件无法比拟一款电磁传感器的外形的优点。除了具备很高的灵敏度和很大的输出信号外，而且有很强的转速检测范围，这是由于电子技术发展的结果。另外，这种传感器还能够应用在很大的温度范围中，有很长的工作寿命、抗灰尘、水和油污的能力强，因此耐受各种环境条件及外部噪声。所以，这种传感器在工业应用中受到广泛的重视。　　磁旋转传感器在工厂自动化系统中有广泛的应用，因为这种传感器有着令人满意的特性，同时不需要维护。其主要应用在机床伺服电机的转动检测、工厂自动化的机器人臂的定位、液压冲程的检测、工厂自动化相关设备的位置检测、旋转编码器的检测单元和各种旋转的检测单元等。　　现代的磁旋转传感器主要包括有四相传感器和单相传感器。在工作过程中，四相差动旋转传感器用一对检测单元实现差动检测，另一对实现倒差动检测。这样，四相传感器的检测能力是单元件的四倍。而二元件的单相旋转传感器也有自己的优点，也就是小巧可靠的特点，并且输出信号大，能检测低速运动，抗环境影响和抗噪声能力强，成本低。因此单相传感器也将有很好的市场。　　磁旋转传感器在家用电器中也有大的应用潜力。在盒式录音机的换向机构中，可用磁阻元件来检测磁带的终点。家用录像机中大多数有变速与高速重放功能，这也可用磁旋转传感器检测主轴速度并进行控制，获得高画面的质量。洗衣机中的电机的正反转和高低速旋转功能都可以通过伺服旋转传感器来实现检测和控制。　　这种开关可以感应到进入自己检验区域的金属物体，控制自己内部电路的开或关。开关自己产生磁场，当有金属物体进入到磁场会引起磁场的变化。这种变化通过开关内部电路可以变成电信号。　　更加突出电磁传感器是一门应用很广的高新技术，国内、国外都投入了一定的科研力量在进行研究，这种传感器的应用正在渗透入国民经济、国防建设和人们日常生活的各个领域，随着信息社会的到来，其地位和作用必将。　　磁光效应传感器　　现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰，在交流测量时，频响不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求，在激光技术迅速发展的今天，已经能够解决上述的问题。　　磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光，是本世纪六十年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。现在，利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。　　比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。　　磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。　　自六十年代末开始，RC Lecraw提出有关磁光效应的研究报告后，引起大家的重视。日本，苏联等国家均开展了研究，国内也有学者进行探索。磁光效应的传感器具有优良的电绝缘性能和抗干扰、频响宽、响应快、安全防爆等特性，因此对一些特殊场合电磁参数的测量，有独特的功效，尤其在电力系统中高压大电流的测量方面、更显示它潜在的优势。同时通过开发处理系统的软件和硬件，也可以实现电焊机和机器人控制系统的自动实时测量。在磁光效应传感器的使用中，最重要的是选择磁光介质和激光器，不同的器件在灵敏度、工作范围方面都有不同的能力。随着近几十年来的高性能激光器和新型的磁光介质的出现，磁光效应传感器的性能越来越强，应用也越来越广泛。　　磁光效应传感器做为一种特定用途的传感器，能够在特定的环境中发挥自己的功能，也是一种非常重要的工业传感器。　　压力传感器　　压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。　　我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应 当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。　　压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。　　在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。　　压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。　　压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别压电传感器的外形是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器心乂　　也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。　　压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。　　除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。　　相关控制系统　　继电器控制　　继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。　　最常见的继电器要数热继电器，通常使用的热继电器适用于交流50Hz、60Hz、额定电压至660V、额定电流至80A的电路中，供交流电动机的过载保护用。它具有差动机构和温度补偿环节，可与特定的交流接触器插接安装。　　时间继电器也是很常用的一种继电器，它的作用是作延时元件，通常它可在交流50Hz、60Hz、电压至380V、直流至220V的控制电路中作延时元件，按预定的时间接通或分断电路。可广泛应用于电力拖动系统，自动程序控制系统及在各种生产工艺过程的自动控制系统中起时间控制作用。　　在控制中常用的中间继电器通常用作继电控制，信号传输和隔离放大等用途。此外还有电流继电器用来限制电流、电压继电器用来控制电压、静态电压继电器、相序电压继电器、相序电压差继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器、接地继电器、电动机保护继电器等等。正是有了这些不同类型的继电器，我们才有可能对不同的物理量作出控制，完成一个完整的控制系统。　　除了传统的继电器之外，继电器的技术还应用在其他的方面，比如说电机智能保护器是根据三相交流电动机的工作原理，分析导致电动机损坏的主要原因研制的，它是一种设计独特，工作可靠的多功能保护器，在故障出现时，能及时切断电源，便于实现电机的检修与维护，该产品具有缺相保护，短路、过载保护功能，适用于各类交流电动机，开关柜，配电箱等电器设备的安全保护和限电控制，是各类电器设备设计安装的优选配套产品。该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的双金属片式热继电器相同。是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子产品。继电器技术发展到现在，已经和计算机技术结合起来，产生了可编程控制器的技术。可编程控制器简称作PLC。它是将微电脑技术直接用于自动控制的先进装置。它具有可靠性高，抗干扰性强，功能齐全，体积小，灵活可扩，软件直接、简单，维护方便，外形美观等优点 以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行。　　而PLC控制器内部有几百个固态继电器，几十个定时器/计数器，具备停电记忆功能，输入输出采用光电隔离，控制系统故障仅为继电器控制方式的10%。正因为如此，国家有关部门已明文规定从97年起新产电梯不得使用继电器控制电梯，改用PLC微电脑控制电梯。　　可以看出，继电器技术在日常生活中无所不在，而且和电脑的紧密结合更加增强了它的活力，使得继电器为我们的生活更好地服务。　　液压传动控制系统　　液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质，来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。　　从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。　　液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作，所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵，它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵，在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。　　液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置，也就是把液压的能量转换称为机械能，从而对外做功。　　液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制，以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性，使得液压控制系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。　　除了上述的元件以外，液压控制系统还需要液压辅助元件。这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。通过以上的各个器件，我们就能够建设出一个液压回路。所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。根据不同的控制目标，我们能够设计不同的回路，比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。　　根据液压传动的结构及其特点，在液压系统的设计中，首先要进行系统分析，然后拟定系统的原理图，其中这个原理图是用液压机械符号来表示的。之后通过计算选择液压器件，进而再完成系统的设计和调试。这个过程中，原理图的绘制是最关键的。它决定了一个设计系统的优劣。　　液压传动的应用性是很强的，比如装卸堆码机液压系统，它作为一种仓储机械，在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。也可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。这些系统的特点是功率比较大，生产的效率比较高，平稳性比较好。　　液压作为一个广泛应用的技术，在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。

一块不起眼的海绵，加上一点更不起眼的碳黑，就可以造出超灵敏的压力检测器。近日，来自四川大学高分子研究所卢灿辉与张新星研究团队就发明出了这样的用于压力灵敏检测的复合材料。　　柔性高灵敏压力检测装置在诸多领域都有着重要的应用，如机器人设计、电子皮肤、医用器械等。压电材料是这个领域的一大“法宝”，但是它在检测低值压力方面往往捉襟见肘。近些年来，虽然学界通过微纳组装材料的设计能解决上述难题，但成本居高不下。卢灿辉与张新星研究团队的最新研究成果，在保留了压力传感材料的优异性能外，极大地降低了其制作成本。　　物美价廉的材料　　他们的方案是使用普通聚氨酯海绵和碳黑，利用特殊的层层组装技术，研究者可以将多层带相反电荷的碳黑颗粒较均匀地涂覆在海绵的骨架之上。之所以利用了碳黑，是为了让海绵获得导电性质。这种方式制作的材料成本为5分/cm3。　　(图a：制作碳黑@聚氨酯海绵的基本过程。图b&c：复合了碳黑前后的海绵。图d-f：初始聚氨酯海绵的SEM图。图g-i：表面复合了碳黑的海绵的SEM图。)　　那么，这样一种海绵为什么能够检测压力呢?原来，海绵在受到压力后，其骨架上的碳黑涂层会受到破坏，产生一些微小的缝隙，这些缝隙会造成宏观上的导电性能的下降，因此只要监测海绵的导电性，就可以检测压力的变化。　　(图c&d：压缩后海绵骨架上可以观察到的微小裂缝。图g&h：无压力和施加压力状态下的海绵骨架。图i：先后经过微小形变与巨大形变的海绵骨架示意图。)　　值得一提的是，如果形变继续增加，海绵骨架之间就会彼此接触，因此宏观导电性能反而会上升。因此，压力与导电性能的关系体现为上述两种影响方式的协同效果。也正是因为这两种关系的存在，材料对于微小形变与巨大形变都可以监测。此外，材料有着很好的耐用性，经过多达5000次的循环形变后，主要指标依旧可以维持。同时具有超快的响应速度(20ms)。　　(图i：将材料构成电路，可以检测出吹气带来的压力变化。不同力度的吹气产生的响应电流有着明显的不同，表明这种材料具有非常高的灵敏度。图j：在材料上放置一粒大米带来的压力也能被检测出来。)　　多样的使用场景　　这种材料的应用非常多样，研究者用其构建了声音识别装置与动作识别装置。　　(图a:研究者将其粘在喉咙处。利用生理活动过程对材料施加的微小压力来监测不同的行为。图b：周期性地说出bee，dog，snake，mosquito等不同的单词，产生的电流模式也明显不同。图c-e：喉咙进行吞咽、咳嗽、咀嚼等不同的动作时，其电流模式也明显不同。)　　以上说明了这种材料在监测微小形变上的应用。在巨大形变上的监测表现上也同样适用。　　(在手指处或者肘部粘贴这种材料并构建电路，弯曲手指或者肘部均可以检测到电流的巨大变化。)　　另外，这种材料也可以监测脉搏，或构建电子“皮肤”。　　该课题组的这项发明，有望在多种可穿戴设备、医疗设备、电子设备中得到应用。

为适应国家工业发展需要，特别是能源、化工、交通、航空航天等特殊领域针对传感器的需求，从上世纪50年代起，国家先后组织一批国家级研究机构、专业生产企业及部分重点高校共同针对工业传感器进行攻关和生产。在经历了几代人、近半个多世纪的努力后，至今为止基本建成了具有中国特色的覆盖全工业领域的工业传感器体系。很多传感器从无到有，相当程度满足了国家工业发展的需求。传感器行业进入快速发展阶段“十二五”以来，密集的传感器相关政策推动了我国传感器行业飞跃发展。“十三五”期间，政府支持力度进一步加大，2017年工信部出台《智能传感器产业三年（2017—2019）行动指南》及《促进新一代人工智能产业发展三年（2018——2020）行动计划》，从而直接催生了重大科学仪器及设备开发、制造基础技术与关键部件研究两大专项。2020年8月国务院发布《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》，针对我国集成电路产业发展从财税政策、投融资政策、研究开发政策、进出口政策、人才政策、知识产权政策、市场应用政策、国际合作政策等全方位多方面提出部署，直接将当前新时期新阶段的集成电路产业和软件产业发展推进到一个全新的发展阶段，为其他相关基础产业发展起到了引领示范作用。在一系列政策持续出台的背景下，我国传感器行业进入快速发展阶段，形成了基本全覆盖的产业布局，工业需求传感器从自主到引进全产业链覆盖。中低档产品在满足自给自足的前提下实现出口，设计、研发、应用一条龙配套建设和水平普遍提升。在快速发展的中国工业市场，针对传感器的需求已经从原始的配套变成刚性需求，巨大的中国制造转型升级带来的市场吸引力不仅对国内企业，对国外工业传感器龙头企业也是巨大的吸引，美国艾默生、德国E+H、日本横河等工业传感器巨头在中国市场的份额已经成为其公司业务重要组成部分。在政府支持和行业需求的双层推动下，我国工业传感器已形成由材料、器件、系统、网络等全方面构成的产业链模式，产业链规模、质量也不断得到完善和提高。据统计，国内具有一定规模的应用于工业制造业的各类传感器生产厂家约2000余家，产品基本覆盖工业制造各领域。生产的各类工业用传感器品种、规格约1.6万种。已经显现出有区域特点的传感器产业集群，重点集中在长三角，并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为辐射的区域布局。这些集群各有侧重优势，形成了我国较为完备的传感器产业链。诸多瓶颈亟待突破尽管取得不俗成绩，但我国工业基础传感器仍存在许多问题需要破解，主要表现在：一是顶层设计仍缺乏统筹设计，规范引导。工业传感器在仪表行业是小行业，在中国制造中更是小小行业，但工业传感器在制造强国战略中却有举足轻重的地位。由于传感器具有的专业分散和行业分属的特点，长期以来传感器行业始终缺乏统一的行业认知。虽然国家投资逐年加大、政策力度逐年增强，但传感器产业需要长期不断地培育养成的特点在地方政府、企业急于求成的作用下，想取得传感器产业化的标志性成果，往往事与愿违。二是产业规模小，盈利能力低，核心技术缺乏。以压力传感器行业为例，国内具有一定规模的生产厂商大约有千余家，其中民企数量约占企业总数的90%，已经成为了中国工业压力传感器、变送器行业的与国外厂商争夺国内工业用压力传感器、变送器市场的主力军。但这些企业年销售额大于2000万元的企业不足三成，七成以上的传感器生产厂商为中小微企业，产业规模很小，自身盈利能力也不强。因此企业核心技术、企业研发能力、企业核心竞争力严重不足或缺乏。统计国内主要传感器厂商的产品分析也可以发现，目前国内厂商生产的压力传感器，70%以上是常规应变式、溅射薄膜式等传感器产品，30%左右为陶瓷材料为主的低端产品，产品结构相对单一。三是共性化问题多，产业化问题多。共性关键技术，如可靠性技术研究尚待突破。国外典型流程工业高端典型传感器在上世纪末已实现五年免调校，但国内相关产品免调校功能还在推广验证中。工业传感器共性技术如材料、设备、方法、可靠性验证分析等基础理论的研究与发展同国外发达国家的差距仍然巨大。四是工业传感器核心敏感技术产业化缺“芯”严重。尽管传统的工业传感器如应变、电感、电容、光栅、称重、位移量、位置量、金属弹性器件等年产量居世界领先地位，有些甚至已经实现出口。但是对于高端工业传感器，尤其是高端制造的重点领域、重点行业、重大工程用配套工业传感器基本上100%依靠进口。即使国内生产，也仅仅停留在研究、样机、小批量中试阶段，相关传感器核心技术（器件）的产业化仍然“路漫漫”，严重制约我国工业的快速发展及工业制造的“自主可控”。如：国内硅基MEMS压力传感器全产业基本处于封装代工阶段，从普通硅基压力传感器、OEM硅基压力传感器到流程工业高端设备控制用变送器，核心硅基敏感芯片基本上全部进口，国内自主配套不足1%；高端智能制造、CNC数控机床、大型工程机械等配套需求的位置、压力、图像、惯性器件等传感器以欧美日或欧美日在国内的合资企业垄断；国内工业基础气体传感器主要集中在中低端的催化燃烧式、电化学式、红外式，以及MOS气体传感器阶段，仅有少量高端的激光红外气体传感器及光离子化PID气体传感器在工业制造领域使用。新产品、新技术的工业气体传感器产业化落后国际先进水平至少五年左右。MEMS硅基压力传感器核心敏感元器件、高端气体传感器敏感芯片等虽然完成技术攻关，但产业化配套基本为零，国内产业化生产敏感核心器件及传感器高端市场基本上全部依赖进口。国内工业传感器主要集中在中低端制造业市场。高端应用的产业化发展空“芯”化问题已经成为制约中国制造由大到强的关键阻碍。努力完善工业基础传感器生态第一，以德国X-Fab的精、专、特标准化核心器件产业基地为对标，建成力、热、磁、气核心器件专业定点产线，实现国内工业基础传感器基础核心器件成果产业化转移，配套快速发展的中国制造业对传感器的需求特别是核心器件的需求。工业基础传感器是制造工业的基础，首先解决当前产业急需的核心器件产业化问题，完善从材料、制造、销售、使用的一条龙产业生态，彻底解决国内工业基础传感器有“器”无“芯”的尴尬局面，真正实现工业基础传感器对国家工业基础的基石和支撑作用，形成分工明确、配套清晰的产业化发展链条。建成中国的X-Fab专业产线。标准化定点专业产线不仅要求有良好洁净的工作环境，更需要清晰的产品（不可唯利是图）、清晰的工艺管控、素质技能稳定的管理管控团队。做到环境、产品、工艺、管控四“净”。第二，集中开展传感器跨学科培养，在人才评价、人才团队建设中树立领军人物，培养高端扛旗帜的企业；在标准、可靠性、专利等多方面加大奖励制度，推动人才队伍快速成长。第三，从材料、制造、销售龙头抓起，建成工业传感器“一条龙”生态。健全分工清晰明确的工业传感器生态链，实现传感器工业“基石”的支撑作用。加大流程工业用力、热、磁、流量、环境气体安全检测传感器和离散传感器产业基地建设，形成流程工业、离散工业传感器精、专、特、新的产业布局，培养一批各自产业领域的隐形冠军。针对隐形冠军培养在市场、技术、团队方面从不同角度给予政策支持，设立专项资金对技术创新型企业进行扶持，在功能工业传感器生态链上培养领军企业。第四，加大对传感器中、小微企业知识成果及科研成果保护，鼓励企业技术创新，积极开展共性关键技术、基础工艺技术的研究，降低企业科研成果转化风险，开展新型一体化智能工业传感器研究，提倡建设工业传感器小微企业的技术隐形冠军。加大国家对于传感器产业化的投入，鼓励建设产业集聚园区和公共创新平台，加速新设计、新工艺导入。加强对共性关键技术、基础工艺技术研究的投入，在政策、制度、资金等方面给予倾斜，缩短技术向产品转化的周期。强化市场应用对产业的需求牵引作用，鼓励应用厂商通过商业合作、投资入股等方式参与智能传感器的研发与制造，整合产业链上下游。支持科研院所和高等院校开展智能传感器关键技术和基础理论研究、关键芯片开发，提升产品的集成化、智能化水平，加强知识产权保护，鼓励科研成果转化。鼓励开展新型工业传感器一体化及技术及应用研究，在感知、控制、通信、算法、智能化、网络化应用方面开展工作，满足新一代工业传感器需求。第五，以市场需求为引领，产品质量为准入门槛，企业对自身产品的质量责任保障为前提，从政策面给予工业传感器在国家重点行业、重点领域、重大工程中的配套使用力度，给予国货配套更优惠条件，在工业传感器应用领域落实并加大力度实施国家“政府采购法”和“国货优先”政策。保障工业传感器在中国制造的发展过程中同步快速成长。

一个国际联合研究小组近日宣布，通过在石墨烯中加入硼原子的方式，他们开发出一种灵敏度极高的气体传感器。该装置能“嗅”出空气中浓度极低的有害气体，在人们还未察觉时发出警报。该研究还有助于改善锂离子电池和场效应晶体管的性能。　　用石墨烯制成的气体传感器已具有很高灵敏度，但科学家们并不想止步于此，希望通过在石墨烯中掺入其他元素的方式让其性能得到进一步提升。　　美国宾夕法尼亚州立大学物理学、化学和材料学教授莫里西欧特伦斯经过不断更换掺入元素，成功合成了1厘米见方的高品质掺硼石墨烯片。为防止硼化合物暴露在空气后快速分解，他们研制中用到了类似起泡器的化学气相沉积系统。　　核心部件制成后，被送往本田研究院的美国公司进行组装。2010年诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学科学家康斯坦丁诺沃肖洛夫的实验室负责研究传感器的传输机制。此外，比利时、日本和中国的科学家也促成了这项研究。　　测试显示，新的气体传感器能够探测到浓度极低的有害气体分子，如空气中含量为十亿分之一的氮氧化合物和百万分之一的氨气，灵敏度比单纯用石墨烯制成的气体传感器要分别高出27倍和1000倍。　　负责此项研究的本田研究所首席科学家阿维迪克哈瑞泰元认为，新方法开辟了一条制造超高灵敏度气体传感器的新途径。该技术未来极有可能突破1000的五次方分之一检出限，在灵敏度上，比目前最先进的气体传感器高6个数量级。　　未来这种传感器有望在科学实验和工业中获得广泛的应用，无论是有毒有害气体、超标排放的汽车尾气，还是大气污染中的氮氧化合物都会在它面前一一显出原形。研究人员称，除检测有毒和易燃气体外，这种掺硼的石墨烯理论上还能帮助改建锂离子电池和场效应晶体管。　　相关论文发表在11月2日出版的《美国国家科学院院刊》。 来源：科技日报

仪器信息网讯 2023年11月11-12日，第二届传感器与应用技术大会在深圳光明区云谷国际会议中心成功举办。本届大会由由深圳市光明区和中国传感器与物联网产业联盟联合主办，吸引了国内外领先传感器企业参与，并组织了多场先进传感器技术和应用会议，聚焦储能、工业、医疗等应用方向。会议现场12日上午，第二届传感器与工业互联网研讨会在深圳光明区云谷国际会议中心成功召开。本届研讨会吸引了国内外领先传感器企业参与，汇集国内外工业互联网解决方案、应用端及传感器头部企业，围绕工业互联网应用场景、部署价值、市场发展及未来趋势等主题进行产业探讨。报告人：西门子四方维亚太区总经理 洪子伦报告题目：产品数智化的新机遇数字设计资产是否能够更精准地找到潜在客户？如何消除潜在客户设计采用的障碍？面对这些问题，四方维提供了从PDFs到数字孪生，在线、互动和数字设计资产的解决方案。洪子伦表示，任何设计都需要BOM上每个组件的原理图符号、PCB焊垫和3D模型支持，四方维支持25+PCB设计工具和30+CAD工具。数字化+商业化将加速对外推广工作，而四方维提供了前所未有的有关数百万工程师与采购人士的元器件采用实时情报，提升元器件销售转换，助力客户实现终端触达、业务出海。报告人：浙江中控自动化仪表有限公司总工程师/副总经理 俞利明报告题目：“E 网到底”——数字化仪表解决方案当前智能工厂建设中，现场仪表面临诸多痛点：非智能仪表普遍存在，大大降低了全厂智能化水平；HART、FF智能仪表，通讯速度太慢，难以实现高端应用；仪表种类繁多，由众多不同的供应商提供，难以统一管理；仪表维护成本高，现场维护耗时长，效率低；仪表在线参数和报警，缺乏有效监控手段；仪表资产台账，无法自动动态更新；手操器，独家进口，价格昂贵，操作记录难以追溯。因此，当前智能仪表研究方向主要为，全生命周期数据管理的智能仪表；仪表对外部工况的自适应、自学习、自调整技术；高灵敏感知、探测技术；仪表的远程升级及回溯功能；传感层数据安全与功能的安全技术；基于人工智能的高精度测量方法；基于大数据分析的预测性维护功能；仪表本体软硬件诊断技术；仪表虚拟化技术 (场景仿真)；基于低功耗的高速通讯技术等。基于此，俞利明介绍了中控技术的APL总线仪表及智能仪表管理平台和中控自动化仪表业务情况。报告人：TE Connectivity传感器事业部亚太区业务拓展负责人 郑婷婷报告题目：智能传感技术助力工业高质量发展TE Connectivity致力于智能/高效/高性能的传感器解决方案，帮助客户实现从概念到产品的转化。郑婷婷表示，工业物联网与传感器的发展相辅相成，传感器是工业物联网发展的基础和关键，工业物联网发展的不同阶段和不同目标，离不开传感器的广泛应用。与此同时，工业物联网也对传感器的发展提出更高要求，给它未来的创新带来驱动力。报告中，郑婷婷介绍了TE解决方案在状生产流程控制、电力工业、城燃管网、风电、液冷、氢能源、轨交等领域的监测应用。报告人：龙元集团总裁助理/龙元天册总经理 王萍报告题目：数字工业赋能CDI绿色双碳百园计划《巴黎协定》提出世界须在2030年前将碳排放减少四成，将全球变暖限制在1.5°C的目标。中国的二氧化碳排放占全球比重为27%，中国的温室气体排放占全球33%左右，中国实现“3060”降碳目标就能使全球升温减少了0.2-0.3度。国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，我国将提高国际自主贡献力度，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。我国各类工业园区的碳排放量约占全国碳排放的31%，工业领域是我国能源消耗与碳排放的重要领域，约占70%。产业园区作为工业发展的主要载体，是践行国家“双碳”战略的重要应用场景。建设“绿色双碳园区”是我国绿色低碳转型、落实“双碳”目标的必经之路。在此背景下，8月3日，第四届CDI开发区创新发展大会上，“CDI绿色双碳百园计划”重磅启动。王萍在报告中详细介绍了该计划的情况，并呼吁加入该计划。报告人：西安中星测控有限公司董事长 谷荣祥报告题目：高端智能传感器提升工业物联网价值据了解，西安中星测控有限公司已成为中国乃至全球知名的各种智能传感器专业制造商及物联网（智慧城市/智能制造）综合解决方案提供商。报告开始，谷荣祥以一则短视频展现了中星测控的风采，并表示，物联网的到来为我们的工作和生活带来了无法想象的巨大改变，智能制造、智慧城市正在一步步实现。报告中，谷荣祥介绍了工业物联网智能传感器的基本要求、中国原创MCS高端工业压力传感器、中星测控公司振动/温度/压力复合传感器的工业物联网应用以及无线蓝牙温度/压力传感器在空调制冷系统中的节能应用。报告人：西门子数字化工业软件集团创新中心技术总监 袁晓舟报告题目：数字孪生-赋能传感器与物联网全产业链数字化企业融合真实世界与数字世界。实现面向产品与生产的持续闭环优化。西门子的数字孪生产品可以实现在数字世界中设计、仿真、验证产品，包括机械、多物理场、电子与软件的管理；在数字世界里规划、仿真、预测和优化生产，以及PLC代码的生成与虚拟调试等功能，并指导企业实现高效、安全地运行生产。从芯片、到系统、到生态，西门子为半导体(传感器) 行业提供全面的数字孪生。

提起VOC检测，可能环境的小伙伴比较熟悉，今天主要跟大家分享一下光离子化气体传感器（PID）方法检测VOC。1、什么是VOC？VOC是挥发性有机化合物(volatile organic compounds）的英文缩写，是在室温以气态分子的形态排放到空气中的所有有机化合物的总称。VOC 所涵盖的有机物种类繁多而且其组成成分多样，主要有：氯化物、苯类化合物、氟利昂化合物、有机醇、有机酮、有机醚、有机醛、有机酯、有机胺、有机酸以及石油烃化合物等。VOC及所形成的二次污染物不仅本身具有较强毒性对人们的健康带来负面影响，而且VOC作为臭氧和PM2.5的前体也影响着大气质量，是复合型空气污染的主要“贡献者“之一。2、VOC的检测方法检测VOC常见的方法有PID检测、GC-FID及GC-MS检测，其中GC-FID和GC-MS都是用来检测VOC气体总值的，在混合气体环境中不能检测出单独某一种VOC气体。GC-FID与GC-MS也可以测出具体某一种VOC气体成分，但价格昂贵，且体积大。其中PID传感器体积小、价格低廉、工作条件简单、能耗低，更适合作为便携式检测器。表1 VOC检测方法参数GC-MSGC-FIDPID使用方式氦气瓶氮气瓶、氢气瓶、空气瓶便携式重量非常重较重很轻尺寸体积非常大体积较大很小检测范围（ppm）更宽0～500000～10000数据线性全范围线性较好全范围线性较好低浓度线性良好选择性无选择性无选择性低能量灯增加选择性检测气体VOC气体VOC气体VOC气体、某些无机气体样品破坏检测破坏检测无损检测可回收操作使用极为复杂较为复杂简便简洁检测费用极其高高极低检测速度极其慢慢极快3、什么是PID？对于仪器分析的小伙伴，可能对GC-FID（氢火焰离子化检测器）与GC-MS（气质联用仪）使用更清楚，我们今天重点讲一下PID（光离子化检测器）。光离子化气体传感器（简称PID）由紫外光源和气室构成。PID 中激发待测气体离子化的源头就是电离室中的紫外灯，被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。图1 PID传感器结构PID工作原理:1、在真空玻璃腔内充入高纯稀有气体例如惰性气体。2、用可透紫外光的窗口将玻璃腔体密封。3、外加电磁场进行激发。4、在外加电磁场的作用下，被电离气体产生电流，进而被检测到。图2 PID传感器工作原理4、PID传感器类型与品牌调研PID传感器可以按照紫外灯能量、寿命及检测气体分类，主要可以分为以下类型。表2 PID传感器类型紫外灯能量（eV）9.6eV10.6eV11.6eV紫外灯寿命6个月12～24个月6个月检测气体种类114250300在VOC快检领域， PID传感器品牌几乎都是进口仪器公司，国产采用PID技术的检测设备仅镁汇科技一家企业。表3 PID传感器品牌品牌典型产品英国阿尔法AlphasensePID-A1英国离子科学Ion Science Ltd.FirstCheck F Ex6000，世界上首台PPB级PID检测器的多组分气体检测仪美国贝斯兰Baseline–MOCONPID-TECH FirstCheck F Ex6000MeiHui镁汇科技PID-GH，专注PID研发可替代进口品牌PID配件5、PID的国产替代通过分析比对，可以看出采用PID技术的检测设备与动辄花费大几十万的GC-FID、GC-MS相比，具有明显的优势，不但便携快捷而且设备成本低。表4 国产配件与进口配件对比类型价格货期特点进口配件国产3～5倍15～90天更新换代快国产配件进口1/3～1/52～5天精准定制进口仪器进口备件具有价格贵、费用高、购买周期长。一旦PID的氘灯损坏或者其他配件缺失，将存在一定时间的空白等待期，将会严重影响到VOC检测工作的检测进度。解决办法无外乎有两个：1、增加进口配件的储备与存储，但会增加资源浪费与资金压力；2、寻找进口配件的国产可替代化。 6、PID进口替代优选之品镁汇科技PID-GHSensor的外型设计可以与主要品牌的PID传感器进行互换，其可以安装在任何便携式和固定气体检测仪。可进口替代相同规格的PID传感器光源与其他易损配件。图3 0～200ppmPID的线性范围其不同配件的测量范围最小为0-2ppm，检出限0.5ppb。最大测量范围0-10000ppm，最小检出限为1000ppb。传感器使用寿命一般为3年，质保2年。氘灯能量为10.6eV，紫外灯管寿命6000h。其他配件一年，并且提供其他配件的购买。图4 PID主要配件图综上所述，目前国内PID气体传感器有了较大发展，对已知气体可以实现快速实时检测，有着广泛的应用前景。转载自公众号：实验室仪器分析

p style="text-indent: 2em "strong智能少不了传感器/strong/pp style="text-indent: 2em "传感器是数据采集的源头，它无处不在。智能最前端所需要的态势感知，基本都是要从传感器开始。无论是智能制造、智慧城市、智慧医疗等，还是智能设备和大数据分析，再庞大的智能系统，都要从传感器的针尖上开始。/pp style="text-indent: 2em "医疗器械界的奇兵——达芬奇手术机器人有四百多个传感器；鼎鼎有名的波士顿机器人大狗，能够自如地翻跳腾跃，则需要1300个传感器。/pp style="text-indent: 2em "日本著名的马桶品牌骊住Lixil，正在推出的智能马桶，马桶盖背面安装了图像传感器，可以自动识别粪便形状，整个马桶通过70多个传感器，自动检测并与云端相连，可以实现慢病大健康管理。而博世公司推出的工厂协作机器人助手APAS，内置了上百个传感器，以便可以迅速感知人的状态。/pp style="text-indent: 2em "这些令人叹为观止的智能产品，其实都是有共性的。/pp style="text-indent: 2em "这个世界的数字化步伐，半步都不能离开小小的传感器。/pp style="text-indent: 2em text-align: center "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 540px height: 277px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202010/uepic/bdfb750d-86ef-4930-b040-13c9f2f48f33.jpg" title="1000.jpg" alt="1000.jpg" width="540" height="277"//pp/pp style="text-indent: 2em "图1 传感器的数量/pp style="text-indent: 2em "然而在中国战略性、支撑性的产业版图上，却几乎找不到传感器的位置。当新基建如火如荼建设的时候，传感器——这一至关重要的支撑，却几乎被人忘在脑后。这个画面大概如此，当所有光鲜的客人要步入大厅的时候，脚后跟却都被夹在门外。这种尴尬的局面，迟早是要痛得大声喊出来的。/pp style="text-indent: 2em "strong两栖物种 传感器六大怪/strong/pp style="text-indent: 2em "广泛使用的传感器，它属于以小搏大的工业门类，是通向其他产业的基础。但传感器也是一个很独特的行业。很多传感器都具有两栖属性：一方面，传感器的核心是芯片，会追随摩尔定律，有着快速进化的大脑；另一方面，它同时也与敏感材料、机械器件在一起，受到机械定理的许多制约。这是种独具特色的产业，使得传感器必须经过细心呵护，才能发展得很好。然而在中国，传感器却成为一个令人惊讶的“六大怪”行业。/pp style="text-indent: 2em "传感器的第一怪：容量不小，而国内头部玩家却很小。2019年中国传感器市场规模达到1700亿元，估计有1700多家企业。除了歌尔、瑞声靠着苹果手机强大的出货量，体量达到百亿级，在声学传感器领域已经占住地盘。而其他领域，如手机、汽车、工控、可穿戴、物联网等，基本上都是国外品牌的市场。在消费电子、安防之外的领域，产值超过1个亿的企业并不多，只有郑州汉威、宝鸡麦克、南京高华等跑在前面，其他国内传感器企业，基本都属于土豆俱乐部。/pp style="text-indent: 2em "传感器的第二怪：种类繁多，但这个市场很隐蔽。国外成型产品及在研种类有3万多种，我国有2万多种。这些数量未必精确，但传感器无疑是一个庞大类别的产品。而这种产品，却很少为业界之外的人所知晓。其实手机、汽车、工业测量、智能装备等都是应用传感器的大户。而这几年风生水起的智能制造、工业互联网，都离不开小小的传感器。当然人工智能也不例外。可以说人工智能跑得再快，脚上穿着还是传感器的鞋。/pp style="text-indent: 2em "传感器的第三怪：民品最怕断供，军工不怕价高。军用传感器已经高度自主化，主要是由于军品采购可以不计成本。而如果要到民用市场来竞争，那是既要拼规模，也要有高性价比。如果功耗小一点，成本小一点，那就可赢者通吃。因此民用市场的突破还很艰难，也无法从军工市场获得支撑。两条隧道，各通一边，没有打通。而民用仪表传感器高度依赖国外。日本横河跟重庆川仪有一家合资公司，生产横河川仪的仪表。日本横河提供的谐振式压力传感器，这是最高精度的压力传感器。国内攻关一直未能攻克。这家合资厂也只能依赖日本的传感器。/pp style="text-indent: 2em "传感器的第四怪：中国制造虽以成本著称，但传感器的成本优势还没有国外明显。中国目前生产大部分都是低端传感器。而我国中高端传感器进口占比达80%，传感器芯片进口更是达90%以上。中国生产成本也很高，收入才几千万，如何舍得投入几千万建生产线？现在很多传感器厂家，还都是单干，手工装配很多。因为产量上不去，有的1个月的产量也就5000只，根本谈不上规模效益。而博世、欧姆龙等早就把工厂设立在中国，成本优势同样巨大。/pp style="text-indent: 2em "而且，美德日品牌企业对中国传感器市场虎视眈眈，对市场份额看得很紧。中国一有进步，就会被国外品牌降价挤压。2010年日本欧姆龙一个开关要接近400元，而现在随着中国品牌的逐渐崛起，现在只需要60元。灵活降价，坚决保卫市场份额，是国外厂商常见的营销手段。这种方法，一直将国产品牌压制在面黄肌瘦线附近，很难翻身。/pp style="text-indent: 2em "传感器的第五怪：市场巨大，融资最难。本来智能制造、人工智能大热，传感器终于应该迎来咸鱼翻身。但是，没有。这是一个投资人不待见的市场。由于国内对这个产业的重要性的认识不足，导致投资界一直处于冷淡期。这跟产品隐蔽，做大做强比较难，是有关系的。而国家对这个产业的“冷处理”的态度，自然也影响了投资基金的判断。/pp style="text-indent: 2em "传感器的第六怪：本是国之重器，奈何落地沦为小萝卜头。传感器作为感知的第一道防线，是人类社会走向智能的关键源头。然而这个行业一直得不到重视。上世纪80年代初，国家科委主持的课题研究中，在讨论信息技术包括哪些技术的过程中，“传感器技术”引起了巨大的分歧。但因为体量太小，最终还是被切掉。这一晃，四十年都过去了，情况几乎没有变化。虽然最近两三年有些鼓励发展传感器的政策陆续出台，但一无力度二无资金，基本也就是草草地走了过场。/pp style="text-indent: 2em "传感器其实就是互联万物的五官，是眼睛，是耳朵，是各种触觉。尽管如此重要，却无人重视。传感器六大怪，本身就是一大怪事。这可真是一根扎心的刺。/pp style="text-indent: 2em "strong惊人的利润/strong/pp style="text-indent: 2em "在国内，传感器并不容易挣钱。由于芯片不能自主，工艺研发投入巨大，再加上红海竞争激烈，中国传感器的利润一直被压得很低。根据国内40家传感器企业上市公司的财报，将近40%的企业利润率低于5%；而利润为负就有6家。/pp style="text-indent: 2em "都说制造业利润低，传感器看来也是其中的一种。不过，不挣钱，并不是这个行业的真实情况。/pp style="text-indent: 2em "日本基恩士传感器公司，可以说是日本最挣钱的公司。2019年营业额接近360亿人民币，而利润，则达到了惊人的180亿。利润率居然超过50%，而且常年如此。传感器这种在中国几乎无法建树的行业，被日本做成了真正的摇钱树。/pp style="text-indent: 2em "这家以纯设计（Fabless）起家的传感器公司，主要是设计和销售传感器、测量系统、激光刻印机等。从产品开发策略来看，它从来不定制产品，坚持完全“以我为主”的标准化产品研发。这种策略，维持了产品研发的规律性，而定制产品则会有很大的周期不确定性，经常导致企业失去灵活性。为了不断开发新品，基恩士采用了广泛的研发信息源，促使产品的多样化。而从产品系列而言，则采用了深度嵌套的产品组合。既有传感器产品，更有在传感器基础上做好的测量系统，成为测量领域的领头羊。/pp style="text-indent: 2em "国内像海康威视、大华等领头羊，都是走大型工程。虽然也挣钱不少，但其实跟传感器也没有太大关系。即使是以气体传感器起家的郑州汉威，这几年也是重点聚焦在水务、环保等总包工程。传感器事业板块，不过只是这家上市公司的高科技之名而已，从体量而言则基本就是无足轻重。/pp style="text-indent: 2em "传感器主要用在电子产品、工控与测量、设备等几个板块。而传感器的发展，最早是来自工业自动化的推动。但在中国最黯淡的，也就是工控与测量这个分支了。最典型的可以算是上海威尔泰仪表公司了。这家企业以核电为入手点，进入到传感与仪表领域的，属于纯正的工业自动化产品。从上市公司财务报表来看，这家公司上市已经14年，但最近一年收入大约在六千万元。不得不说，经营惨淡。要知道，另外一家巨头公司霍尼韦尔公司，其传感与物联部门在全球的营收将近60亿元。/pp style="text-indent: 2em "strong设计软件没人管/strong/pp style="text-indent: 2em "工业软件是中国制造的软肋，传感器更是如此。而传感器的设计软件，也是非常隐蔽的匕首。这几年MEMS传感器非常火爆，每个手机中都有几个，如感知加速度的。而一般的汽车至少也有十多个。德国博世、美国博通、荷兰恩智浦等都是业界巨头。中国只在麦克风的MEMS传感器扳回一个角，做得很好。/pp style="text-indent: 2em "然而MEMS传感器的设计，需要两款很专业的CAD软件。一个是 IntelliSuite，这是美国1991年创立的，这也是最早的MEMS专用CAD设计画图软件。/pp style="text-indent: 2em "另外一家ConventorWare也是美国公司。中国很多传感器企业几乎都在用，能占据中国80%的市场。当年在国内承担863计划MEMS研究项目的30个研究小组，全部都使用这种软件。它在MEMS传感器的位置，跟6月份哈工大被断供的Matlab软件在科学计算中的地位，基本一样。而在中国，几乎没有这种软件。不幸的是，这款软件在2017年被泛林LAM收购；而LAM是美国第二大半导体设备制造商。这都是美国政府最容易动刀子的断供之地。/pp style="text-indent: 2em "工业软件，非常的细分了。如果不深入到行业中去，很多软件都是隐藏而不可见。这种处境，倒是跟传感器一模一样。传感器和工业软件，似乎都穿着隐身衣。而正是这些看不见的工业软件，其实暗地封锁着中国制造的诸多命脉。传感器设计软件，就是其中一道令人紧张的暗穴。没有软件，这些传感器很难被设计出来。/pp style="text-indent: 2em "strong几乎全是卡脖子/strong/pp style="text-indent: 2em "在中国，消费类电子的传感器，由于市场的拉动，近十年已经有了很大的进步。然而在工业级的传感器，卡脖子情况比芯片还厉害。围绕着控制与测量，尤其是仪器仪表传感器，几乎100%进口。/pp style="text-indent: 2em "中国仪表的变送器两大巨头，都是“国外芯”。重庆横河川仪年产归谐振变送器30万台，传感器用的是日本横河的；北京远东罗斯蒙特，每年30万台金属电容变送器，用的是美国罗斯蒙特的传感器。可以说，这两家占据中国70%以上市场的龙头企业，基本就是给日本和美国打工。其他企业情况也一样，苏州恩德斯豪斯E+H一年大约5万台，用的是德国E+H；而国内品牌的龙头企业 ，用的基本都是德国FirstSensor。要命的是，这家公司，在今年3月被美国传感器巨头泰克连接公司所收购 。这对于中国的仪表，实际上非常的凶险。今后是否还能买到德国传感器芯片，存在着极大的不确定性。/pp style="text-indent: 2em "这意味着，石化、医药等流程行业广泛使用的变送器，其中的传感器除了用日本横河和美国罗斯蒙特的芯片，原本用德国的公司的现在也要依赖美国公司了。/pp style="text-indent: 2em "其他行业也基本是类似的状况。根据传感器国家工程研究中心《中国传感器发展蓝皮书》的统计，汽车传感器、高端化学类气体传感器、光纤传感器、环境检测传感器，对国外进口依赖度都是在95%以上。至于海洋传感器，用于移动观测平台的自动浮标、水下滑翔机，以及海上浮标等，则是100%进口。/pp style="text-indent: 2em "国人非常关心的PM2.5值，其测量仪基本都是采用仪表巨头美国热电公司的产品。它内部所使用的微量振荡天平，通过测量滤膜上微小颗粒的质量而引起振荡管的频率变化，来测试空气颗粒物的浓度。以精密测量的传感器作为基础，热电公司的一台PM2.5测量仪，动辄几十万元，甚至上百万元。也只有国家级测量站，才用真正用得起这种仪表。而直到最近，这种技术才被天津大学精仪学院毕业博士所创立的天津同阳公司，基本攻克。这是一种很幸运的进展了。/pp style="text-indent: 2em "传感器的卡脖子方式，与绝大部分其他工业产品都不一样。它就像一个漫山遍野的地雷阵，分散而隐蔽。要逐项对这一类卡脖子短板进行突破，必将是一个漫长的过程。而且要逐个突破，也基本不现实。/pp style="text-indent: 2em "strong历史上的动摇/strong/pp style="text-indent: 2em "传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱。但本来处于战略要冲的传感器，在中国的产业位置，基本一直被边缘化。/pp style="text-indent: 2em "这在中国，是有过历史上的动摇。据国内信息化老前辈介绍，上世纪80年代初，一些专家参与了国家科委主持的“信息技术发展政策”课题的研究与起草相关政策。当时第一个要解决的问题是: 信息技术包括哪些技术？计算机、集成电路、通信技术和软件四大技术得到专家们一致的同意。问题出在“传感器技术”，大家意见不一致。/pp style="text-indent: 2em "图2 中国信息技术的构成/pp style="text-indent: 2em "从理论上说，大家都同意，传感器技术是信息技术的一个重要组成部分。如果缺少传感器，信息技术就不完整了，体系上无法自洽。但是，从行业营业额来看，当时的传感器产业太小了，不要说与通信产业这样的大产业比，就是和当时的软件这样的“小产业”比，也不在一个量级上。如果并列在文件中，非常难以落笔。讨论了很长一段时间，最后还是“忍痛割爱”了。/pp style="text-indent: 2em "可以说，信息技术刚刚起步，作为支点之一的传感器，从一开始就被边缘化。这种偏差，意味着中国的信息化，一直就是瘸腿的信息化。而进入数字化时代，工业互联网成为国家战略，这种瘸腿就更加明显。然而，这种历史上的动摇所形成的隐形偏差，历经四十年，越发畸形，而且直到至今，也未能得到纠正。/pp style="text-indent: 2em "现在，应该是回到原点，重塑根基的时候了。/pp style="text-indent: 2em "br//pp style="text-indent: 2em "小记/pp style="text-indent: 2em "芯片卡脖子，举国上下群情激愤，到处都是大投资。但中国的卡脖子，其实是一个系统性工程，不是只出现在某一个节点上。要说卡脖子，中国制造几乎就是长颈鹿的脖子，到处都是卡点。许多不同的卡脖子技术，底层有着更为隐蔽的交错关系。传感器的芯片，并不需要太高的纳米制程，像当前最热的传感器的微机电系统MEMS，它需要的制程甚至可以用微米级完成。以举国之力，狂热的投资，都要去解决华为手机芯片，或者中芯国际的先进制程问题，既不科学，也不理性，更忽视了其他同样重要的产业市场。/pp style="text-indent: 2em "跟芯片卡脖子是卡在明处完全不同，传感器在中国的产业地位，基本就是一个黑户口，无人关注。这才是传感器产业最令人担心的地方。/pp style="text-indent: 2em "中国数字经济已经是庞然大物，目前占GDP的比重约为35%，总量超过30万亿元。传感器正是数字经济的最基本的支点。然而在这座庞大宫殿的入口处，守门的哨兵，却依然在昏睡中。/pp style="text-indent: 2em "这是智能大门的缺失。传感器就像无处不在的小伤口，随时都可能作痛。传感器之殇，中国不可承挡。/ppbr//p

蜂鸟传感技术推出了新网站，以进一步扩大其气体传感器OEM市场领先制造商的影响力。 该传感器已应用在重症护理，麻醉，病人监护，排放监测，水果储存，食品包装，热量测定和车辆废气测试等方面。 新网站展示了医疗和工业应用提供的OEM传感器的选件，以及欧洲，美洲，日本和亚太地区代表处的联系信息，并提供了全球化的语言版本，包括中文，葡萄牙语，巴西语和日语。 英国Crowborough技术中心以ISO 9001认证的最高标准配备生产设备，蜂鸟传感器技术是世界领先的仕富梅气体分析仪系列的核心。 蜂鸟传感器包含无损耗部件和许多传感器，可持续使用数十年，并提供无与伦比的性能，可靠性且易于集成。这种经验证的可靠性在过程和生命科学中的应用，使OEM合作伙伴为他们的客户提供了终身受益的产品。 传感器探测的气体范围包括氧气，一氧化碳，二氧化碳和甲烷气体，适用于包括连续排放监测(CEMS)，水果储存，食品包装，热量测定和车辆废气测试等一系列应用。 产品系列包括著名的Paracube氧传感器，结合世界顶级的带切割制造工艺的气体分析技术。 最新推出的Paracube系列，Paracube Micro，提供了'新一代'集系统集成，灵活性，兼容性和可靠性程度无与伦比的设计理念，可方便的集成到通风系统，解剖麻醉，病人的监测和其他生命紧急医疗的应用中。 蜂鸟传感技术部的马丁考克斯说道：&ldquo 很高兴推出我们蜂鸟技术的新网站，这将帮助我们提升气体传感器全球制造商的形象&rdquo 。 &ldquo 我相信在我们专业团队的支持下，我们的传感器一定会得到我们主要制造商的肯定。&rdquo 蜂鸟传感器的网址：www.hummingbirdsensing.com

近日，来自安徽大学的周胜副教授团队发表了《基于深度神经网络的无需压力校准和轮廓拟合的气体传感光谱技术》论文。Recently, the research team from Associate Professor Zhou Sheng's from Anhui University published an academic papers Pressure calibration- and profile fitting-free spectroscopy technology based on deep neural network for gas sensing.甲烷（CH4）是天然气的主要成分，在工业生产和日常生活中广泛用作燃料。此外，甲烷是一种重要的温室气体，其浓度对全球气候产生重要影响。因此，甲烷的测量对环境监测、生物医药和研究具有重要意义。气体浓度通常通过各种微量气体传感器进行测量，例如气相色谱仪、半导体气体传感器和电化学设备。半导体气体传感器在适当的操作环境下具有ppm级别的灵敏度。激光吸收光谱技术具有高选择性、高灵敏度、快速和多成分监测等优势，目前广泛用于各种气体的检测。激光吸收光谱技术可以准确测量气体分子的特征吸收线，并基于可调谐激光有效降低其他气体光谱线的干扰。此外，它提供了实时原位气体检测的可能性，这对于从工业过程到环境变化的各种现象的理解和监测至关重要。气体分子可以通过其指纹吸收光谱进行有效识别，包括典型的所谓“展宽”参数和“空气展宽”参数。光谱线参数是压力和温度的函数。浓度测量的准确性取决于压力稳定性和光谱拟合精度。对于定量光谱分析，传统上通过准确的模型对光谱进行拟合，同时压力和温度必须定期校准，尤其是在相对大的环境波动情况下。因此，为实现所需的准确性，系统的复杂性增加了。Methane (CH4), which is the main component of natural gas, is widely used as fuel in industrial production and daily life. In addition, CH4 is an important greenhouse gas whose concentration has a substantial influence on global climate. Therefore, the measurement of CH4 has significant importance for environmental monitoring, biomedicine, and energy research. The gas concentrations are commonly measured by various trace gas sensors, such as gas chromatographs, semiconductor gas sensors, and electrochemical devices. The semiconductor gas sensors have a sensitivity of ppm level under a suitable operating environment. The laser absorption spectroscopy, which has the advantages of high selectivity, high sensitivity, and fast and multi-component monitoring, is currently widely used in the detection of a variety of gases. Laser absorption spectroscopy technology can accurately measure the characteristic absorption lines of gas molecules and effectively reduce the interference of other gas spectral lines based on the tunable lasers. Moreover, it provides the possibility of real-time in-situ gas detection, which is crucial for understanding and monitoring a variety of phenomena from industrial processes to environmental change. A gas molecule can be effectively identified by its fingerprint absorption spectrum, including typical so-called “self-broadening” parameters and “air-broadening” parameters. The spectral line parameters are functions of pressure and temperature. The accuracy of concentration measurement depends on pressure stability and spectral fitting accuracy. For quantitative spectral analysis, the spectra are traditionally fitted by an accurate model, while the pressure and temperature must be calibrated on time, especially in the case of relatively large environmental fluctuations. Consequently, the complexity of system is increased to achieve the required accuracy. 目前，人工智能的快速发展为解决这个问题提供了一种新途径。人工神经网络已被用于气体识别，并在足够训练数据的条件下表现出良好性能。基于Hopfield自联想记忆算法的神经网络已用于识别五种类似的醇的红外光谱。反向传播神经网络用于从混合气体中识别目标气体，证明了卷积神经网络（CNN）模型可以有效提高识别准确性。此外，最近的研究表明深度神经网络也可以应用于振动光谱分析。卷积神经网络和自编码器网络被用于处理一维振动光谱数据。与传统气体检测技术相比，辅以深度学习的气体传感器可以实现准确的灵敏度测量，并降低异常检测的鲁棒性。深度神经网络（DNN）可以在经过足够样本训练后直接从吸收光谱中学习特征，实现不需要压力校准和轮廓拟合的气体浓度直接识别。这种网络为检索气体浓度提供了一种新途径，无需昂贵且复杂的压力控制器。为了展示提出的DNN辅助算法的性能，构建了一个基于DFB激光二极管的甲烷检测气体传感器系统。预测的浓度与校准值相当吻合。这项研究表明，基于DNN的激光吸收光谱在大气环境监测、呼气检测等方面具有显着潜力。Currently, the rapid development of artificial intelligence provides a new way to solve this problem. The artificial neural network has been used for gas identification and shows a good performance under the condition of sufficient data for training. The infrared spectra of five similar alcohols has been identified by a neural network based on the Hopfield self-associative memory algorithm . A back propagation neural network is used to recognize target gas from the mixtures of gases, which proved that the convolutional neural networks (CNN) model can improve identification accuracy effectively. In addition, recent studies indicate that deep neural networks can also be applied to vibrational spectral analysis. The convolutional neural and auto encoder networks are used to process onedimensional vibrational spectroscopic data. Compared with traditional gas detection technology, the gas sensors assisted with deep learning can achieve accurate sensitivity measurement and reduce the robustness of anomaly detection. A deep neural network (DNN), which can learn features directly from the absorption spectra after training with sufficient samples, achieves the direct identification of gas concentration free of pressure calibration and profile fitting. This network provides a new way to retrieve gas concentrations without expensive and complicated pressure controllers. To demonstrate the performance of proposed DNN assisted algorithm, a DFB diode laser-based gas sensor system for CH4 detection is constructed. The predicted concentrations are in good agreement with the calibrated values. This study indicates that DNN-based laser absorption spectroscopy has remarkable potential in atmospheric environmental monitoring, exhaled breath detection and etc..实验装置用于获取甲烷（CH4）气体吸收光谱的实验装置如图1所示。一台近红外DFB激光二极管，最大峰值输出功率为20毫瓦，被用作光源。通过控制激光温度和电流，激光可以在6045 cm-1到6047 cm-1范围内进行调谐，宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供激光驱动器，型号为QC-1000。所选CH4在6046.95 cm-1附近的吸收线在图2中基于从HITRAN数据库获取的光谱线参数进行了模拟。DFB激光二极管经过纤维准直器进行准直，然后由一块CaF2分束器进行对准，分束后的可见红光（632.8纳米）光束用作跟踪激光。随后，光束被送入一个7米有效光程的多程传输池，并且池内的压力由压力控制器、流量控制器和隔膜泵协同控制。一个典型频率为100赫兹的三角波被用作扫描信号，以驱动激光二极管。最后，激光通过一个InGaAs光电探测器进行检测，并被数据采集单元卡获取。信号随后传输到计算机，并由自制的LabVIEW程序进行分析。Experimental setupThe experimental setup used to obtain CH4 gas absorption spectra is depicted in Fig. 1. A near-infrared DFB diode laser with a maximum peak output power of 20 mW is used as the optical source. The laser can be tuned from 6045 cm&minus 1 to 6047 cm&minus 1 by controlling the laser temperature and current via the controller (QC-1000, Healthy photon Co., Ltd.). The absorption line of selected CH4 near 6046.95 cm&minus 1 is simulated based on spectral line parameters obtained from the HITRAN database in Fig. 2. The DFB diode laser is collimated by a fiber collimator and aligned by a CaF2 beam splitter with a beam of visible red light (632.8 nm) as the tracking laser. Subsequently, the beam is sent to a multi-pass cell with a 7 m effective optical length, and the pressure inside the cell is collaborative controlled by a pressure controller, a flow controller, and a diaphragm pump. A triangular wave with a typical frequency of 100 Hz is used as a scanning signal to drive the diode laser. Finally, the laser is detected through an InGaAs photodetector and acquired by a data acquisition unit card. The signal is subsequently transmitted to the computer and analyzed by the homemade LabVIEW program. QC-1000, Healthy photon Co., Ltd.Fig. 1. Experimental device diagram.Fig. 2. The spectral line intensities of CH4 in the tuning range of 6046.93–6046.96 cm&minus 1 and the cross-section of the selected line obtained from the HITRAN database.结论总体而言，本项目开发了基于DNN算法和激光吸收光谱的概念验证气体传感器，并设计了基于DFB激光二极管的甲烷检测传感器系统。此外，通过计算RMSE和训练时间评估了DNN算法的性能，并优化了DNN层、神经元数量和epochs等参数，以获取最佳参数。提出了改进的系统来分析和预测气体吸收光谱数据，在甲烷浓度预测方面表现出良好的准确性和稳定性。不同浓度的甲烷预测值与相应的理论值线性拟合，证明其在实际领域应用中具有巨大潜力，尤其适用于恶劣环境。Conclusions Overall, a proof-of-concept gas sensor based on the DNN algorithm and laser absorption spectroscopy is developed, and a CH4 detection sensor system based on the DFB diode laser is designed in this paper. In addition, the performance of the DNN algorithm is evaluated by calculating RMSE and training times, and the parameters, which include DNN layers, neuron number, and epochs, are optimized to obtain optimal parameters. The modified system is proposed to analyze and predict the gas absorption spectrum data, demonstrating good accuracy and stability in the prediction of CH4 concentrations. The predicted values of methane with different concentrations are linearly fitted with the corresponding theoretical value, which proves it has great potential in practical field applications, especially for harsh environments.参考ReferencesPressure calibration- and profile fitting-free spectroscopy technology based on deep neural network for gas sensing, Measurement 204 (2022) 112077https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.112077

根据应用场景选择合适传感器光学气体传感器是多种分析设备的核心部件，直接决定了仪器的性能指标和功能，仪器设计之初，传感器选型非常重要。市面上各种原理、各个厂家的光学气体传感器琳琅满目，指标参数参差不齐，要如何选择最合适、性价比最高的传感器呢？实际上每款传感器都有其优缺点和适用范围，要么性能指标有优势，要么可靠性更值得信赖，要么价格便宜等等。要根据具体需求和应用场景选择合适传感器，比如经常要测量组分繁杂、湿度高的气体，最好选择UVDOAS、FTIR这类色散分光原理的气体传感器。关于传感器的性能、体积、功耗、扩展性、价格等要综合权衡。 传感器性能指标权衡选择光学气体传感器，首先传感器的关键指标参数要优于预研仪器的设计参数，除体积重量外，一般要考虑以下几点要素，（每个要素都很复杂，本期先简单描述，后面几期再根据反馈详细分析）：1. 测量气体种类和干扰。前者好理解，要和仪器的目标气体一致，比如开发环境空气CO2分析仪器选择低量程LY-NDIR双通道CO2模块就完全能满足要求，但在背景气中有干扰组分的就要同时考虑干扰组分的同时测量，这是很多仪器开发者经常忽略的问题。比如开发污染源SO2分析仪选择NDIR原理就要考虑烟气常见组分CH4的干扰，因为红外波段CH4在SO2吸收峰处同样有吸收，会带来正干扰，当然选择紫外差分原理的如LY-UVDOAS系列的传感器就不用考虑CH4干扰。2. 量程、检出限和线性误差。分别代表了传感器的实际测量范围、最低响应浓度和结果正确度，其中量程和检出限指标是一对有点矛盾的参数，一般长光程设计的传感器，会有低的检出限和量程指标，反之亦然，当然，也有少数高端的传感器可以两者都兼顾，比如崂应的UVDOAS系列传感器，通过自适应调整光谱波段算法，测超低浓度时选择强吸收谱段反演计算测，超高浓度时选择弱吸收谱段反演计算，这样两个参数都能获得很优秀的指标。3. 响应时间、重复性和稳定性响应时间一般是T90、T10，表征了传感器的响应速度，跟气室体积、气体流速和平滑算法都有关系，因此也与精度、检出限指标有点负相关。关于重复性和稳定性，一般是在环境条件稳定的情况下，反复多次测量结果的一致性程度。4. 漂移（零漂、量漂）和适用温度范围漂移指标分为不同时间的漂移，常见的有1h/4h/8h/24h/月/年漂移，便携式仪器，小时漂移更重要，在线运行仪器月漂移也很重要，这关系到仪器设计或运行时的调零周期，有些仪器还需要设计自动调零气路。适用温度范围，在本文中不仅指传感器可工作的温度范围，还代表确保传感器精度/线性误差满足指标的温度范围，温度对光学气体传感器的影响非常大，所以需要确定精度是在什么温度范围内能满足。有些传感器比如崂应UVDOAS/NDIR/NDUV系列，采取了大量的措施确保了温度适用性，指标表里的误差均是指在工作温度范围内都能满足的误差；也有很多传感器指标误差中仅仅在室温条件满足（有些在指标表中看不出，有些会用温度漂移1℃示值漂移不超过满量程的多少来描述），这样就意味着仪器设计中要考虑增加对气体传感器应用环境的恒温设计或温度补偿算法，以满足仪器的高低温性能指标要求，据了解在多个领域的标准中都有仪器高低温适用性指标要求，毕竟仪器的客户群体大多分布在全国各地，四季温差、昼夜温差跨度非常大。5. 考虑升级和可扩展性，在仪器整个生命周期中，满足当前设计指标就可以？还是会根据市场需求而扩展升级（这种情况在快速发展的行业中是经常出现的，污染源监测行业指标就一直随着环保需求而不断收紧）？如果是后者，在核心传感器选型时就要考虑传感器的指标可扩展性，市面有少数高端传感器具备扩展空间，比如崂应的大部分UVDOAS传感器和NDIR传感器可以在硬件不变的情况下升级扩展量程，LY-UVDOAS更是可以在原基础上扩展测量气体的种类，然而这些扩展功能是基于深厚的技术水平的，能做到、做好的不多，有仪器扩展升级考量的要仔细甄别，选择对的传感器，有利于仪器的快速升级、缩减研发时间和成本。关于光学气体传感器的价格和价值这是个有意思的话题，本文简单一说。市面上不同传感器价格差异很大，这跟很多因素有关，最关键的还是指标。有些传感器是半定量的，有个不离谱的示值就可以，仅作为一个参考，这种很便宜；有些较准确，可以作为阈值判断用，价格一般；有些给出精确示值，比如误差在±5%以内，属于工业级的，价格较高；有些更高端的传感器给出更精确示值、表现非常好的环境使用性，比如误差在±2%甚至±1%以内，价格很高。不同等级的传感器，价格差异是数量级的，毕竟气体传感器做到一定精度指标之后，每一点小的提升，都会需要付出很高的成本代价去实现。所以，要根据预研仪器的要求和定位选择最合适的传感器。另外，传感器的附加值差异也很大，比如价格对比时，不要单独看一个传感器的价格，要看测一种气体的价格，比如多通道LYNDIR传感器一种气体的价格就明显低于多个单一气体传感器，同时去除了相互间的干扰，节省了体积，对仪器设计而言，增加功能同时省时、实力、省空间，性价比自然高很多。关于传感器之外的隐形附加价值也要权衡。比如购买崂应的传感器，就附加了定制化的解决方案，协助根据应用场景选择最佳好传感器、设计时用好，高质量的售后服务和可能的升级空间。最后，传感器基本选好了后，还要实测，尤其上文中提到的几个关键指标，毕竟光学气体传感器良莠不齐，自己测过才知道。欢迎致电崂应咨询交流。

2023年4月18日，南京高华科技股份有限公司正式在上海证券交易所挂牌上市，登陆科创板交易市场，股票代码：688539。高华科技是全面注册制推行以来南京市首家上市公司，同时也是江苏省第101家登陆科创板的企业。本次上市，高华科技发行股份数量为3320万股，占发行后总股本的比例为25%。本次发行价格为38.22元/股，募集资金拟用于高华生产检测中心建设项目、研发能力建设项目及补充流动资金。南京高华科技股份有限公司创立于2000年，是集高可靠性传感器及传感器网络系统研发、设计、生产、销售为一体的国家级专精特新小巨人企业。产品涵盖压力传感器、温湿度传感器、加速度传感器、位移传感器、传感器网络系统等，广泛应用于航天、航空、轨道交通、工程机械、冶金等行业。一直以来，高华深耕传感器领域核心技术，为突破行业“卡脖子”问题，公司秉承“自主可控”的产业理念，已具备MEMS传感芯片、ASIC调理电路的自主设计能力，实现关键芯片量产。公司的“无线传感器网络系统设计”、“设备健康监测算法”等技术，已达到国内领先水平,在传感器设计、封装测试、传感器网络系统方面掌握多项核心技术，拥有授权专利及软件著作权共78项。高华以“建百年高华，做感知世界的引领者”为愿景，秉承“器件+系统协同递进”的发展战略，坚定不移地走“高精尖”科研之路。站在新的起点，高华将继续专注于技术研发与自主创新，积极响应国家安全战略和“数字中国”产业发展需求，为传感器行业的发展注入全新活力！

11月1日，MEMS与智能传感器技术专场活动在郑州国际会展中心成功召开。本次论坛邀请了众多权威学者，他们针对智能传感器行业发展存在的突出问题及薄弱环节，还有我国MEMS与智能传感器技术的核心竞争力进行了深度探讨。会议现场照片本次会议由中国科学技术协会、河南省人民政府作为主办单位，中国仪器仪表学会、河南省工业和信息化厅、智能传感器创新联盟、智能微系统教育部重点实验室、北京未来芯片技术高精尖创新中心、清华大学微米纳米技术研究中心承办，郑州市工业和信息化局、郑州高新技术产业开发区管理委员会、汉威科技集团股份有限公司协办。清华大学精仪系副系主任、研究员张高飞主持加拿大工程院院士、加拿大西安大略大学机械工程、材料工程及生物医学工程专业教授杨军通过视频致辞河南省工业和信息化厅总经济师毛郑建致辞中科院上海微系统所；研究员，重点实验室副主任李铁中科院上海微系统所研究员，重点实验室副主任李铁作了《仿生生物微纳传感器》主题报告。他首先介绍了仿生生物微纳传感器的研究背景，并且以蜘蛛为例，讲述了狭缝传感器的研发经过，指出仿生感知技术进入微纳、分子尺度阶段，并且涉及到了仿生学、材料学、传感器、微电子、计算机、人工智能、无线通信等学科技术领域。报告中主要介绍了仿生嗅觉传感器的硅纳米线材料，还分享了嗅觉生物敏感材料的选择方法、仿生光探测器机理及检测原理、石墨烯探测器的检测方法，报告内容环环相扣，全面清晰。国防科技大学，智能科学学院教授肖定邦国防科技大学，智能科学学院教授肖定邦先生作了《高性能微机电陀螺研究进展》主题报告。由于疫情原因，肖教授本人无法到场，但是他的线上分享也可谓是精彩绝伦，他先讲述了国外高性能微机电陀螺的研究进展情况，接下来就是核心内容蜂巢式微机电陀螺研究内容，报告中分享了蜂巢式MEMS敏感结构的优势、微半球谐振陀螺研究的结构创新设计和加工工艺创新，最后肖教授展示了微机电陀螺技术的发展趋势图，说明了微机电陀螺技术可能向环形、半环形发展的方向。清华大学副教授赵晓光清华大学副教授赵晓光先生作了《基于超材料的微机电传感器》主题报告。他先对超材料微机电的背景进行介绍，介绍中说到了超材料的单元结构设计及应用，他指出超材料对电磁场进场和光的调控，在医学成像中的应用有实际意义，并且指出量子学的进展也启发了超材料发展的进展。报告中还分享了超材料mems传感器的工作原理，介绍了基于超材料的太赫兹探测器、基于双层超表面的mem太赫兹调控器、单元结构独立可调的超材料、基于连续区束缚态的超高Q值、基于非线性超材料的非线性隔离器、智慧型超材料、可变性超材料，在报告最后，他还说到，超材料是一个比较新的概念、超材料模糊了材料与器械的边界，mems与超材料的结合支撑微系统及传感器相关领域的创新发展。东南大学教授，实验室常务副主任周再发东南大学教授，实验室常务副主任周再发先生作了《面向MEMS制造的薄膜材料和工艺参数在线测试技术》主题报告。他的报告主要从电学、热学、力学三个方面介绍了薄膜材料和工艺参数的测试内容，并且介绍了薄膜材料和工艺参数在线测试的两种方法，报告结尾详细阐述了二氧化硅薄膜介电伸缩系统测试方法及压力传感器设计的应用，这些内容对实际生产及应用都有很重要，而现场针对周教授的讲解也提出问题，周教授的回答给出了满意的答复。重庆大学教授温泉重庆大学温泉教授作了《微型集成扫描光栅微镜发展与应用》主题报告。报告首先讲述的是微光学器件的发展历史及应用，简单介绍了三种类型的光学器件，重点介绍了集成扫描光栅微镜系统，通过国外案例介绍集成扫描光栅微镜系统发展过程中存在的问题以及集成扫描光栅微镜系统的阶段性进展与成果，温教授介绍到微型集成扫描光栅微镜具有体积小、低耗能、低成本的优势，报告最后介绍了潜在应用，主要分享了高光谱成像的应用，温教授还总结说到微型集成扫描光栅微镜是现代光谱分析检测设备新形势核心公共部件。汉威科技集团传感器研究院副院长刘建钢汉威科技集团传感器研究院副院长刘建钢先生作了《传感器列阵及智能传感器发展与应用》主题报告。他指出传感器的发展速度已经远高于世界发展速度，详细分析了当下传感器的行业现状，介绍了传感器的分类方式及发展方向，指出智能最为热点。报告中展示了汉威集团的智能气体传感器成果、智能光学传感器成果及环境温湿度成果，最后，刘副院长对汉威集团公司简介、发展历程进行了简短的介绍。此次会议的成功召开，首先有利于突破相关产业发展的技术瓶颈和体制约束，其次有利于提升我国MEMS与智能传感器产业技术的核心竞争力，还有利于促进企业、高等院校和科研院所在战略层面有效结合，进而促进学术界与企业界的深度合作，最后有利于推进基础研究的成果转化，建立并完善我国传感器领域的创新体系。这次会议让更多的企业家和研究人员在今后的道路上坚定了信心，认清了方向。

新一代MEMS传感器将为智能手机、消费类智能产品、医疗保健和零售终端在性能和功能方面带来又一次飞跃。 　　MEMS技术是强大的运动、环境等微型传感器的基石，这些传感器为当今的智能手机和可穿戴设备提供了直观的情境感知功能。现在，意法半导体的新一代MEMS技术将传感器性能提升到了新的高度，超越了现有市售产品在输出精度和功耗方面的技术限制。新一代MEMS传感器可以为活动检测、室内导航和精密工业传感等应用提供业界最高的精度。同时，它们还可以保持较低的功耗以延长运行时间。 　　部分MEMS产品具有的额外功能包括意法半导体的机器学习内核(MLC)和静电传感。MLC为以极低功耗运行的边缘应用带来了自适应的机器学习功能。电荷变化(QVAR)感应通道通过智能手表或健身手环中与身体接触或非接触式感应(雷达)来监测静电电荷的变化。带有QVAR的意法半导体MEMS传感器可以增强用户界面控制，以确保无缝交互，或简化湿度和冷凝检测。雷达模式应用包括人员存在检测、活动监控以及人员计数。 　　意法半导体MEMS营销总监Simone Ferri表示：“开创性的新一代产品基于意法半导体在MEMS专业知识和工艺技术方面的广泛投入和历史积累。除了彻底革新传感器的性能，我们还通过可选的静电传感和机器学习来进一步扩展它们的功能。由此提供了为Onlife时代做好准备的新一代MEMS传感器，通过始终存在、始终在线以及始终连接，使智能生活更透明、更顺畅。” 　　此次推出的新一代传感器包括LPS22DF和LPS28DFW(防水)大气压力传感器，其工作电流为1.7 µA，绝对压力精度为0.5 hPa。LPS28DFW具有双满量程功能，能够在水下和水上提供精确的垂直定位。其满量程范围可选择最大1260 hPa或4060 hPa，相当于约30 m深度处的水压。这两款传感器可以提高便携式设备和可穿戴设备(包括运动手表)的高度计和气压计性能。典型的工业应用包括天气监测和精确水深传感等。 　　新款三轴MEMS加速度计LIS2DU12，专门用于构建具有主动抗混叠功能的超低功耗架构。其抗混叠滤波器的电流消耗是市场上较低的。LIS2DU12在100 Hz输出数据速率(ODR)下电流消耗仅3.5 µA，也是第一款带I3C接口的市售MEMS加速度计。所有这些功能都集成在最小的2.0 mm x 2.0 mm x 0.74 mm封装中。这款加速度计非常适用于可穿戴设备、助听器、真无线立体声(TWS)耳机、无线传感器节点以及任何必须进行系统优化的应用。 　　新款6轴iNEMO惯性模块LSM6DSV16X包含QVAR静电传感，以及MLC和有限状态机(FSM)，可增强响应并节省电源，其工作电流可低至12 µA。新的FSM可实现自适应自配置(ASC)，由此，该6轴MEMS器件可以感知情境，并在不唤醒系统的情况下自行重新配置，从而实现显著的额外节能效果。这款产品即将投入量产，已在一种静电雷达应用中进行了演示，用于用户检测以加速唤醒笔记本电脑。 　　新款压力传感器LPS22DF提供2.0 mm x 2.0 mm x 0.73 mm 10-lead LGA封装(eStore有售)，LPS28DFW提供2.8 mm x 2.8 mm x 1.95 mm 7-lead LGA封装(eStore提供免费送样)，这两款产品目前已在量产，可通过分销商采购，售价1.90美元起。LIS2DU12和LSM6DSV16X计划于2022年晚些时候推出。

据科技部消息，针对油气田数字化建设需求，先进制造领域部署的国家863课题“油气田监测高性能微传感器及数字化系统”取得阶段性成果，已于近日顺利通过国家级中期检查。这个课题由长庆油田公司牵头，北京大学等5个单位共同参与，通过研究MEMS器件的设计、加工、封装和测试等关键技术，解决高性能MEMS压力传感器耐高温、耐高压、耐腐蚀、高稳定性等问题，研制出满足油气井监测需要的高性能压力传感器及数字化系统，并实现规模应用，提高MEMS压力传感器芯片的规模化制造水平。该系统通过微传感器实现油套压等数据的实时采集和远程传输，将油气井信息进行数字化、智能化综合分析，作出科学决策，指导油气井生产。这对于提高油气田生产管理效率和安全环保水平，减轻劳动强度，筑牢安全管理基础，形成生产动态管理闭环系统，精确指导处理生产问题具有重要意义。

近日，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室易建新副教授课题组提出一种化学电阻-电位型多变量传感器，实现了单一传感器对多种气体和火灾特征的三维探测和准确识别。相关成果以“A chemiresistive-potentiometric multivariate sensor for discriminative gas detection”为题发表在国际学术期刊《自然通讯》上（Nature Communications 14,2023, 3495）。低浓度气体的高灵敏探测和准确识别对于公共安全、环境保护、健康诊断和工业生产等诸多应用具有重要意义。相比于气相色谱和质谱等传统气相分析技术，气体传感器具有成本低、尺寸小、易集成和实时监测等优点，有利于大规模应用。但是，常规传感器仅输出单一信号，不能识别气体，因此探测准确性低，在实用中易受其它气体或环境湿度等干扰而引起误报或漏报。这一问题严重限制了气体传感器的应用。图1. 基于双敏感电极的化学电阻-电位型多变量气体传感器的原理和三维响应研究人员首先利用半导体氧化物电极在表面和界面上不同的响应机制，在同一电极上成功提取出化学电阻和电位两种不同原理的传感信号；进一步，采用钙钛矿型氧离子-电子混合导体氧化物取代贵金属铂电极，和常规的电子导电的敏感材料进行配对，获得了输出三个独立响应信号的双敏感电极传感器。得益于钙钛矿非常规的反向电位响应，传感器的气敏性能得到了显著提高，实现了2-乙基己醇、一氧化碳等多种危险和火灾特征气体的(亚)ppm级三维探测和准确识别，并展现出在火灾危险早期预警方面的应用潜力。图2. 多变量气体传感器在火灾早期预警中的应用这种兼具探测和识别功能的多变量气体传感器简单、高效、成本低，可适用于不同半导体材料电极和固体电解质基底，工作温度范围宽，并可进一步拓展获得更高维度的响应，为复杂环境中气体的高灵敏和准确探测提供了新思路。论文的第一作者为宋卫国研究员和易建新副教授共同指导的博士生张红，通讯作者为易建新副教授。研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。