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低碳經(jīng)濟(jì)催生傳感技術(shù)應(yīng)用新理念

發(fā)布時(shí)間:2010-02-08 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

低碳經(jīng)濟(jì)催生傳感技術(shù)應(yīng)用新理念

從1974年誕生的中國第一個(gè)實(shí)用壓阻式傳感器開始,到目前應(yīng)用火熱的MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)傳感器,微電子技術(shù)的發(fā)展不斷推動(dòng)傳感器技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí),全球基礎(chǔ)元器件市場(chǎng)的增長(zhǎng)推動(dòng)了整機(jī)制造技術(shù)水平的全面提升,傳感器市場(chǎng)正在以持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)之勢(shì)向前發(fā)展。據(jù)預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上,其中中國傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)率超過15%。

技術(shù)進(jìn)步和成本下降為傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來更靈活空間,節(jié)省空間和降低成本,傳感器智能化和微型化的發(fā)展趨勢(shì)為整機(jī)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化功能提供可能;另一方面,隨著低碳經(jīng)濟(jì)對(duì)新型能源和節(jié)能減排的要求,更高效率和更精準(zhǔn)控制的傳感技術(shù)獲得新應(yīng)用,傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,出現(xiàn)在更多之前未曾涉及的領(lǐng)域,如新能源中的風(fēng)力發(fā)電/光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

同時(shí),各種多樣化應(yīng)用對(duì)傳感器設(shè)計(jì)的不同需求,給工程師設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來挑戰(zhàn),需要考慮不同環(huán)境下的整體設(shè)計(jì),包括可靠性/抗干擾等技術(shù)問題,并且不能影響日益嚴(yán)格的質(zhì)量與成本目標(biāo)。

本期半月談為工程師帶來傳感技術(shù)的最新進(jìn)展和應(yīng)用新理念,從下面七點(diǎn)闡述了低碳經(jīng)濟(jì)需求下傳感器向智能化/微型化的發(fā)展趨勢(shì),以及多樣化應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn);幫助工程師了解在風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)中傳感器的最新應(yīng)用等。

  • 電容傳感器在汽車/太陽能熱水器中的應(yīng)用
  • MEMS在智能家電中的特性化應(yīng)用
  • 氣體傳感器在石油化學(xué)工業(yè)氣體中的應(yīng)用
  • 傳感器接口電路的抗干擾設(shè)計(jì)
  • 高度集成電流傳感器應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
  • 風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的光纖傳感器
  • 自動(dòng)跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

技術(shù)進(jìn)步/成本下降拓展廣闊應(yīng)用

引進(jìn)新技術(shù)發(fā)展新功能是傳感器的最大特點(diǎn),設(shè)計(jì)優(yōu)化和封裝制程更新?lián)Q代等因素推動(dòng)傳感器技術(shù)的進(jìn)步。各類傳感器技術(shù)向著微型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)發(fā)展。其中,汽車傳感器無疑是受技術(shù)進(jìn)步影響最大的領(lǐng)域,技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了各種傳感器在汽車上的廣泛應(yīng)用,不在僅僅單純用于發(fā)動(dòng)機(jī)上,巳擴(kuò)展到底盤、車身和燈光電氣系統(tǒng)上,擔(dān)負(fù)著測(cè)量溫度、壓力、流量、位置、氣體濃度、速度、光亮度、干濕度、距離等功能。

以電容式傳感器為例。過去,由于電容傳感器被認(rèn)為具有難以控制、不易讀取、易于老化和溫度要求嚴(yán)格等特點(diǎn),很少用于汽車電子之中,隨著微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步,電容式傳感器技術(shù)正在向智能化方向發(fā)展,加上它們具有生產(chǎn)成本較低、外形適應(yīng)簡(jiǎn)單、功耗低等特性,推動(dòng)了它們?cè)谄噳毫Α⒁何?、濕度測(cè)量方面的應(yīng)用,由此電容傳感器在汽車中的應(yīng)用數(shù)量大幅增長(zhǎng)。同時(shí),電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等突出的優(yōu)點(diǎn),使得它在其他領(lǐng)域也大顯身手,在太陽能熱水器中電容傳感器也有取代傳統(tǒng)電極式傳感器的趨勢(shì)。

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成本的不斷下降也是傳感器贏得廣闊應(yīng)用市場(chǎng)的另外一個(gè)重要因素,以MEMS傳感器為例,它的主要優(yōu)勢(shì)在于體積小、大規(guī)模量產(chǎn)后成本下降快,目前主要應(yīng)用在汽車和消費(fèi)電子兩大領(lǐng)域。

隨著MEMS傳感器加工成本降低,目前用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的MEMS IC的批量單價(jià)在1至1.50美元的水平,其應(yīng)用范圍已從各種便攜式設(shè)備向種類繁多的家用電器延伸,MEMS豐富的算法和功能可使整機(jī)產(chǎn)品具備差異化功能而在市場(chǎng)上脫穎而出。如洗衣機(jī)的馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)常常造成機(jī)身抖動(dòng),導(dǎo)致噪聲提高壽命降低,而MEMS可有效感知出機(jī)身震動(dòng)情況,將信號(hào)反饋給控制器以調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速,從而使設(shè)備保持高效運(yùn)轉(zhuǎn),延長(zhǎng)使用壽命。

據(jù)IC Insight最新報(bào)告預(yù)計(jì),在2007年至2012年間,全球基于MEMS的半導(dǎo)體傳感器和制動(dòng)器的銷售額將達(dá)到19%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率,2012年后將實(shí)現(xiàn)97億美元的年銷售額。

延伸閱讀微機(jī)電運(yùn)動(dòng)傳感器淺談

此外,各工業(yè)部門為節(jié)約原材料、降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益,將大量采用工業(yè)過程控制傳感器;環(huán)保工程中所需各類傳感器的需求會(huì)愈加旺盛,尤其是我國投入4萬億元用于基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目以及應(yīng)對(duì)國際金融危機(jī)采取的防范措施等重點(diǎn)工程,無疑會(huì)大幅度促進(jìn)傳感器產(chǎn)業(yè)的需求增長(zhǎng),其中農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)療衛(wèi)生以及儀器|儀表檢測(cè)用傳感器將是廣闊的新市場(chǎng)。

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多樣化應(yīng)用帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

由于元器件變得越來越復(fù)雜,工程師們需要更加專業(yè)的知識(shí)才能使元器件應(yīng)用最優(yōu)化。在傳感器的設(shè)計(jì)中,更大的壓力來自于各種應(yīng)用的不同需求,設(shè)計(jì)人員必須考慮應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下整體設(shè)計(jì),并且不能影響日益嚴(yán)格的質(zhì)量與成本目標(biāo)。

過去單一功能的傳感器件也越來越多被具有信號(hào)處理和控制算法的傳感器所取代,使得設(shè)計(jì)中需要考慮更多干擾和可靠性方面的要求。如傳感器接口電路中抗干擾設(shè)計(jì),凡是傳感器接口電路都存在小信號(hào)處理問題,因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鲆话愣际切⌒盘?hào),將其精確的放大到所需要的信號(hào)(如0~5V),并能達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo),就必須注意到電路圖上未表示出來的某些問題,即抗干擾問題,再進(jìn)一步討論電路元件的選擇、電路和系統(tǒng)應(yīng)用之前,有必要進(jìn)行討論。
干擾可粗略的分為3個(gè)方面:

  • 局部產(chǎn)生(即不需要的熱電偶)
  • 子系統(tǒng)內(nèi)部的耦合(即地線的路徑問題)
  • 外部產(chǎn)生(即電源頻率的干擾)

接口電路的防干擾問題是得到高質(zhì)量信號(hào)的重要措施之一,傳感器的輸出信號(hào)越低,接口電路的放大元件的選擇,以及防干擾措施要求越嚴(yán)格,但要求傳感器的信號(hào)大,又會(huì)影響傳感器輸出的非線性等特性,這是矛盾的。如何解決這些矛盾,工程師在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)考慮在線性度允許的條件下,盡可能地提高傳感器的輸出靈敏度。

更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)點(diǎn)擊:傳感器接口電路的抗干擾設(shè)計(jì)

另一個(gè)挑戰(zhàn)是節(jié)約能源的需求,該要求意味著越來越多的過去曾經(jīng)采用機(jī)械控制的應(yīng)用場(chǎng)合將改變成全電子控制,由此提供更高的可靠性、改進(jìn)的調(diào)節(jié)功能以及更高的能源效率。尤其是能源效率或“綠色”設(shè)計(jì)的需要。

一個(gè)典型的案例就是家用電器,比如洗衣機(jī),用戶要求高效率并便于操作,這促使制造商采用新型電機(jī)控制技術(shù),由此帶來的是新型傳感器的開發(fā)和應(yīng)用需求。在空調(diào)設(shè)備中,更多變頻控制可以更準(zhǔn)確地控制溫度以及大幅度地降低噪音,更精細(xì)調(diào)節(jié)和舒適度的需求需要更多的傳感器來完成。

延伸閱讀高度集成電流傳感器應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

低碳經(jīng)濟(jì)催生傳感器應(yīng)用新理念

21世紀(jì),低碳經(jīng)濟(jì)的浪潮不可抵擋,節(jié)能減排與新能源成為各國政府重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域,細(xì)分到我們所熟悉的與傳感器相關(guān)的行業(yè),則包括了核電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、智能電網(wǎng)、清潔煤發(fā)電等產(chǎn)業(yè)。如最近一段時(shí)間,傳感技術(shù)開始用于檢測(cè)和優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電風(fēng)輪系統(tǒng),通常在風(fēng)輪組裝的時(shí)候安裝在風(fēng)輪上。

作為發(fā)展最快的能源技術(shù),風(fēng)輪的尺寸越來越大。又安裝在比較遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)。監(jiān)視工程師需要實(shí)時(shí)了解這些風(fēng)輪的狀態(tài),因此傳感技術(shù)的應(yīng)用將幫助工程師及時(shí)了解信息和進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

延伸閱讀:風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中的光纖傳感器

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中方位和仰角太陽傳感器,風(fēng)力傳感器,日光開關(guān)三種傳感器構(gòu)成了日光跟蹤器。

太陽傳感器是聚光電池陣列法線偏離太陽光線的角度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置,它是跟蹤系統(tǒng)的重要部件,在很大程度上決定跟蹤的精度。太陽傳感器測(cè)量太陽的方位,如有偏向,通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使電池陣列對(duì)準(zhǔn)太陽。風(fēng)力傳感器采用感應(yīng)式器件,當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定強(qiáng)度(如8級(jí)風(fēng))時(shí),控制器控制仰角驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使陣列向水平方向運(yùn)行,直到陣列受力最小為止。在這種狀況下,仰角驅(qū)動(dòng)電機(jī),不受方位太陽傳感器控制。日光開關(guān)也是采用光敏器件,使白天太陽能電池陣列受方位太陽傳感器控制而運(yùn)轉(zhuǎn);夜間,陣列不受方位太陽傳感器控制,而僅受日光開關(guān)控制向東方向運(yùn)行,即陣列返回到早晨初始位置。

延伸閱讀:自動(dòng)跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

低碳經(jīng)濟(jì)的概念正在滲入到各個(gè)行業(yè),以環(huán)保、節(jié)能、高效為特征的需求,將會(huì)為新型元器件和傳感器行業(yè)迎來一個(gè)發(fā)展新機(jī)遇!
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