編者語(yǔ)：國(guó)內(nèi)的傳感器市場(chǎng)還有待發(fā)展,尤其是大電流傳感器技術(shù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,無(wú)論是軌道交通或者風(fēng)電等新能源行業(yè)的發(fā)展需求都將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越多的傳感器廠家把目光投向軌道交通、新能源等行業(yè)。

風(fēng)電行業(yè)推進(jìn)傳統(tǒng)傳感器技術(shù)的發(fā)展

從人類發(fā)展的早期開始,便將風(fēng)能作為一種能源使用,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們開始更加精準(zhǔn)地運(yùn)用風(fēng)能。

德國(guó)的石勒蘇益格-荷爾斯泰因州位于北海和波羅的海之間,即使在風(fēng)力不大的情況下,力士樂公司生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍可運(yùn)行。如果風(fēng)向從西北向北變化8度,測(cè)風(fēng)儀就會(huì)把感測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng),控制偏航驅(qū)動(dòng)裝置將機(jī)艙定位到合適的位置。測(cè)風(fēng)儀包括風(fēng)速傳感器和風(fēng)向傳感器,是隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。一般來(lái)說(shuō),風(fēng)速傳感器應(yīng)滿足測(cè)量范圍為0～60米/秒,誤差范圍在0.5米/秒以內(nèi),工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貧鉁貤l件。而風(fēng)向傳感器應(yīng)滿足測(cè)量范圍為0～360度,精確度在2.5度以內(nèi),工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貧鉁貤l件。

中國(guó)科學(xué)院電工研究所新能源組的副研究員李建林表示,“風(fēng)電行業(yè)對(duì)測(cè)量高電壓、大電流傳感器,振動(dòng)傳感器,溫度、濕度、測(cè)風(fēng)、以及壓力傳感器等產(chǎn)品應(yīng)用均會(huì)有所推進(jìn)。”其中,由于電流傳感器是風(fēng)能渦輪機(jī)中轉(zhuǎn)換器必不可少的元件,在風(fēng)電行業(yè)中的應(yīng)用尤為重要。在某些逆變器內(nèi),小型和PCB安裝電流傳感器的應(yīng)用非常廣泛。這些傳感器是轉(zhuǎn)換器閉環(huán)控制的一部分,可以確保逆變器快速反應(yīng)。

當(dāng)逆變器與發(fā)電機(jī)的智能功率控制同時(shí)使用時(shí),可以確保在風(fēng)能渦輪機(jī)啟動(dòng)之后在一個(gè)很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供持續(xù)功率,直到渦輪機(jī)在上限風(fēng)速時(shí)停機(jī)為止。為了對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行最佳定位,各個(gè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳感器會(huì)對(duì)電流進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,電路控制器的質(zhì)量和反應(yīng)時(shí)間最終由電流傳感器的設(shè)計(jì)和性能而確定。這就是具有小電流額定值的閉環(huán)電流傳感器廣泛應(yīng)用在風(fēng)電行業(yè)的原因。除了具有極好的線性度和精確度之外,閉環(huán)電流傳感器本身還具有高帶寬以及快速的反應(yīng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

李建林指出,國(guó)內(nèi)的電流傳感器市場(chǎng)還有待發(fā)展,尤其是大電流傳感器技術(shù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平。由于國(guó)內(nèi)的大電流傳感器技術(shù)相對(duì)不夠成熟,國(guó)內(nèi)風(fēng)電整機(jī)廠商在采購(gòu)大電流傳感器時(shí),大多數(shù)會(huì)選擇進(jìn)口產(chǎn)品,由于進(jìn)口產(chǎn)品的價(jià)格往往高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的價(jià)格,這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本壓力。而在小電流傳感器技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平與國(guó)際水平已沒有多少差距。

由于國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電站多設(shè)在“三北地區(qū)”(華北、東北、西北)及沿海地區(qū),氣候相對(duì)惡劣,因此風(fēng)電機(jī)組對(duì)傳感器性能的要求較高,尤其是對(duì)加熱功能、抗震性、抗高頻電磁干擾、防極性接反(連接)及風(fēng)向指針抗沖擊和振動(dòng)等能力的要求要遠(yuǎn)高于通用傳感器的性能指標(biāo),而潮汐發(fā)電站的機(jī)組還要求傳感器具有良好的防海水腐蝕性能。

李建林告訴記者,傳感器在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用并非僅僅局限于風(fēng)力發(fā)電行業(yè),就我國(guó)電力行業(yè)來(lái)說(shuō),使用傳感器的場(chǎng)合非常多。在電廠、電站主要使用壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器,在輸變電領(lǐng)域主要使用電壓傳感器、電流傳感器。它們大都屬于技術(shù)水平不高但對(duì)可靠性和穩(wěn)定性要求較高的通用傳感器,而技術(shù)水平要求較高的光傳感器現(xiàn)在在電力行業(yè)應(yīng)用還較少。

由于電廠、電站的傳感器一般都是由機(jī)組設(shè)備廠商進(jìn)行選擇,所以國(guó)內(nèi)傳感器應(yīng)用的相對(duì)較多。輸變電領(lǐng)域則不同,相對(duì)發(fā)電領(lǐng)域,由于傳感器的一次性投入比較小,各個(gè)電網(wǎng)區(qū)域選擇品牌時(shí)對(duì)價(jià)格不是很敏感,而且使用一些比較新的技術(shù)可以提高輸變電水平,所以國(guó)外品牌的傳感器應(yīng)用比較多。”

軌道交通帶動(dòng)新型傳感器技術(shù)的發(fā)展

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,在現(xiàn)代化先進(jìn)的城市地鐵、輕軌車輛的牽引控制系統(tǒng)及輔助供電系統(tǒng)中,均使用了VVVF調(diào)壓調(diào)頻方式的牽引逆變器及CVCF的輔助逆變器。和干線交-直-交傳動(dòng)機(jī)車一樣,電流傳感器和電壓傳感器亦大量應(yīng)用在上述系統(tǒng)的直流和交流回路中,以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

但是,城市軌道交通對(duì)傳感器技術(shù)最大的推動(dòng)卻在于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),紅外傳感器技術(shù)受力傳感器、氣體傳感器、速度傳感器和光電傳感器技術(shù)等新型傳感器領(lǐng)域,而不僅僅是電流傳感器和電壓傳感器等傳統(tǒng)傳感器領(lǐng)域。中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司副總工程師、高級(jí)工程師兼國(guó)際項(xiàng)目管理專家王術(shù)合指出,“在地鐵領(lǐng)域,與通風(fēng)空調(diào)有關(guān)的如溫濕度和CO2傳感器,和防恐有關(guān)的一些有毒氣體傳感器的需求量及技術(shù)含量都很高。

在高速動(dòng)車組領(lǐng)域,對(duì)與封閉車廂內(nèi)的氧氣量監(jiān)測(cè)與補(bǔ)給、地震、速度監(jiān)測(cè)、軸溫檢測(cè)、連接部位松動(dòng)監(jiān)測(cè)、異物監(jiān)測(cè)等相關(guān)傳感器的需求非常高,這些技術(shù)仍在不斷發(fā)展和完善中。而防盜搶類傳感器,如高壓室玻璃破碎、誤進(jìn)入,以及電纜盜搶傳感器等都很重要。”王術(shù)合進(jìn)一步指出,這些傳感器與系統(tǒng)設(shè)備以及人身的安全息息相關(guān)。

在城市軌道交通車輛的空調(diào)系統(tǒng)中,常采用傳感器與電子溫控器相配合進(jìn)行溫度控制。溫控器多使用電子調(diào)節(jié)器,傳感器用作溫度檢測(cè),一般采用熱電偶或熱敏電阻作傳感器。而在客室內(nèi),由于人的呼吸,二氧化碳(CO2)的含量會(huì)增加,當(dāng)增加到一定濃度后就會(huì)影響人的健康,車內(nèi)乘客攜帶的物品中產(chǎn)生的有害氣體等也會(huì)使車內(nèi)空氣變得污濁,這時(shí)就需要外界產(chǎn)生新鮮空氣,對(duì)車內(nèi)的空氣進(jìn)行一定的更換,因此傳感器對(duì)氣體的精確檢測(cè)就顯得尤為重要。

自2005年1月美國(guó)華盛頓市的兩個(gè)地鐵站啟用一種能檢測(cè)到化學(xué)毒氣的傳感器開始,越來(lái)越多的地鐵站開始運(yùn)用傳感檢測(cè)技術(shù)保證軌道交通的安全運(yùn)行。2008北京奧運(yùn)會(huì)后,國(guó)內(nèi)的許多城市都規(guī)定了軌道交通各個(gè)站點(diǎn)應(yīng)強(qiáng)制安置對(duì)爆炸物和有毒有害化學(xué)危險(xiǎn)品檢測(cè)的傳感器。而由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)包括了可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多類型的傳感器,因此成為軌道交通安全保證系統(tǒng)中的主要傳感器技術(shù)。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的熱點(diǎn)也是難點(diǎn)之一,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)布設(shè)的大量多種類傳感器節(jié)點(diǎn)組成,能夠迅速組成自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)分布式動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行協(xié)同感知與處理,形成殘缺、受限的自治綜合信息系統(tǒng),是人類的遠(yuǎn)程神經(jīng)末梢。上海微系統(tǒng)所已在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MEMS傳感器、芯片、節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同處理等方面攻克多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和樣機(jī),在隨機(jī)布設(shè)組網(wǎng)、多種分簇組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架、多種通信體制、虛擬MIMO等方面取得顯著進(jìn)展。在傳感網(wǎng)的盲源分離、多目標(biāo)協(xié)同識(shí)別、跟蹤定位等領(lǐng)域的部分關(guān)鍵技術(shù)居世界先進(jìn)水平,并針對(duì)國(guó)家重大需求,得到一定規(guī)模的重要應(yīng)用。

傳感器在保證軌道交通安全上的另一個(gè)重要應(yīng)用是屏蔽門,過(guò)去曾多次出現(xiàn)過(guò)將乘客夾在屏蔽門和列車門之間的事故,現(xiàn)在越來(lái)越多的軌道交通車站正在安裝或計(jì)劃安裝紅外傳感器或光傳感器,以防乘客變成“夾心餅干”。

國(guó)家對(duì)軌道交通建設(shè)的大力投入將進(jìn)一步帶動(dòng)傳感器市場(chǎng)的發(fā)展,除了上述傳感器以外,還包括了機(jī)器視覺傳感器,作為軌道建設(shè)中地下施工最高設(shè)備的盾構(gòu)機(jī)用傳感器等。

傳感器市場(chǎng)在進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí),越來(lái)越多的傳感器廠商加入到市場(chǎng)的爭(zhēng)奪中來(lái)。作為傳感器廠商能否緊跟市場(chǎng)需求的牽引,不斷拓展業(yè)務(wù)藍(lán)海,提高自身的技術(shù)實(shí)力,將成為今后一段時(shí)間發(fā)展獲得突破的關(guān)鍵。