现代传感技术与系统 教学课件 林玉池 曾周末 第1章

在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ:349134187 或者直接输入下面地址： 第1章 绪 论 v1.1 传感器定义及其分类 v1.2 传感技术 v1.3 信息、信息技术与传感 v1.4 测量系统的信息模型 v1.5 传感技术的地位与作用 v1.6 传感技术的发展现状与趋势 v传感器是一种装置或器件。国家标准（GB7765-87 ）给传感器的定义是：能够感受规定的被测量并 按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 ，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元 件是指传感器中能直接感受被测量的部分；转换 元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被 测量转换成适于传输或测量的电信号。 1.1 传感器定义及其分类 1.1.1 传感器的定义 从广义来说，传感器是一种能把物理量或化学量或生物 量等按照一定规律转换为与之有确定对应关系的、便于应 用的某种物理量的器件或装置。它包含以下几层意思： v传感器是测量器件或装置，能完成一定的检测任务； v它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学 量、生物量等。 v它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处 理、显示等等，这种量可以是气、光、电量等，一般情况 下是电量； v输出输入有对应关系，且应有一定的精确度。 1.1.1 传感器的定义 1.1.1 传感器的定义 v国际电工委员会(International Electrotechnical Committee)把传感器定义为：“ 传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。 v“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，德国和俄罗斯学者认为传感 器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理 信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。 v关于传感器，曾出现过许多种名称，如发送器、传送器、变送器、敏感元件 等，它们的内涵相同或者相似，所以近来已逐趋向统一，都按国家标准规范 使用传感器这一名称。从字面上可以作如下解释：传感器的功用是一感二传 ，即感受被测信息，并传送出去。 v自动化领域至今仍常用变送器的概念。 v变送器是遵循一个物理定律（或实验数学模型）将物理量的变化转化成标准 信号转化成标准信号（如 0/4-20mADC,1-5VDC,0-10VDc ）的装置。 1.1.1 传感器的定义 v人的大脑通过五种感觉（人的“五官”眼、耳、鼻、舌 、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉），对外界的刺激 做出反应。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器 官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律 以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种请 况，就需要传感器。 v人体的感官属于天然的传感器；而人们常说的传感器是人 类五官的延长，是人类的第六感官，也称之为电五官。它 是人体“五官”的工程模拟物，是一种能把特定的被测量的 信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换 成某种可用信号输出的器件或装置 。 v敏感元件：指传感器中能直接感受或响应被测量 的部分。 v转换元件：指传感器中能将敏感元件感受或响应 的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分 。 v转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感） 量转换成便于测量电量（如电压、电流、频率等 ）。 1.1.2 传感器的组成 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 电量 被测量 辅助电源 敏感 元件 转换 元件 转换 电路 电量 被测量 传感器组成框图 1.1.2 传感器的组成 v传感器的种类繁多，一种被测量可以用不同的传感器来测量，而同一原理的 传感器通常又可测量多种被测量，因此分类方法各不相同，目前尚没有统一 的分类方法。 v根据传感器的工作机理 v基于物理效应如光、电、声、磁、热等效应进行工作的物理传感器； v基于化学效应如化学吸附、离子化学效应等进行工作的化学传感器； v基于酶、抗体、激素等分子识别功能的生物传感器。 v根据传感器的构成原理 v结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电 磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。特点是传感器的工作原理是以传 感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。 v物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。定律、法则大多数是 以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。 v根据传感器的能量转换情况 v能量控制型是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化（即传感器输入量 的变化）只起到控制的作用。如应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应等电桥 v能量转换型是由传感器输入量的变化直接引起能量的变化。如热电效应中热电偶、光 电池等。 1.1.3 传感器的分类 1.1.3 传感器的分类 分类类方法 传传感器的类类型 说说 明 (掌握例举举） 按基本效应应 分类类 物理型、化学型、生物型分别别以效应应命名为为物理、化学、生物传传感器 按构成原理分 类类 结结构型 物性型 以其转换转换元件结结构参数变变化实现实现信号转换转换 以其转换转换元件结结构物理特性变变化实现实现信号转换转换 按作用原理分 类类 应变应变式、电电容式、压电压电式、 热电热电式等 以传传感器对对信号转换转换的作用原理命名 按能量关系分 类类 能量转换转换型（自源型） 能量控制型（外源型） 传传感器输输出量直接由被测测量能量转换转换而得 传传感器输输出量能量由外源供给给但受被测输测输入量控制 按敏感材料分 类类 半导导体传传感器、光纤传纤传感器、陶 瓷传传感器、高分子材料传传感器、 复合材料传传感器等 以使用的敏感材料命名 按输输入量分 类类 位移、压压力、温度、流量、气体 、振动动、温度、湿度粘度等 以被测测量命名（即按用途分类类法） 按输输出信号 分类类 模拟拟式 数字式 输输出量为为模拟拟信号 输输出量为为数字信号 按与某种高新 技术结术结合 集成传传感器、智能传传感器、机器 人传传感器、仿生传传感器等 按基于的高新技术术命名 1.1.3 传感器的分类 v根据感知外界信息所依据的基本效应，分成物理 、化学、生物传感器三大类； 思考: 超声波传感器；酶热敏电阻；半导体气敏传感 器 v根据传感器的构成原理，物理传感器分为结构型 与物性型两大类； 思考: 光栅传感器；电容传感器；应变片；硅光电池 ；电涡流传感器 1.2 传感技术 v传感器技术发展极为迅速，已经逐渐形成了一门新的学科 。以传感器为核心逐渐外延，与测量学、微电子学、物理 学、光学、机械学、材料学、计算机科学等多门学科密切 相关，多种技术相互渗透、相互结合而形成一种新技术密 集型综合性学科领域传感技术。传感技术的含义比传 感器更为广泛，传感技术包括传感（检测）原理、传感器 件设计制造和开发应用等全部工程技术领域，也被称为传 感器工程学。 v传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（ 变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术， 它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制（ 建）造、测试、应用及评价改进等活动。获取信息靠各类 传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。 按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感 系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技 术系统的构造第一个关键。信息处理包括信号的预处理、 后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过 处理信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象 与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨 识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和 系统论的。它包含了众多的高新技术、被众多的产业广泛 采用。它也是现代科学技术发展的基础条件，因此受到广 泛重视。 1.2 传感技术 1.2 传感技术 小结 v传感器是获取信息的工具。传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综 合技术。它是信息技术(传感与控制技术、通讯技术和计算机技术)的三大支 柱之一。 v传感学科是一门综合性学科，它与物理学、电学、光学、机械学、材料学、 计算机科学等多门学科密切相关。 v传感技术涉及传感（检测）原理、传感器件设计、传感器开发和应用的综合 技术。 v传感技术的含义比传感器更为广泛，它是敏感功能材料科学、传感器技术、 微细加工技术等多学科技术互相交叉渗透而形成的一门新技术学科传感器 工程学。 v传感技术与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支 柱之一。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技 术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、 仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术 密集型前沿技术之一。 1.3 信息、信息技术与传感 v我国国家标准情报与文献工作词汇基本术语（GB/T 48941985）中，关于“信息”的解释是：“信息是物质 存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的 一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意 义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。” v信息是比较抽象的，有关信息的概念及其数学模型的研究 ，还在不断深入，有关信息的定义也是一个值得进一步探 讨的问题。 1.3.1 信息的概念 v控制论创始人之一，美国科学家维纳(NWiener)在1948年出版的奠 基性著作控制论动物和机器中的通信与控制问题一书中指出： “信息就是信息，不是物质，也不是能量。”他的这个论断，在信息与 物质和能量之间划了一道界限。后来，他又在人有人的用处一书 中，提出了新的看法：“信息就是人和外界互相作用的过程中互相交 换的内容的名称”。 v信息论奠基人，美国科学家香农(CEShannon)，1948年在通 信的数学理论一文中指出：“凡是在一种情况下能减少不确定性的 任何事物都叫做信息（information）”。把信息定义为人们对事物了 解的不确定性的消除或减少。 v意大利学者朗格(GLonge)提出用变异度、变异量来度量信息，认为 “信息就是差异”，他在1975年出版的信息论：新的趋势与未决问题 一书序言中提出：“信息是反映事物的形式、关系和差别的东西。 信息是包含于客体间的差别中，而不是客体本身中。” v我国学者钟义信教授在信息科学原理一书中说：信息是“事物运 动的状态和方式，也就是事物内部结构和外部联系的状态和方式”。 1.3.1 信息的概念 v（国家标准）信息定义的意义： 信息是事物运动的状态与方式，是物质的一种属性； 信息的本质是物质的属性，而不是物质实体本身； 信息是物质的属性，而不是事物本身，是由事物发出的消息、指 令、 数据、信号等所包含的内容，是数据、消息中的意义； 明确了信息的认知知识的功能，即能减少不确定性的能力，可以 说，信息是知识的源泉； 是数据与消息这样的讯息中所包含的内容 ，信息不同于消息，消 息 只是信息的外壳，信息则是消息的内核；信息不同于信号，信 号是信息的载体，信息则是信号所载荷的内容；信息不同于数据，数 据是记录信息的一种形式。 v总之，信息是物质存在的一种方式、形态或运动 状态，也是事物的一种普遍属性。 1.3.1 信息的概念 1.3.1 信息的概念 v信息是指数据与消息中所包含的意义，是数据与 消息这样的讯息中所包含的内容，区分了信息与 消息。 v信息不同于消息，消息只是信息的外壳，信息则 是消息的内核； v信息不同于信号，信号是信息的载体，信息则是 信号所载荷的内容； v信息不同于数据，数据是记录信息的一种形式， 同样的信息也可以用文字或图像来表述。 1.3.2 信息技术 v信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术 ，是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存 贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的 技术，是用于管理和处理信息所采用的各种技术 的总称。信息技术主要包括以下几方面技术 ： （1）感测与识别技术 （2）信息传递技术 （3）信息处理与再生技术 （4）信息应用技术 1.3.2 信息技术 v信息技术被称为“3C”技术 v凡是可以扩展人的信息功能的技术，都是信息技术。信息 技术的主体内容包括传感技术、通信技术和汁算机技术。 v传感技术主要包括信息的识别、检测、提取、变换以及某 些信息处理技术，它是人的感官功能的扩展和延仲；通信 技术包含信息的变换、传递、存贮、处理以及某些控制与 调节技术，它是人的信息传输系统(神经系统)功能的扩展 和延长；计算机技术主要包括信息的存贮、检索、处理、 分析、产生(决策或称指令信息)，以及控制等，它是人的 信息处理器官(大脑)功能的延长。 v传感、通信和计算机技术三者史相辅相成的。它们构成了 信息技术的核心，又被称为“3C”技术，即信息收集、通 信和计算机(Collection，Communication and Computer) 技术。 1.3.3 信息的基本性质 v普遍性：信息是普遍存在的，凡有物质及其运动 存在，就有信息产生。无论是自然界还是人类社 会，无论是有机界还是无机界，信息无所不在无 时不在。 v客观性：信息是客观的，物质及其状态是不以人 的意志为转移的客观存在，所以反映这种客观存 在的信息同样具有客观性。 v时效性（动态性）：信息所反映的总是特定时刻 事物的运动状态和方式，信息一旦被提取出来后 ，就脱离了源物质，不可能反映该事物其后的变 化，因此它的效用会随着时间的推移逐渐降低。 1.3.3 信息的基本性质 v依附性：信息是抽象的，必须依附于物质形式的载体而存 在， 信息的载体可以是多种多样的，如语言、文字、图 像、声波、光波、电磁波、纸张、胶片、磁带、磁盘、光 盘等等。正是借助于这些载体，信息才能被人们感知、接 受、加工、存储。信息载体的进步，有力地推动了人类社 会的发展。 v可识别：对于客观存在的信息，人们可以通过自己的感觉 器官，或借助各种仪器设备，来感知、接受信息，并进而 识别它。信息的可识别性，是人类能够认识客观世界的基 础。 v可转换：信息可以从一种形态转换为另一种形态。如自然 信息可转换为语言、文字和图像等形态，也可以转换成计 算机代码及广播、电视等电信号，而电信号和代码又可以 转换成语言、文字、图像等。 1.3.3 信息的基本性质 v可传输：人与人之间的信息传递依靠语言、表情 、动作；社会信息的传输借助报纸、杂志、广播 ；工程中的信息则可以借助机械、光、声、电器 件等。 v可存储：人用脑神经细胞存贮信息(称作记忆)； 计算机用内存储器和外存储器存储信息；录音机 、录相机用磁带存储信息；等等。 1.3.4 信息的基本特征 (1) 信息是一种资源 v物质提供各种各样有用的材料；能源提供各种形 式的动力；信息向人们所提供的则是无穷无尽的 知识和智慧。 v知识是人类社会实践经验的总结，是人的主观世 界对于客观世界的概括和如实反映。 v信息是知识的源泉，信息经过科学的加工，上升 为知识，知识是系统化和优化了的信息，是同类 信息的高度积聚。 v信息是决策（在充分掌握信息的基础上根据客观 形势和实际条件，权衡利弊，确定目标和实施战 略的过程）的依据。 1.3.4 信息的基本特征 (2) 信息技术与新技术革命 v信息技术、新材料技木和新能源技术，它们构成 了科学技术的和谐的鼎足结构。微电子技术是由 新材料和信息技术派生出来的一门新技术；激光 技术是新能源和信息技术派生出来的新技术；生 物、海洋和空间技术则是新材料、新能源和信息 技术派生出来的三门新技术。而光导纤维通信和 计算机技术则是信息技术的分支。 v信息技术向人类提供了各种有用的知识，是现代 技术的智慧和灵魂，在新的技术革命中扮演主要 的角色。 1.3.4 信息的基本特征 (3) 物质、能量、信息三者的关系 物质、能量和信息，作为物质世界的三种资源，具有三 位一体相辅相成的关系。 v现代科学认为：构成客观世界的三大基础是物质 、能量和信息。 v能量是物质的属性，是一切物质运动的动力。 v信息是物质运动的状态与方式，是物质的一种属 性。 v信息是客观事物和主观认识相结合的产物，没有 信息，物质和能量便无从认识。 1.3.4 信息的基本特征 v信息是物质的属性，但不是物质自身。事物运动的状态和 方式一旦体现出来，就可以脱离原来的事物而相对独立地 负载于别的事物上而被提取、表示、处理、存储和传输。 因此，信息不等于它的原事物，也不等于它的载体。 v信息虽不等于物质本身，但它也不能脱离物质而独立存在 ，必须以物质为载体，以能量为动力。物质、能量和信息 三者相辅相成，缺一不可。 v信息与能量息息相关，传输信息或处理信息总需要一定的 能量来支持，而控制和利用能量总需要有信息来引导。 v但是信息与能量有本质的区别，信息是事物运动的状态与 状态变化方式，能量是事物做功的本领，提供的是动力。 v信息既不是物质，也不是能量，它以物质和能量作为载体 ，人们通过对物质和能量特征差异性的研究得以了解它们 。 1.3.5 传感技术是信息的源头技术 v人类通过大自然发出的信息了解物质世界的属性和规律， 信息是人类科学活动的基础，在自然科学与工程技术领域 ，学科的前沿常常止步于难以获取信息的地方。 v自然界的许多种物质运动变化，能够通过不同途径直接或 间接引起相应电学量的变化，可以获得所关心的自然信息 ，有效地拓展了人类可能认知的自然信息范围。 v自然信息转换为电信号之后，可以与各种信号传输、处理 系统衔接，构成具有多种功能的反馈控制系统，使以人为 主体的多种操作控制系统发展成为由信息获得装置、信号 传输处理系统和执行机构共同组成的各类自动化系统。 1.3.5 传感技术是信息的源头技术 v以电子学方式获取自然信息,可以直接利用电子学发展成 果 v电子学系统可以充分放大微弱的电信号，能够在背景噪声 中识别所需要的信息，使人们能够观测自然现象的细微变 化和差异，甚至能够获得单个电子或光子的信息。 v许多电子器件本身可以成为获取自然信息的器件，光电子 学提供的多种光敏器件能够非常方便地使光学信息转换成 电学量，进一步扩大了通过电学手段获取自然信息的能力 。 v电子学使人们能够非常方便地利用波与物质的相互作用， 通过分析物体发射的各种波的特性获取自然信息。 v利用电子学手段很容易激发产生用于获取信息所需要的电 磁波、超声波和激光，也很容易探测波产生的各种效应 v利用电子学手段很容易激发产生用于获取信息所需要的电 磁波、超声波和激光，也很容易探测波产生的各种效应 1.4 测量系统的信息模型 v信息论奠基人，美 国科学家山农从理论上 阐明了通讯的基本问题， 提出如右图所示的通讯 系统模型。 v是一个单向通信系统模型，信息从信息源传送到信宿。编码器是把 信息变换成物理信号的装置；译码器是编码器的逆变换装置，即把 物理信号转换为信宿能够感知的信息的装置；信道是传送物理信号 的媒介；信宿是信息传送的对象，即接受的人或机器，这是一个概 括性很强的通信系统。 1.4.1 信息模型 通信系统模型 干 扰 信号+ 干扰 信号 消 息 信源编码器信道 译码器 噪声源 消 息 信 宿 1.4.1 信息模型 v测量的目的是为了获取被测对象的信息，确定被 测量的值。从本质上讲，测量系统就是一个信息 系统，测量即为信息获取和加工的过程。 测量系统框图 被测 对象 传感器 信号调理 传 输 信号处理 显示记录 激励装置 反馈、控制 1.4.1 信息模型 v切削力（测力仪） 、切削温度（热电偶）、刀架 振动（加速度计）。 v传输信号的通道：刀具系统、传感器、电缆线等 。 正向信道 刀 架控制系统 识别变换放大 传感器 反向信道 切削过程刀具磨损监控系统 1.4.2 信息传感与能量的关系 v当被测对象的物理状态与某种形式的能量有关 时，从被测对象的状态所获得的信息中，便可确 定传感器得到的能量与信息的相互关系。 v当被测对象的物理状态与能量无关时，为了测 量，则需对被测对象施加一定的能量，根据其响 应的情况来获得有关被测对象的信息。 v传感器与被测对象之间的信息授受中总是伴随着 能量的授受。传感器就是一种能量变换器，但是 其能量变换并不是目的。所以，传感器的能量变 换效率不但不重要，而且，为了不致影响被测对 象的本来状态，要求从被测对象上获取的能量越 小越好。 1.4.3 被测量与能量变换 v(1)示容变量和示强变量 示容变量（流通变量）：表示能容纳多少的量或 表示物质形态的量，例如长度、面积、体积、质 量、位移、速度、电荷等都是与空间的分布成比 例，也即容纳多少的量，因此叫示容变量。 示强变量（作用变量） 表示在某种场合下作用程 度的量，如力、压力、温度、电压等都属于示强 变量。 1.4.3 被测量与能量变换 v(2)传感器的能量变换 示容变量与示强变量组合之积与一某一种能量相应的。 能 量等于示容变量与示强变量之积，即： 1.4.3 被测量与能量变换 输出 IdU 示强变量 dU 示容变量I 输入 Pdv 示强变量 P 示容变量 dv 1.4.3 被测量与能量变换 v (3) 能量变换与误差 传感器从被测对象索取能量进行变换时，在某种 程度上传感器对被测对象的状态产生影响，导致 误差。 传感器输出端的负载从传感器索取能量也是造成 系统误差的原因之一。 不同的传感器对测量的影响是不同的，但只要传 感器对被测对象影响越小，负载对传感器输出的 影响越小，就可实现高精度的测量。 1.5 传感技术的地位与作用 （1）边缘学科 v传感技术机理各异，涉及多门学科与技术，包括测量学、 微电子学、物理学、光学、机械学、材料学、计算机科学 等。 v在理论上物理学中的“效应”、“现象”，化学中的“反 应”、生物学中的“机理”作为基础。 v在技术上涉及电子、机械制造、化学工程、生物工程等学 科的技术。 v多种高技术的集合产物，传感器在设计、制造和应用过程 中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性呈现出技术密 集的特性。 1.5.1 传感技术的特点 1.5.1 传感技术的特点 （2）产品、产业分散，涉及面广 v自然界中各种信息（如光、声、热、湿、气等） 千差万别，传感器品种繁多，被测参数包括热工 量、电工量、化学量、物理量、机械量、生物量 、状态量等。应用领域广泛，无论是高新技术， 还是传统产业，乃至日常生活，都需要应用大量 的传感器。 （3） 性能稳定、测试精确 v传感器应具有高稳定性、高可靠性、高重复性、 低迟滞、快响应和良好的环境适应性。 1.5.1 传感技术的特点 （4）功能、工艺要求复杂 v传感器具有各种作用，既可代替人类五官感觉的 功能，也能检测人类五官不能感觉的信息称得上 是人类五官功能得扩展。 v应用要求千差万别，有的量大面广，有的专业性 很强；有的要求高精度，有的要求高稳定性，有 的要求高可靠性；有的要求耐热、耐振动，有的 要求防爆、防磁，等等。 v面对复杂的功能要求，设计制造工艺复杂。 1.5.1 传感技术的特点 （5） 基础、应用两头依附 产品、市场相互促进 v基础依附是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材 料、工艺装备和计（量）测（试）技术这四块基石； v应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其开发多 依赖于制成检测装置和自动控制系统加以应用，才能真正 体现出它的高附加效益并形成现实市场； v只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能 实现传感器产业的全面、协调、持续发展。 1.5.2 传感技术的地位与作用 v中国仪器仪表学会根据国际发展的潮流和我国的 现状，把仪器仪表概括为以下六类： 工业自动化仪表、控制系统及相关测控技术； 科学仪器及相关测控技术； 医疗仪器及相关测控技术； 信息技术电测、计量仪器及相关测控技术； 各类专用仪器仪表及相关测控技术； 相关传感器、元器件、制造工艺和材料及其基础科学 技术。 v这里的传感器与本书一样是狭义的，若从信息获 取的概念出发，整个仪器仪表都可以认为属于传 感技术范畴，只不过有的仪器不单是信息获取， 还包含信息的处理、传输和显示。 1.5.2 传感技术的地位与作用 (1) 感受外界信息的电五官 信息技术的源 头 v人们往往把传感器与人类五官相比喻，誉为电五官：而把计算机誉为 人的大脑；把通讯技术作为人的经络。 v因此通过感官来获取信息(传感器)，由大脑(计算机)发出指令，由经 络(通讯技术)进行传输，现代信息技术缺一不可。 v信息技术包括信息获取、信息处理、信息传输三 部分内容。传感技术作为信息技术的三大支柱中 ，起着源头的作用。没有传感器获取信息，或信 息获取不准确，那么信息的存储、处理、传输都 是毫无意义的。因而，信息获取是信息技术的基 础，是信息处理、信息传输的源头，也是信息技 术中的关键技术。 (2)获取人类感官无法获得的大量信息 v在科学研究和基础研究中，传感器能获取 人类感官无法获得的信息，源源不断地向 人类提供宏观与微观世界的种种信息，成 为人们认识自然、改造自然的有利工具。 v由于传感器在感知某一种特定信息方面比 人类灵敏，所以传感器可以帮助人类获取 人类感官无法获得的大量信息。 v如利用传感器和传感技术，可以观察到10-lOcm的微粒；能测量10- 24s的时间；一艘宇宙飞船可以看作是一个高性能传感器的集合体， 可以捕捉和收集宇宙之中的各种信息；一辆小轿车上所用的传感器有 百余种之多，利用传感器可以测量油温、水温、水压、流量、排气量 、车速、姿态等，所以传感器可以帮助人类获取人类感官无法获得的 大量信息。 1.5.2 传感技术的地位与作用 1.5.2 传感技术的地位与作用 (3)工业生产的倍增器，科学研究的先官， 军事上的战斗力，国民活动中的物化法官 ，应用无处不在 v传感器已渗透到诸如工农业生产、航空航天、宇宙开发、海洋探测、 环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、文物保护、甚至日常生 活等等极其广泛的领域。 v从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个 现代化项目，都离不开各种各样的传感器。著名科学家王大珩两院院士对仪器仪表的地位作用 作了非常精辟的论述：“当今世界已进入信息时代， 信息技术成为推动科学技术和国民经济发展的关键 技术。测量控制与仪器仪表作为对物质世界的信息 进行采集、处理、控制的基础手段和设备，是信息 产业的源头和重要组成部分。仪器仪表是工业生产 的倍增器，科学研究的先行官，军事上的战斗力 ，国民活动中的物化法官，应用无所不在。” 1.5.2 传感技术的地位与作用 (4) 没有传感器就没有现代科学技术 v计算机技术革命被认为是20世纪最伟大的科学技术成就，而没有传感 技术，计算机将只是一种计算能力很强的计算器，也就没有现代科学 技术的辉煌。 v以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，把外界信息采集、 转换为数字信息传输给计算机，使计算机有了智能，从而发挥出无比 的威力。 著名科学家钱学森明确指出：“发展高新技 术信息技术是关键，信息技术包括测量技术、计 算机技术和通讯技术。测量技术是关键和基础” v传感技术是多学科相互交叉、新技术密集型学科。传感技术始终以各 种高新技术作为其发展动力，利用新原理、新概念、新技术、新材料 和新工艺等最新科学技术集成为传感技术所用，使传感技术学科成为 对高新技术最敏感学科，它的多学科交叉而形成的边缘学科属性和多 技术集成的特点越来越鲜明。 1.5.2 传感技术的地位与作用 v “科学是从测量开始的。”著名科学家门捷列夫这样说。而 如今，作为测量系统最前端的传感器已发展成一门较为完 整的传感技术学科。任何科学发现和新理论的创立，都是 在大量科学实验基础上完成的。所谓科学实验从本质来说 需要在受控条件下对某些变量进行测量。 v诺贝尔奖设立至今，在物理学奖和化学奖中大约有1/4是 属于测试方法和仪器创新的。众多获奖者都是借助于先进 仪器的诞生才获得重要的科学发现；甚至许多科学家直接 因为发明科学仪器而获奖。据统计资料显示，近80年来获 诺贝尔奖同科学仪器有关的达38人。2002年的诺贝尔化 学奖更是全部奖给了3名在分析仪器研究领域有杰出贡献 的分析化学家；2005年的诺贝尔物理学奖授予了对极宽 频带的高准确计量激光仪发展奠定了重要基础的三名物理 学家。这表明，测量是诺贝尔奖等一流科技成果的重要源 泉，科学技术重大成就的获得和科学研究新领域的开辟， 往往是以检测仪器和技术方法上的突破为先导的。 1.5.2 传感技术的地位与作用 (5) 发展现代传感技术己成为国家的一项 战略措施 v现代传感的发展水平，反映出国家的文明程度，是国家科 技水平和综合国力的重要体现。为此，世界发达国家都高度重 视和支持仪器仪表的发展,美、日、欧 等发达国家和地区早已制定各 自的发展战略并锁定目标,有专门的投入,以加速原创性传感技术的发 明、发展、转化和产业化进程。发达国家中的传感技术的发展,已从 自发状态转入到有意识、有目标的政府行为上来。 v自是一世纪80年代以来，许多国家纷纷投入大量的人力与物力，把发 展包括传感技术在内的高技术列为国家发展战略的重要组成部分。美 国提出战略防御倡议（SDI），即星球大战计划；欧洲提出“尤里 卡”高技术发展规划；日本提出振兴科技的政策大纲；韩国提出 国家长远发展构想；印度提出新技术政策声明；我国也制定 并执行高技术研究发展计划纲要，即“863计划”和国家重点基 础研究发展规划，即“973计划”。 1.5.2 传感技术的地位与作用 v发展的重大意义 v从一定意义上说，谁掌握了最先进的传感技术与 科学仪器，谁就掌握了科技发展的优先权、人民 健康的保障权、商业标准的制定权以及突发事件 的主动控制权。加强传感与科学仪器的发展和自 主创新意义重大。 是建设创新型国家的迫切需求 是贯彻落实规划纲要和支撑国家重大工程的重要举措 ； 是诺贝尔奖等一流科技成果的重要源泉 ； 是抢占科技战略制高点的必然途径 ； 是增强我国在国际贸易中的话语权的重要手段 ； 是发展我国科学仪器民族工业的必然选择 。 1.6 现代传感技术的发展现状与趋势 （1）现代传感器研发呈现的特点 v 当今世界发达国家对传感器技术发展极为重视， 视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键 技术之一，将其列入国家科技发展战略计划之中 。因此，近年来传感技术迅速发展，传感器新原 理、新材料和新技术的研究更加深入、广泛，传 感器新品种、新结构、新应用不断涌现、层出不 穷。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 1.6.1 现代传感技术的发展现状 v1）新技术普遍应用 目前普遍采用电子设计自动化（）、计算机辅 助制造（）、计算机辅助测试（）、数字信 号处理（）、专用集成电路（）及表面贴 装技术（）等技术。 v2）功能日渐完善 随着集成微光、机、电系统技术的迅速发展以及光导 、光纤、超导、纳米技术、智能材料等新技术的应用，进 一步实现信息的采集与传输、处理集成化、智能化，更多 的新型传感器将具有自检自校、量程转换、定标和数据处 理等功能，传感器功能得到进一步增强和完善，性能进一 步提高，更加灵敏、可靠。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 v 3）新型传感器开发加快 新型传感器，大致应包括： 采用新原理； 填补传感器空白； 仿生传感器； 新材料开发催生的新材料传感器等诸方面。它 们之间是互相联系的。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 基于MEMS技术的新型微传感器 v微传感器（尺寸从几微米到几毫米的传感器总称）特别是以MEMS（微 电子机械系统）技术为基础的传感器目前已逐步实用化，这是今后发 展的重点之一。 v微机械设想早在1959年就被提出，其后逐渐显示出采用MEMS技术制造 各种新型微传感器、执行器和微系统的巨大潜力。这项研发在工业、 农业、国防、航空航天、航海、医学、生物工程、交通、家庭服务等 各个领域都有着巨大的应用前景。MEMS技术近十年来的发展令人瞩目 ，多种新型微传感器已经实用化，微系统研究已处于突破时期，创新 的空间很大，已成为竞争研究开发的重点领域。 v随着MEMS的日趋成熟，传感器制作技术进入了一个崭新阶段。微电子 技术和微机械技术相结合，器件结构从二维到三维，实现进一步微型 化、微功耗，并研究把传感器送入人体，进入血管，研究称分子的重 量和DNA基因突变的微型传感器等。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 生物、医学研究急需的新型传感器 v 21世纪是生命科学世纪，特别是对人类基因的研究极大 促进了对生物学、医学、卫生、食物等学科研究以及对各 种新型传感器的研究开发。不仅需要多种生物量传感器， 如酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、 味觉和体液组份等传感器，也需要诸如血压、血流量、脉 搏等生理量传感器的出现和实用化；还要进一步实现这些 功能的集成化、微型化，研制出微分析芯片，使许多不连 续的分析过程连续化、自动化，完成实时、在位分析，实 现高效率、快速度、少耗样、低成本、无污染、大批量生 产的目标。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 新型环保化学传感器 v保护环境和生态平衡是我国的基本国策之一，实现这一目 标就需要测量污水的流量、自动比例采样、PH值、电导、 浊度、COD、BOD、TP、TN以及矿物油、氰化物、氨氮、总 氮、总磷含量和重金属离子浓度等，而这些参量检测的多 数传感器目前尚不能实用化，甚至尚未研制。 大气监测 是环保的重要方面，主要监测内容有风向、风速、温度、 湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等，这 些传感器大多亟待开发。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 v工业过程控制和汽车 传感器 v我国工业过程控制技术水平还很低，汽车工业 也正在迅速发展，为适应这一形势，重点开发 新型压力、温度、流量、位移等传感器，尽快 为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自 动驾驶系统所需的传感器都是十分迫切的任务 。 v我国的汽车工业发展加快，估计2010年将达 600万辆的生产能力，若每辆车用10只传感器 ，将需6000万只传感器及其配套器材和仪表。 v一辆现代高级轿车的电子化控制系统，其水平 的高低关键在于采用传感器的水平和数量，通 常达30余种，多则达百种，以完成对温度、压 力、位置、距离、车速、加速度、流量、湿度 、电磁、光电、气体、振动等各种信息进行实 时准确测量和控制。随着我国汽车工业的发展 ，开发和应用汽车传感器，实现汽车传感器国 产化势在必行。 京津城铁 1.6.1 现代传感技术的发展现状 汽车中的传感技术 1.6.1 现代传感技术的发展现状 v 4）创新性更加突出 新型传感器的研究和开发由于开展时间短， 往往尚不成熟，因此蕴藏着更多的创新机会，竞 争也很激烈，成果也具有更多的知识产权。所以 加速新型传感器的研究、开发、应用具有更大意 义。 v 5）商品化、产业化前景广阔 在新型传感器的研究开发同时，注意新型材 料、设计方法、生产工艺、测试技术和配套仪表 等基础技术的同步发展，更加注重实用化，从而 保证了成果转化和产业化的速度更快。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 楼宇自动化 1.6.1 现代传感技术的发展现状 v工程监测 vv传感网络化传感网络化 v光纤传感器提供了一种用 于公路及桥梁、建筑、堤 坝的健康监测的方法，而 且也可以为监测交通工具 的速度、载重及种类提供 很重要的数据。 v这种传感器的测量精度可 以达到几个微应变级，具 有很好的可靠性，可实现 动态测量，采用分布式埋 入可以实现对整个桥梁或 建筑物的健康状况监测， 从而防止工程及交通事故 的发生。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 (3)与国外的差距 v我国传感器产业经过“八五”、“九五”、“十五”多年 的发展，近年来取得了长足的进步，已经形成了 一定的产业基础和发展规模，建立了“传感技术国 家重点实验室”、 “微米/纳米国家重点实验室”、“ 国家传感技术工程中心”等研究开发基地；初步建 立了敏感元件与传感器产业。 2000年总产量超过13亿只，品种规格已有近6000种 。 我国从事传感器研究和生产的单位约1600多家，其中从事MEMS研制生 产的已有50多家，居世界第一。 中国传感器的四大应用领域是工业及汽车电子产品、通信电子产品、 消费电子产品、专用设备。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 企业分散、实力不强、市场开拓不力，真正形成一定规模 的却寥寥无几。多数企业是低水平的重复，处在生产的初 级阶段。 传感研究方面科研投资强度偏低，科研设备落后，加之科 研成果的转化较差，造成了我国传感器产品综合实力较低 ，阻碍了传感器产业的发展。 世界传感器的种类约有2万种，而我国目前生产的也仅有 6000多种 1.6.1 现代传感技术的发展现状 v 缺少具有自主知识产权的创新性成果，科研成 果向产业转化速度慢，取得显著社会经济效益的 项目少； v 缺乏大规模生产的企业，高档产品种类少，市 场满足率低； v 生产工艺装备离国际水平有较大差距； v 整体还处于跟踪状态。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 器件品种少，高端产品主要依赖进口； 自动化、智能化水平较低； 模块化、标准化、集成化程度较低； 稳定性较差、可靠性较低； 信号检测精度较低； 性能价格比低，市场竞争力较弱。 1.6.1 现代传感技术的发展现状 n主要差距小结 v技术方面的差距： 产品的可靠性较差（无故障运行时间 ） 产品的性能、功能落后 产品技术更新的周期慢 缺乏针对使用对象而开发的专用解决方案 v企业综合实力方面的差距： 行业规模小，测量控制与仪器仪表行业的总产值较低； 企业劳动生产率低； 企业技术开发投入普遍不足； 低水平的重复生产异常突出。 v差距的主要原因： 运行机制不能适应市场经济发展的要求 ； 产、学、研、金（融）、政（府）、用（户）有机结合的体制和政策没有形成； 缺乏国家强有力的研究支援体制 ； 市场巨大，但主要依靠进口，科学研究“空芯化”现象严重 ； 缺乏高层次复合型人才和熟悉、精通各学科交叉的综合型人才 。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(1) 开发新材料、研究新型传感器 材料是传感器技术的重要基础。随着传感器技术的发展、 如半导体材料、陶瓷材料以外，光导纤维、纳米材料、超 导材料等相继问世。 随着研究的不断深入，人们将进一步探索具有新效应的敏 感功能材料；通过微电子、光电子、生物化学、信息处理 等各种学科、各种新技术的互相渗透和综合利用, 从而研 制开发具有新原理、新功能的新型传感器。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(2) 向高精度发展 随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不 断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度 快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。 目前能生产相对精度在万分之一以上的传感器的厂家为数 不多，其产量也远远不能满足要求。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(3) 向高可靠性、宽温度范围发展 传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研 制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。 提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都 在-2070，在军用系统中要求工作温度在- 40C85C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在- 20C 120C，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要 求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前 途。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(4) 向微型化发展 各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能 占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这 就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的 传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块 和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利 用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非 常小、互换性可靠性都较好。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(5) 向微功耗及无源化发展 传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源 ，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用 太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然 的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。 目前，低功耗损的芯片发展很快，如TI2702运算放大器， 静态功耗只有1.5mA，而工作电压只需25V。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(6) 向集成化、多功能化发展 集成化技术包括传感器与IC的集成制造技术以及多参量传 感器的集成制造技术，缩小了传感器的体积，提高了抗干 扰能力。 在通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在 许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和 环境，往往需要同时测量大量的物理量。由若干种敏感元 件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备 的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理 结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传 感器系统来同时实现多种传感器的功能。随着传感器技术 和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种 敏感元件综装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多 功能传感器。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(7)向智能化发展 所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专 用微处理器的信息分析、处理功能紧密结合在一起，并具 有诊断、数字双向通信等新功能的传感器。 由于微处理器具有强大的计算和逻辑判断功能，故可方便 地对数据进行滤波、变换、校正补偿、存储记忆、输出标 准化等：同时实现必要的自诊断、自检测、自校验以及通 信与控制等功能。 v(8) 向数字化、网络化发展 随着科技的发展，数字化、网络化传感器应用日益广泛， 以其传统方式不可比拟的优势渐渐成为技术的趋势和主流 。 1.6.2 现代传感技术的发展趋势 v(9) 多传感器的集成与融合 由于单传感器不可避免存在不确定或偶然不确定性，缺乏 全面性，所以偶然的故障就会导致系统失效。 多传感器集成与融合技术正是解决这些问题的良方。多个 传感器不仅可以描述同一环境特征的多个冗余的信息，而 且可以描述不同的环境特征。它的特点足冗余性、互补性 、及时性和低成本性。 v