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现代传感技术与系统 主讲 贾方秀Email jiafangxiu 1 主要内容 传感基础什么叫传感器 采用什么原理进行信息传递的 如何应用 如何能更好的使用 典型传感技术光电传感 视觉传感 声表面波 生物传感 化学传感以及前沿传感等等 现代传感系统分布式测量系统 多传感器的数据融合 无线传感网络 2 参考书目 1 林玉池 曾周末 现代传感技术与系统 机械工业出版社 2009年 2 王化祥 现代传感技术及应用 化学工业出版社 2008年 3曾光宇 现代传感器技术与应用基础 北京理工大学出版社 2008年 4潘炼 传感器原理及应用 电子工业出版社 2012年 3 考核方式 平时考核 30 方式 出勤 随堂测验最终考核 70 方式 提交报告介绍几种传感器系统 以新颖 实用 完整为原则 近期参考文献15篇以上 外文论文超过5篇 以本科论文的标准格式书写 4 第1章绪论 1 1传感器定义及其分类1 2传感技术1 3信息 信息技术与传感1 4测量系统的信息模型1 5传感技术的地位与作用1 6传感技术的发展现状与趋势 5 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 6 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 传感器是测量器件或装置 能完成一定的检测任务 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 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 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 7 1 1 1传感器的定义 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 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 8 敏感元件 指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 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 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 9 传感器组成框图 1 1 2传感器的组成 10 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 根据传感器的工作机理基于物理效应如光 电 声 磁 热等效应进行工作的物理传感器 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 基于酶 抗体 激素等分子识别功能的生物传感器 根据传感器的构成原理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 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 1 1 3传感器的分类 11 1 1 3传感器的分类 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 12 1 2传感技术 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 13 1 2传感技术 小结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 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 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 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 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 14 1 3信息 信息技术与传感 我国国家标准 情报与文献工作词汇基本术语 GB T4894 1985 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 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 15 控制论创始人之一 美国科学家维纳 N Wiener 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 信息论奠基人 美国科学家香农 C E Shannon 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 意大利学者朗格 G Longe 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 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 16 1 3 1信息的概念 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 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 同样的信息也可以用文字或图像来表述 17 1 3 2信息技术 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 18 1 4 1信息模型 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 1 4测量系统的信息模型 19 1 4 1信息模型 切削力 测力仪 切削温度 热电偶 刀架振动 加速度计 传输信号的通道 刀具系统 传感器 电缆线等 20 1 5 1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 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 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 1 5传感技术的地位与作用 21 2 获取人类感官无法获得的大量信息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 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 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 22 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 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 23 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 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 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 24 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 25 1 6 1现代传感技术的发展现状 1 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 2 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 26 1 6 1现代传感技术的发展现状 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 27 1 6 1现代传感技术的发展现状 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 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 28 1 6 1现代传感技术的发展现状 楼宇自动化 29 1 6 1现代传感技术的发展现状 工程监测传感网络化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 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 30 1 6 1现代传感技术的发展现状 2 与国外的差距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 31 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 32 1 6 1现代传感技术的发展现状 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 缺乏大规模生产的企业 高档产品种类少 市场满足率低 生产工艺装备离国际水平有较大差距 整体还处于跟踪状态 33 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 34 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 35 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 20 70 在军用系统中要求工作温度在 40 C 85 C范围 而汽车锅炉等场合要求传感器工作在 20 C 120 C 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 36 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 37 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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2 5V 38 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 39 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 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 40 1 6 2现代传感技术的发展趋势 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 10 多学科交叉融合 实现无线网络化无线传感器网络是由大量无处不在的 由无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统 能根据环境自主完成指定任务的 智能 系统 41 1 6 2现代传感技术的发展趋势 当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化 智能化 多功能化和网络化的方向发展 今后 随着CAD技术 MEMS技术 材料技术 信息理论及数据分析算法的继续向前发展 未来的传感器系统必将变得更加微型化 综合化 多功能化 智能化和系统化 在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会 作为现代科学 耳目 的传感器系统 作为人们快速获取 分析和利用有效信息的基础 必将进一步得到社会各界的普遍关注 现代传感技术的发展趋势 小结 1 微型化 Micro 2 智能化 Smart 3 多功能传感器 Multifunction 4 无线网络化 wirelessnetworked 42 参考资料 43 参考资料 楼宇自动化 44 参考资料 火星探测车 45 参考资料 美火星探测器机器人 机遇 号 机遇号拍摄的火星照片 46 中国 月球探测车 研制进入沙漠试验阶段 参考资料 47 1986年2月1日 中国发射了第一颗实用地球静止轨道通信广播卫星 参考资料 48 参考资料 1999年1