傳感器與檢測技術概述

傳感器與檢測技術

生活中的“傳感器”身邊的例子－智能小車2024/6/73能自動避障的智能小車能跟蹤防撞的智能小車能自動尋跡的智能小車傳感器樣例氣敏傳感器壓電式壓力傳感器溫度傳感器熱電偶超聲波傳感器

概述知識單元與知識點課程簡介；傳感器的定義、傳感器的共性、傳感器的基本功能；傳感器的組成；傳感器的分類；傳感器技術的發(fā)展趨勢。能力點能復述并解釋傳感器的概念；能復述傳感器的組成、傳感器的基本功能和傳感器的共性；能比較不同類別的傳感器；能復述傳感器技術的發(fā)展趨勢；會結合生活生產實際舉例說明傳感器的應用。重難點重點：傳感器的定義、組成、分類。難點：傳感器技術的發(fā)展趨勢。學習要求了解本門課程的地位、作用、內容體系結構和任務要求；熟練掌握傳感器的定義、組成；掌握傳感器的分類；了解傳感器技術的發(fā)展趨勢。問題導引→為什么要學習傳感器與檢測技術課程？→傳感器的基本內涵與價值是什么？→如何理解傳感器的發(fā)展？課程簡介1.1.1本課程的地位和作用“傳感器與檢測技術”是工科電氣信息類專業(yè)的重要專業(yè)（基礎）課工業(yè)化與信息化深度融合、互聯(lián)網+、物聯(lián)網、智能制造、中國制造2025….培養(yǎng)學生在電子信息、計算機應用、精密儀器、測量與控制等領域具備各種電量、非電量的檢測、顯示、控制及產品設計制造、科技開發(fā)、應用研究等方面的能力ICT技術的三大支柱之一：傳感器（感知）信息鏈、傳感器數(shù)據是“第一數(shù)據”“新工科”更加強調跨界交叉融合創(chuàng)新能力強調依托優(yōu)質學習資源、優(yōu)化知識路徑、深度學習模式啟發(fā)心智，從適應新經濟發(fā)展對智能感知與儀器工程要求的角度，培養(yǎng)學生學習發(fā)展和創(chuàng)新的關鍵能力建設“一流課程”、支撐“一流專業(yè)”發(fā)展1.1.2本課程內容體系結構按照傳感器、檢測技術和自動檢測系統(tǒng)三大模塊。傳感器部分主要包括傳感器的基本特性、各類傳統(tǒng)與新型傳感器的工作原理與應用（電阻式、電感式、電容式、壓電式、磁敏式、熱電式、光電式、輻射與波式、智能傳感器、模糊傳感器、微傳感器、網絡傳感器；化學傳感器、生物傳感器等）（如何工作的？原理是什么？有助于傳感器選型）檢測技術主要包括參數(shù)檢測、微弱信號檢測、軟測量、多傳感器數(shù)據融合、測量不確定度與回歸分析等（怎么用？方法是什么？）檢測系統(tǒng)主要包括虛擬儀器和自動檢測系統(tǒng)等。（如何構建檢測系統(tǒng)？原理與方法的實用化、工程化）1.1.3本課程的任務及要求“傳感器與檢測技術”課程著重培養(yǎng)學生掌握傳感器與檢測技術基礎理論、基本方法，并了解技術的最新發(fā)展（表1－1知識單元與知識點）本課程是一門實踐性很強的課程，在理論學習的同時，要求學生：通過實驗和實踐熟練掌握各類典型傳感器的基本原理和適用場合掌握常用測量儀器的基本工作原理和工作性能能合理選用常用電子儀器、測量電路等，能根據測量要求設計各類測量系統(tǒng)能對測量結果進行誤差分析和數(shù)據處理等，達到理論與實踐的高度統(tǒng)一，突出能力的培養(yǎng)。1.2傳感器的定義與組成傳感器：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置（GB/T7665－2005）“A

sensorisadevicethatreceivesastimulusandrespondswithanelectricalsignal”傳感器的共性：利用物理定律或物質的物理、化學、生物等特性，將非電量轉換成電量傳感器功能：檢測和轉換。敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應）被測信息（非電量）的元件轉換元件則是指傳感器中能將敏感元件的感受（或響應）信息轉換為電信號的部分傳感器的組成信號調理電路：常見有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等作用：把來自傳感器的信號進行轉換和放大（將各種電信號轉換成電壓、電流或頻率等）；進行信號處理（濾波、調制與解調、衰減、運算、數(shù)字化等）1.3傳感器的分類按傳感器的輸入量（即被測參數(shù)）進行分類：位移、速度、溫度、壓力傳感器等按傳感器的輸出量進行分類：模擬式和數(shù)字式按傳感器的工作原理進行分類：電阻式、電容式、電感式、壓電式、磁敏式、熱電式、光電式傳感器等按傳感器的基本效應分類：物理型、化學型、生物型物理傳感器按構成進行分類：物性型（敏感材料的物理特性變化，如水銀溫度計）和結構型（轉換元件的結構參數(shù)變化，如變極距型電容式傳感器）1.3傳感器的分類按傳感器的能量變換關系進行分類：無源（能量控制型或參量型）、有源（能量變換型或發(fā)電型）按傳感器所蘊含的技術特征分類：普通傳感器與新型傳感器按傳感器的尺寸大小進行分類：宏傳感器和微傳感器按傳感器的存在形式進行分類：硬傳感器和軟傳感器1.4傳感器技術的發(fā)展傳感器性能的改善開展基礎理論研究傳感器的無線化傳感器的微型化傳感器的集成化傳感器的網絡化傳感器的智能化傳感器的安全化傳感器的虛擬化

這些發(fā)展不是獨立的，往往相輔相成、彼此關聯(lián)、相互融合，從而推動傳感器由分離器件向數(shù)字化、網絡化、系統(tǒng)集成、功能復合和應用創(chuàng)新方向發(fā)展1.4.1傳感器性能的改善差動技術

（正反行程誤差偏大、偏小的“中和”效應，改善靈敏度、非線性）平均技術

（減小誤差、增大信號量）補償與修正技術

（針對傳感器本身或測量環(huán)境兩種情形）屏蔽、隔離與干擾抑制

（針對惡劣的電磁、溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射、氣流等工作環(huán)境）穩(wěn)定性處理

（針對時間老化、溫度老化、機械老化等）1.4.2開展基礎理論研究尋找新原理

（引力波、量子特性，量子傳感器，化學傳感器、生物傳感器，電子皮膚）開發(fā)新材料

半導體敏感材料陶瓷敏感材料磁性材料智能材料柔性材料石墨烯采用新工藝

主要是微細加工技術（離子束、電子束、分子束、激光束、化學蝕刻等探索新功能

多參數(shù)的檢測、處理與評價1.4.3傳感器的無線化隨著微波、4G/5G、WiFi、Zigbee等無線通信技術的快速發(fā)展，以及信息感知范圍的擴大、網絡化感知需求的增長，特別是深空探測、衛(wèi)星遙感、全球定位、無線傳感網、物聯(lián)網、遠程監(jiān)控與報警系統(tǒng)等新技術與應用的推動，傳感器的無線化發(fā)展趨勢明顯，相關無線產品所占比重越來越大傳感器的無線化在檢測系統(tǒng)搭建、快速安裝與調整、覆蓋復雜地形或特殊分布區(qū)域（如水下、太空）等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢典型地，遙感技術作為目前人類快速實現(xiàn)全球或大區(qū)域對地觀測的唯一手段，使用的傳感器在信息感知和數(shù)據傳輸過程中都離不開無線技術的支持1.4.4傳感器的微型化MEMS技術的應用，微型傳感器發(fā)展起來將機械、電子元器件集成在一個基片上主要特征：體積小重量輕功耗低可靠性高1.4.5傳感器的集成化兩種情況：一是具有同樣功能的傳感器集成化，即將同一類型的單個傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來，形成一維的線性傳感器，從而使一個點的測量變成對一個面和空間的測量。二是不同功能的傳感器集成化，即將具有不同功能的傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件，從而使一個傳感器可以同時測量不同種類的多個參數(shù)。PTH集成傳感器1.4.6傳感器的網絡化主要表現(xiàn)為兩個方面一是為了解決現(xiàn)場總線的多樣性問題，IEEE

1451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊（STIM）標準二是以IEEE

802.15.4（Zigbee）為基礎的無線傳感器網絡技術得以迅速發(fā)展1.4.5傳感器的智能化傳感器與微處理器的結合：檢測、信息處理、邏輯判斷、自診斷等傳感器技術和智能信息處理技術的結合使傳感器由單一功能、單一檢測對象向多功能和多變量檢測發(fā)展，由被動進行信號轉換向主動控制傳感器特性和主動進行信息處理發(fā)展，由孤立的元器件向系統(tǒng)化、網絡化方向發(fā)展（反過來，傳感器逐漸發(fā)展為人工智能重要的元部件）作用：提高測量精度增加功能提高自動化程度1.4.6傳感器的安全化按需獲取被觀測對象的真實信息是傳感器作為感知單元最基本的功能需求面臨著被非法利用或被攻擊者破壞的潛在風險傳感器的安全化就是通過硬件和軟件兩方面的手段應對攻擊者的破壞行為，有效抵御因傳感器無線化、網絡化等以及由此形成工業(yè)大數(shù)據可能帶來的信息安全風險，確保通過傳感器所獲取的信息是可控的、保密的、新鮮的、真實的、可靠的傳感器輸出的數(shù)據被稱為“第一數(shù)據”，是一切依托傳感器的應用的根基；如果傳感器所采集的基礎信息是虛假的、不可靠的，其后續(xù)的一系列處理與應用都是毫無意義的，甚至是有害的1.4.7傳感器的虛擬化虛擬化是利用通用的硬件平臺，并充分利用軟件和算法實現(xiàn)傳感器的特定硬件功能傳感器的虛擬化表現(xiàn)為：一是智能傳感器的運用將越來越廣泛，且智能傳感器中軟件與算法的比重將越來越大二是基于“軟件就是儀器”的理念和虛擬儀器的多種優(yōu)勢，以虛擬儀器為平臺的測控系統(tǒng)將大行其道三是以大數(shù)據和人工智能等前沿技術為支撐，面向網絡或信息平臺的“純軟件式”傳感器將得到快速發(fā)展，這類“軟件”突破了傳統(tǒng)意義上傳感器作為“器件或裝置”的定義，沒有“有形”的敏感元件或轉換元件，但它具有檢測的基本特征（廣義的傳感器、軟傳感器）傳感器虛擬化可縮短產品開發(fā)周期、降低成本、提高可靠性信息技術正在推動傳感器本身發(fā)生質的飛躍，隨著測控系統(tǒng)信息化程度的加深，傳感器的虛擬化趨勢越來越明顯，虛擬儀器、軟測量的內涵將進一步豐富國內傳感器發(fā)展的基本國情隨著國內物聯(lián)網、工業(yè)自動化與信息化、國防現(xiàn)代化等的快速發(fā)展，對各類傳感器的年需求量持續(xù)增長且需求旺盛，據預測未來五年(2017-2021年)中國傳感器產業(yè)總產量將超萬億只，年均復合增長率約30%，遠高于全球11%的平均水平據統(tǒng)計，目前我國傳感器企業(yè)多達2000余家，行業(yè)產值正以每年10%－15%的速率增長。但與國外先進水平相比，總體上目前我國的傳感器技術面臨創(chuàng)新能力和新產品開發(fā)能力不強、核心技術缺失、產品有效供給不足、產業(yè)生態(tài)不健全、科研生產與應用不協(xié)同等問題國外傳感器制造工藝技術嚴格保密，國內制造工藝及設備落后，導致產品質量、穩(wěn)定性和可靠性較差，精度不高，儀器儀表產品同質化嚴重；目前全球傳感器市場主要由美國、日本、德國的幾家龍頭公司主導，國產傳感器主要性能指標與國外先進水平差1～2個數(shù)量級、可靠性差2～3個數(shù)量級，限制了國產傳感器使用范圍和可靠性，許多高性能傳感器仍依賴于進口企業(yè)的創(chuàng)新能力及自主開發(fā)水平滯后于國外，導致我國擁有自主開發(fā)和擁有自主知識產權的科研成果不多，同時，在新型高端傳感器研究方面投入的資