現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)論概論

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)論概論第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六教學(xué)計(jì)劃對(duì)象

“檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置”研究生專業(yè)必修課目的 掌握現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的基本理論與方法；了解若干傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程；具備傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力；為后續(xù)的學(xué)位論文研究奠定基礎(chǔ)。第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六主要內(nèi)容包括：檢測(cè)技術(shù)的基本概念；信息獲取理論；機(jī)械量的檢測(cè)原理與傳感器；物理量的檢測(cè)原理與傳感器；化學(xué)量的檢測(cè)原理與傳感器；生物量的檢測(cè)原理與傳感器；檢測(cè)電路與智能傳感器；傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六考試方式每四名學(xué)生分成一組，根據(jù)教師提出的大作業(yè)題目，完成調(diào)研、資料閱讀、方案設(shè)計(jì)，教師根據(jù)方案的可行性、表達(dá)的準(zhǔn)確性和團(tuán)隊(duì)的合作精神評(píng)分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：方案可行性50％—— 基本概念10％ 工作原理10％ 資料調(diào)研10％ 實(shí)現(xiàn)途徑20％ 表達(dá)準(zhǔn)確性30％—— 書面報(bào)告10％

PPT報(bào)告10％ 口頭報(bào)告10％ 團(tuán)隊(duì)合作性20％—— 分工協(xié)作10％ 綜合協(xié)調(diào)10％第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第一章概論1.1傳感器的基本概念1.2傳感器的重要意義1.3檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.4信息獲取科學(xué)簡(jiǎn)介1.5研究項(xiàng)目舉例1.6

傳感器的性能評(píng)價(jià)第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.1

傳感器的基本概念傳感器的定義：能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路所組成。——國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》

英文：Sensor,Transducer第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六傳感器的多學(xué)科交叉特性：運(yùn)用物理、化學(xué)、生物敏感效應(yīng)與機(jī)理，檢測(cè)物理、化學(xué)、生物量，通過必要的信息處理與提取，得到有用的信息。物理、化學(xué)、生物、信息四大學(xué)科交叉。第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六傳感器的主要分類方法：按敏感原理分類：物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器按檢測(cè)對(duì)象分類：物理量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器按功能分類：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、智能傳感器第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六傳感器的命名方法：主題詞+修飾語：1、主題詞：傳感器2、第一級(jí)修飾語：被測(cè)量3、第二級(jí)修飾語：敏感原理4、第三級(jí)修飾語：特征描述5、第四級(jí)修飾語：主要技術(shù)指標(biāo)例如：20kg雙孔梁型電阻應(yīng)變式稱重傳感器第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.2

傳感器的重要意義國家安全和國民經(jīng)濟(jì)對(duì)傳感器具有重大需求煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警爆炸、毒害物探測(cè)與反恐預(yù)警

——需要高靈敏、高可靠、快速響應(yīng)化學(xué)傳感器；第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

SARS、禽流感等突發(fā)性流行病的快速診斷與預(yù)防

——需要具有快速分析能力的生物傳感器第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

美國提出2017年控制太空，我國應(yīng)發(fā)展反空間控制的物理傳感器。

第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六我國傳感器產(chǎn)業(yè)與世界存在巨大差距：

世界上有2萬多種傳感器，而我國僅能生產(chǎn)3000種；世界傳感器市場(chǎng)790億美元，我國產(chǎn)品僅占1.4%。

第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六目前的傳感技術(shù)難以完全滿足國家需求主要問題： 靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和可靠性較差； 創(chuàng)新能力不足，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)； 中、高檔產(chǎn)品被國外壟斷，依賴進(jìn)口； 關(guān)鍵技術(shù)受制于人，先進(jìn)軍事裝備被禁運(yùn)。

傳感器面臨技術(shù)落后瓶頸，需要新的突破！第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.3

檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)國際發(fā)展趨勢(shì)： 微型化——采用MEMS技術(shù)、納米技術(shù) 集成化——采用IC技術(shù)和SOC技術(shù)等 智能化——采用人工智能與信息融合技術(shù)學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)： 建立系統(tǒng)的信息獲取理論與方法技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)： 仿生學(xué)＋微納米技術(shù)＋傳感技術(shù)第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六人類技術(shù)創(chuàng)新之源=

生產(chǎn)實(shí)踐+模仿自然界仿生學(xué)為攻克信息獲取難關(guān)提供了新的科學(xué)途徑

技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生物具有奇妙的感知與控制能力尺寸20~100μm的單細(xì)胞生物——纖毛蟲具有觸覺反饋控制能力；壁虎具有在天花板上倒立爬行的能力；飛蛾能夠嗅出1-2個(gè)分子量級(jí)的信息素；沙蟻能夠在沙漠中靠陽光準(zhǔn)確定位。第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六仿生學(xué)的四個(gè)層次功能仿生

——輸入輸出行為模仿結(jié)構(gòu)仿生

——體系結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)模仿機(jī)理仿生

——生物效應(yīng)機(jī)理模仿組織仿生

——生物分子、細(xì)胞和微結(jié)構(gòu)的模仿傳統(tǒng)仿生學(xué)現(xiàn)代仿生學(xué)第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六微納米技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)理仿生和組織仿生的有效手段特征尺寸：納米器件與系統(tǒng)：0.1-100納米MEMS器件：100納米-1000微米生物細(xì)胞與微組織：

0.1納米-1000微米

世界各國紛紛將納米仿生技術(shù)納入國家研究計(jì)劃。螞蟻在1mm長(zhǎng)的微型大橋模型旁第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六仿生學(xué)+微納米技術(shù)+傳感器

仿生微納米傳感器

仿生學(xué)微納米技術(shù)傳感器解決傳感器目前存在的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)高靈敏度高選擇性高穩(wěn)定性高可靠性第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.4

信息獲取理論與方法信息鏈＝信息獲取＋信息處理＋信息傳輸＋信息應(yīng)用信息獲取信息處理信息傳輸信息鏈信息應(yīng)用第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) =>信息處理無所不在通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)=>信息傳輸無所不在自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)=>信息應(yīng)用無所不在信息獲?。?>

無所不在？信息流的瓶頸！計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)通信科學(xué)與技術(shù)信息獲取科學(xué)與技術(shù)信息科學(xué)與技術(shù)自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

“信息獲取”是一個(gè)具有基礎(chǔ)性、前瞻性、戰(zhàn)略性的研究方向，五至十年后必將出現(xiàn)信息獲取無所不在的景象。存在的問題：（1）未從信息獲取科學(xué)的角度建立學(xué)科的理論基礎(chǔ)；（2）未能從系統(tǒng)的角度建立學(xué)科體系；（3）存在多學(xué)科交叉的復(fù)雜性。創(chuàng)立“信息獲取科學(xué)與技術(shù)學(xué)科”是信息科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的科學(xué)需求，符合科學(xué)發(fā)展的客觀必然性！第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取的哲學(xué)意義

哲學(xué)是人們對(duì)整個(gè)世界（自然界、社會(huì)和思維）的根本觀點(diǎn)的體系，既關(guān)于世界觀的學(xué)說。哲學(xué)的根本問題是思維與存在、精神與物質(zhì)的關(guān)系問題。信息獲取正是一門是將存在反映到思維、將物質(zhì)提升到精神的科學(xué)。雖然客觀世界存在自然和社會(huì)兩種形式，我們將信息獲取科學(xué)所研究的對(duì)象限定為自然信息或稱為物質(zhì)信息。第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取科學(xué)與技術(shù)的定義信息獲取科學(xué)是在自然科學(xué)范疇內(nèi)研究被測(cè)對(duì)象的信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合和信息提煉機(jī)理與規(guī)律的一門自然科學(xué)。信息獲取技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合和信息提煉的方法和手段?！狤ditorial,No.1,Vol.1,2004《InternationalJournalofInformationAcquisition》第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取的過程

信息獲取的過程是一個(gè)多層的信息融合過程，它包括了物質(zhì)層、數(shù)據(jù)層和特征層三個(gè)層次。

信息獲取的物質(zhì)基礎(chǔ)是物理、化學(xué)、生物敏感現(xiàn)象和過程，物質(zhì)層的作用就是從這些現(xiàn)象和過程中獲得被測(cè)信號(hào)——敏感信息。多傳感信號(hào)在數(shù)據(jù)層中被聚集在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信息的數(shù)據(jù)表達(dá)——傳感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在特征層中進(jìn)行處理、特征提取和匹配，實(shí)現(xiàn)信息獲取的最終目標(biāo)——獲得感知信息。物質(zhì)層數(shù)據(jù)層特征層敏感信息傳感數(shù)據(jù)感知信息被測(cè)環(huán)境第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六物質(zhì)層M數(shù)據(jù)層D特征層C感知信息Y傳感數(shù)據(jù)YS敏感信號(hào)YT被測(cè)信息X干預(yù)信息γ干擾信息E信息獲取的理論模型第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取的理論基礎(chǔ)神經(jīng)物理學(xué)生物物理學(xué)模式識(shí)別理論數(shù)據(jù)融合理論物理學(xué)化學(xué)信息論生物學(xué)特征層數(shù)據(jù)層物質(zhì)層仿生學(xué)第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取的學(xué)科體系信息獲取科學(xué)與技術(shù)物理型敏感材料與元件敏感材料與元件傳感器與儀器機(jī)器感知化學(xué)型敏感材料與元件生物型敏感材料與元件力學(xué)量傳感器與儀器物理量傳感器與儀器化學(xué)量傳感器與儀器結(jié)構(gòu)型敏感材料與元件機(jī)器視覺機(jī)器觸覺機(jī)器嗅覺機(jī)器味覺生物量傳感器與儀器機(jī)器聽覺信息獲取理論信息獲取的仿生學(xué)模型信息獲取的信息論模型第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六國家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“BNI融合的微納傳感器與智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”1.5研究項(xiàng)目舉例總體目標(biāo)揭示生物特異性敏感效應(yīng)與微納米結(jié)構(gòu)的關(guān)系；

探索微納米結(jié)構(gòu)敏感效應(yīng)的基本規(guī)律；建立仿生微納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與操控手段；提出仿生微納米傳感器與智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論；

建立仿生嗅覺傳感方法，并研制出原型器件；研制出微納米機(jī)器人仿生感知控制系統(tǒng)原理樣機(jī)。第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六信息獲取與智能系統(tǒng)的仿生途徑和原型器件微納米結(jié)構(gòu)的敏感效應(yīng)與數(shù)學(xué)模型仿生傳感器與系統(tǒng)的微納米結(jié)構(gòu)制作方法微納米尺度下的生物敏感機(jī)理與仿生原理總體研究目標(biāo)原理模型手段器件主要研究?jī)?nèi)容第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六主要研究?jī)?nèi)容之一：微納米尺度下的生物敏感機(jī)理與仿生原理以蛾類、壁虎、沙蟻、纖毛蟲為對(duì)象，在微納米尺度上研究生物嗅覺、觸覺、視覺器官的敏感機(jī)理和傳感控制機(jī)制，發(fā)現(xiàn)通過微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)理仿生的方法，并進(jìn)一步探索生物和非生物材料相結(jié)合的組織仿生新途徑，為本項(xiàng)目奠定生物學(xué)基礎(chǔ)。飛蛾纖毛蟲沙蟻壁虎第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

主要研究?jī)?nèi)容之二：微納米結(jié)構(gòu)的敏感特性與數(shù)學(xué)模型針對(duì)仿生微納米結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算機(jī)模擬，揭示仿生微納米結(jié)構(gòu)敏感效應(yīng)的基本規(guī)律，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)仿真模型和納米結(jié)構(gòu)操控模型，為本項(xiàng)目奠定理論基礎(chǔ)。可控外延結(jié)構(gòu)自組裝過程模擬（中科大2003）納米絲照片及其原子模擬圖第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六主要研究?jī)?nèi)容之三：仿生傳感器微納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與操控針對(duì)仿生傳感器微納米結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)、控制和特性表征方法，建立納米結(jié)構(gòu)的加工、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的按需制造，為仿生器件的研制提供實(shí)現(xiàn)手段。STM在單晶硅表面畫出的圖案（化學(xué)所）復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)（固體所2004）納米光柵結(jié)構(gòu)

（化學(xué)所2004）第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六主要研究?jī)?nèi)容之四：信息獲取與智能系統(tǒng)的仿生學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)途徑基于仿生原理、敏感規(guī)律和微納米加工技術(shù)，針對(duì)國家安全重大需求，建立易燃易爆、有毒有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)的仿生嗅覺傳感方法，研制微納米機(jī)器人仿生感知控制系統(tǒng)原理樣機(jī)，在關(guān)鍵的信息獲取方法和智能系統(tǒng)方面取得突破。四單元?dú)饷絷嚵校ㄖ悄芩?995）32單元觸覺陣列（智能所1996）3mm無線游泳機(jī)器人（智能所2003）第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六研究方案仿生嗅覺傳感方法與器件借鑒昆蟲嗅覺敏感機(jī)理，利用微納米結(jié)構(gòu)的化學(xué)和物理敏感現(xiàn)象，以爆炸物探測(cè)為對(duì)象建立仿生嗅覺傳感方法，為有毒有害、易燃易爆氣體的監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供高靈敏度、高選擇性的智能傳感器原理樣機(jī)。生物學(xué)原型：飛蛾嗅覺系統(tǒng)第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六飛蛾觸角

的微結(jié)構(gòu)

（動(dòng)物所2004）感受器模式圖感受器的納米通道第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六氣味分子受體觸角葉與其他輸入信號(hào)整合蕈體中樞神經(jīng)系統(tǒng)行為第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六電子線路板電極陣列敏感材料人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)納米孔陣列仿受體材料分子識(shí)別爆炸物第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六微納米機(jī)器人仿生感知控制機(jī)理與原理樣機(jī)模仿低等動(dòng)物感知、控制、運(yùn)動(dòng)等智能行為，研究微納米寄生機(jī)器人傳感控制機(jī)理與方法，并研制出原理樣機(jī)，為發(fā)展新概念武器奠定基礎(chǔ)。生物學(xué)原型：壁虎的粘附爬行機(jī)制沙蟻的偏振光導(dǎo)航機(jī)理纖毛蟲的觸覺反射機(jī)制

纖毛蟲的運(yùn)動(dòng)機(jī)制第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六壁虎的粘附爬行機(jī)制——范德瓦爾斯力美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Nature405(2000)第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六納米線陣列右上圖——固體所（2001）聚碳酸脂模板制作的硅橡膠絨毛左下圖——美國（2003）利用硅模板制作的硅橡膠微米毛右下圖——智能所（2005）第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六驅(qū)動(dòng)基板微米級(jí)剛毛納米級(jí)絨毛驅(qū)動(dòng)電極與傳感器一對(duì)驅(qū)動(dòng)電極施加電壓后，帶動(dòng)一組微納米陣列偏轉(zhuǎn)，擠壓或脫離接觸表面。具有傳感控制能力的仿壁虎微納米粘附陣列概念設(shè)計(jì)圖（智能所2004）第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六沙蟻的導(dǎo)航原理——偏振光定位第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

納米結(jié)構(gòu)紅外線柵偏振器（固體所2002）納米偏振器金屬納米線陣列納米光柵結(jié)構(gòu)

（化學(xué)所2004）第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六課題三：仿生微納米結(jié)構(gòu)的敏感效應(yīng)與數(shù)學(xué)模型課題四：仿生傳感器納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與操控課題一：動(dòng)物感覺器官的微納米結(jié)構(gòu)與機(jī)理仿生原理課題二：生物組織的特異性敏感機(jī)理與組織仿生原理仿生原理數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)手段課題五：仿生嗅覺傳感方法與器件課題六：微納米機(jī)器人仿生感知控制系統(tǒng)原型器件研究方案檢測(cè)技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段！第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六1.6傳感器性能評(píng)價(jià)靜態(tài)特性量程、滿量程輸出靈敏度、交叉靈敏度精度（含線性度、遲滯、重復(fù)性）分辨率溫漂時(shí)漂第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六量程是指?jìng)鞲衅鬟m用的測(cè)量范圍，選擇好傳感器的量程是用好傳感器的前提。量程選擇過小會(huì)使傳感器長(zhǎng)期工作在超負(fù)荷狀態(tài)，容易造成損壞。量程選擇過大會(huì)傳感器的實(shí)際測(cè)量誤差增加，達(dá)不到預(yù)期的檢測(cè)精度。滿量程輸出是指輸入從最小變化到最大時(shí)輸出信號(hào)的變化量，它與靈敏度密切相關(guān)，同時(shí)又對(duì)傳感器的精度評(píng)價(jià)起到了重要作用，因?yàn)樗姓`差對(duì)傳感器精度的影響都是要與滿量程進(jìn)行比較之后才能判定的。第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六靈敏度k為傳感器輸出的變化量y與引起該變化量的輸入變化量x之比，即：k=y/x靈敏度反映了傳感器對(duì)被測(cè)量的敏感程度，同時(shí)也與傳感器的信噪比密切相關(guān)。高靈敏度的傳感器得到的信號(hào)輸出較大，同時(shí)信噪比相對(duì)較低。因此在選擇傳感器時(shí)應(yīng)盡量選擇靈敏度較高的傳感器，在靈敏度偏低的情況下應(yīng)進(jìn)一步考慮干擾、噪音信號(hào)的大小，以信噪比達(dá)到測(cè)量要求來衡量。第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六非線性傳感器的靈敏度表示方式： S=R0/Rs

（氣敏元件）交叉靈敏度：多維傳感器中某一對(duì)特定被測(cè)量敏感的檢測(cè)單元對(duì)其它被測(cè)量的靈敏度。干擾！第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六精度：傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。線性度：對(duì)于線性輸出傳感器往往將標(biāo)定數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)輸出直線進(jìn)行比較，其最大誤差與滿量程輸出之比。遲滯：傳感器在標(biāo)定過程中加載輸出與卸載輸出之間的不重合性，加載與卸載輸出的最大差值的一半與滿量程輸出之比。第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六重復(fù)性：傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次標(biāo)定時(shí)的輸出不重合性，各次標(biāo)定之間的最大誤差與滿量程輸出之比。分辨率：引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最小變化量與滿量程之比。第53頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六溫漂：溫度變化對(duì)傳感器輸出所產(chǎn)生的影響，它是由溫度零漂和靈敏度溫漂兩項(xiàng)指標(biāo)來表示。溫度零漂：傳感器的輸入信號(hào)為零時(shí)，溫度變化所產(chǎn)生的輸出差值與滿量程輸出和溫差之比。靈敏度溫漂：滿量程