傳感器與檢測(cè)技術(shù)概述

傳感器與檢測(cè)技術(shù)

生活中的“傳感器”身邊的例子－智能小車(chē)2024/6/73能自動(dòng)避障的智能小車(chē)能跟蹤防撞的智能小車(chē)能自動(dòng)尋跡的智能小車(chē)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(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)課程簡(jiǎn)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(lèi)；傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。能力點(diǎn)能復(fù)述并解釋傳感器的概念；能復(fù)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(lèi)別的傳感器；能復(fù)述傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；會(huì)結(jié)合生活生產(chǎn)實(shí)際舉例說(shuō)明傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重點(diǎn)：傳感器的定義、組成、分類(lèi)。難點(diǎn)：傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。學(xué)習(xí)要求了解本門(mén)課程的地位、作用、內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)和任務(wù)要求；熟練掌握傳感器的定義、組成；掌握傳感器的分類(lèi)；了解傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。問(wèn)題導(dǎo)引→為什么要學(xué)習(xí)傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程？→傳感器的基本內(nèi)涵與價(jià)值是什么？→如何理解傳感器的發(fā)展？課程簡(jiǎn)介1.1.1本課程的地位和作用“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”是工科電氣信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要專(zhuān)業(yè)（基礎(chǔ)）課工業(yè)化與信息化深度融合、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、中國(guó)制造2025….培養(yǎng)學(xué)生在電子信息、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、精密儀器、測(cè)量與控制等領(lǐng)域具備各種電量、非電量的檢測(cè)、顯示、控制及產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造、科技開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究等方面的能力ICT技術(shù)的三大支柱之一：傳感器（感知）信息鏈、傳感器數(shù)據(jù)是“第一數(shù)據(jù)”“新工科”更加強(qiáng)調(diào)跨界交叉融合創(chuàng)新能力強(qiáng)調(diào)依托優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源、優(yōu)化知識(shí)路徑、深度學(xué)習(xí)模式啟發(fā)心智，從適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)智能感知與儀器工程要求的角度，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展和創(chuàng)新的關(guān)鍵能力建設(shè)“一流課程”、支撐“一流專(zhuān)業(yè)”發(fā)展1.1.2本課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)按照傳感器、檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)檢測(cè)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(lèi)傳統(tǒng)與新型傳感器的工作原理與應(yīng)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(wǎng)絡(luò)傳感器；化學(xué)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(cè)技術(shù)主要包括參數(shù)檢測(cè)、微弱信號(hào)檢測(cè)、軟測(cè)量、多傳感器數(shù)據(jù)融合、測(cè)量不確定度與回歸分析等（怎么用？方法是什么？）檢測(cè)系統(tǒng)主要包括虛擬儀器和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)等。（如何構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)？原理與方法的實(shí)用化、工程化）1.1.3本課程的任務(wù)及要求“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”課程著重培養(yǎng)學(xué)生掌握傳感器與檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)理論、基本方法，并了解技術(shù)的最新發(fā)展（表1－1知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)）本課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，要求學(xué)生：通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐熟練掌握各類(lèi)典型傳感器的基本原理和適用場(chǎng)合掌握常用測(cè)量?jī)x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(cè)量電路等，能根據(jù)測(cè)量要求設(shè)計(jì)各類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)能對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和數(shù)據(jù)處理等，達(dá)到理論與實(shí)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(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量傳感器功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)信息（非電量）的元件轉(zhuǎn)換元件則是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性母惺埽ɑ蝽憫?yīng)）信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的部分傳感器的組成信號(hào)調(diào)理電路：常見(jiàn)有放大器、電橋、振蕩器、電荷放大器等作用：把來(lái)自傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大（將各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等）；進(jìn)行信號(hào)處理（濾波、調(diào)制與解調(diào)、衰減、運(yùn)算、數(shù)字化等）1.3傳感器的分類(lèi)按傳感器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類(lèi)：位移、速度、溫度、壓力傳感器等按傳感器的輸出量進(jìn)行分類(lèi)：模擬式和數(shù)字式按傳感器的工作原理進(jìn)行分類(lèi)：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(yīng)分類(lèi)：物理型、化學(xué)型、生物型物理傳感器按構(gòu)成進(jìn)行分類(lèi)：物性型（敏感材料的物理特性變化，如水銀溫度計(jì)）和結(jié)構(gòu)型（轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，如變極距型電容式傳感器）1.3傳感器的分類(lèi)按傳感器的能量變換關(guān)系進(jìn)行分類(lèi)：無(wú)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(yùn)含的技術(shù)特征分類(lèi)：普通傳感器與新型傳感器按傳感器的尺寸大小進(jìn)行分類(lèi)：宏傳感器和微傳感器按傳感器的存在形式進(jìn)行分類(lèi)：硬傳感器和軟傳感器1.4傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器性能的改善開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究傳感器的無(wú)線化傳感器的微型化傳感器的集成化傳感器的網(wǎng)絡(luò)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(dú)立的，往往相輔相成、彼此關(guān)聯(lián)、相互融合，從而推動(dòng)傳感器由分離器件向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成、功能復(fù)合和應(yīng)用創(chuàng)新方向發(fā)展1.4.1傳感器性能的改善差動(dòng)技術(shù)

（正反行程誤差偏大、偏小的“中和”效應(yīng)，改善靈敏度、非線性）平均技術(shù)

（減小誤差、增大信號(hào)量）補(bǔ)償與修正技術(shù)

（針對(duì)傳感器本身或測(cè)量環(huán)境兩種情形）屏蔽、隔離與干擾抑制

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

（針對(duì)時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化等）1.4.2開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究尋找新原理

（引力波、量子特性，量子傳感器，化學(xué)傳感器、生物傳感器，電子皮膚）開(kāi)發(fā)新材料

半導(dǎo)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(xì)加工技術(shù)（離子束、電子束、分子束、激光束、化學(xué)蝕刻等探索新功能

多參數(shù)的檢測(cè)、處理與評(píng)價(jià)1.4.3傳感器的無(wú)線化隨著微波、4G/5G、WiFi、Zigbee等無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及信息感知范圍的擴(kuò)大、網(wǎng)絡(luò)化感知需求的增長(zhǎng)，特別是深空探測(cè)、衛(wèi)星遙感、全球定位、無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)等新技術(shù)與應(yīng)用的推動(dòng)，傳感器的無(wú)線化發(fā)展趨勢(shì)明顯，相關(guān)無(wú)線產(chǎn)品所占比重越來(lái)越大傳感器的無(wú)線化在檢測(cè)系統(tǒng)搭建、快速安裝與調(diào)整、覆蓋復(fù)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(shì)典型地，遙感技術(shù)作為目前人類(lèi)快速實(shí)現(xiàn)全球或大區(qū)域?qū)Φ赜^測(cè)的唯一手段，使用的傳感器在信息感知和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中都離不開(kāi)無(wú)線技術(shù)的支持1.4.4傳感器的微型化MEMS技術(shù)的應(yīng)用，微型傳感器發(fā)展起來(lái)將機(jī)械、電子元器件集成在一個(gè)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(lèi)型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，形成一維的線性傳感器，從而使一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量變成對(duì)一個(gè)面和空間的測(cè)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(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件，從而使一個(gè)傳感器可以同時(shí)測(cè)量不同種類(lèi)的多個(gè)參數(shù)。PTH集成傳感器1.4.6傳感器的網(wǎng)絡(luò)化主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面一是為了解決現(xiàn)場(chǎng)總線的多樣性問(wèn)題，IEEE

1451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊（STIM）標(biāo)準(zhǔn)二是以IEEE

802.15.4（Zigbee）為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(jié)合：檢測(cè)、信息處理、邏輯判斷、自診斷等傳感器技術(shù)和智能信息處理技術(shù)的結(jié)合使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)對(duì)象向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展，由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制傳感器特性和主動(dòng)進(jìn)行信息處理發(fā)展，由孤立的元器件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展（反過(guò)來(lái)，傳感器逐漸發(fā)展為人工智能重要的元部件）作用：提高測(cè)量精度增加功能提高自動(dòng)化程度1.4.6傳感器的安全化按需獲取被觀測(cè)對(duì)象的真實(shí)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(fēng)險(xiǎn)傳感器的安全化就是通過(guò)硬件和軟件兩方面的手段應(yīng)對(duì)攻擊者的破壞行為，有效抵御因傳感器無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化等以及由此形成工業(yè)大數(shù)據(jù)可能帶來(lái)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，確保通過(guò)傳感器所獲取的信息是可控的、保密的、新鮮的、真實(shí)的、可靠的傳感器輸出的數(shù)據(jù)被稱(chēng)為“第一數(shù)據(jù)”，是一切依托傳感器的應(yīng)用的根基；如果傳感器所采集的基礎(chǔ)信息是虛假的、不可靠的，其后續(xù)的一系列處理與應(yīng)用都是毫無(wú)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(tái)，并充分利用軟件和算法實(shí)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(yùn)用將越來(lái)越廣泛，且智能傳感器中軟件與算法的比重將越來(lái)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(shì)，以虛擬儀器為平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)將大行其道三是以大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術(shù)為支撐，面向網(wǎng)絡(luò)或信息平臺(tái)的“純軟件式”傳感器將得到快速發(fā)展，這類(lèi)“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(méi)有“有形”的敏感元件或轉(zhuǎn)換元件，但它具有檢測(cè)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(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高可靠性信息技術(shù)正在推動(dòng)傳感器本身發(fā)生質(zhì)的飛躍，隨著測(cè)控系統(tǒng)信息化程度的加深，傳感器的虛擬化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，虛擬儀器、軟測(cè)量的內(nèi)涵將進(jìn)一步豐富國(guó)內(nèi)傳感器發(fā)展的基本國(guó)情隨著國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化與信息化、國(guó)防現(xiàn)代化等的快速發(fā)展，對(duì)各類(lèi)傳感器的年需求量持續(xù)增長(zhǎng)且需求旺盛，據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)五年(2017-2021年)中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)量將超萬(wàn)億只，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約30%，遠(yuǎn)高于全球11%的平均水平據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)傳感器企業(yè)多達(dá)2000余家，行業(yè)產(chǎn)值正以每年10%－15%的速率增長(zhǎng)。但與國(guó)外先進(jìn)水平相比，總體上目前我國(guó)的傳感器技術(shù)面臨創(chuàng)新能力和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力不強(qiáng)、核心技術(shù)缺失、產(chǎn)品有效供給不足、產(chǎn)業(yè)生態(tài)不健全、科研生產(chǎn)與應(yīng)用不協(xié)同等問(wèn)題國(guó)外傳感器制造工藝技術(shù)嚴(yán)格保密，國(guó)內(nèi)制造工藝及設(shè)備落后，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性較差，精度不高，儀器儀表產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重；目前全球傳感器市場(chǎng)主要由美國(guó)、日本、德國(guó)的幾家龍頭公司主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)傳感器主要性能指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)、可靠性差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，限制了國(guó)產(chǎn)傳感器使用范圍和可靠性，許多高性能傳感器仍依賴(lài)于進(jìn)口企業(yè)的創(chuàng)新能力及自主開(kāi)發(fā)水平滯后于國(guó)外，導(dǎo)致我國(guó)擁有自主開(kāi)發(fā)和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果不多，同時(shí)，在新型高端傳感器研究方面投入的資