16-微波及生物傳感器(第十二章)省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

微波傳感器一、微波概述微波是波長為1mm～1m電磁波，能夠細(xì)分為三個波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既含有電磁波性質(zhì)，又不一樣于普通無線電波和光波性質(zhì)，是一個相對波長較長電磁波。含有以下特點：①定向輻射裝置輕易制造；②碰到各種障礙物易于反射；③繞射能力差；④傳輸特征好，傳輸過程中受灰塵、強光影響小；⑤介質(zhì)對微波吸收與介質(zhì)介電常數(shù)成百分比。1第1頁二、微波傳感器原理和組成1、微波傳感器測量原理及分類微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出微波，碰到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生改變。若利用接收天線，接收到經(jīng)過被測物體或由被測物體反射回來微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即能夠顯示出被測量依據(jù)微波傳感器原理，微波傳感器能夠分為反射式和遮斷式兩類。2第2頁（1）反射式微波傳感器

反射式微波傳感器是經(jīng)過檢測被測物反射回來微波功率或經(jīng)過時間間隔來測量被測量。通常它能夠測量物體位置、位移、厚度等參數(shù)。（2）遮斷式微波傳感器

遮斷式微波傳感器是經(jīng)過檢測接收天線收到微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有沒有被測物體或被測物體厚度、含水量等參數(shù)。3第3頁2、微波傳感器組成微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。（1）微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波裝置。因為微波波長很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中含有非常微小電感與電容，所以不能用普通電子管與晶體管組成微波振蕩器。組成微波振蕩器器件有調(diào)速管、磁控管或一些固態(tài)器件.4第4頁由微波振蕩器產(chǎn)生振蕩信號需要用波導(dǎo)管傳輸，并經(jīng)過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射微波含有尖銳方向性，天線要含有特殊結(jié)構(gòu)。慣用天線如圖所表示。慣用微波天線扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線5第5頁（2）微波檢測器

電磁波作為空間微小電場變動而傳輸，所以使用電流-電壓特征展現(xiàn)非線性電子元件作為探測它敏感探頭,敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快響應(yīng)速度。幾兆赫以下可用半導(dǎo)體PN結(jié);頻率比較高可使用肖特基結(jié);靈敏度要求尤其高可使用超導(dǎo)材料約瑟夫遜結(jié)檢測器、SIS檢測器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件;靠近光頻率可使用由金屬-氧化物-金屬組成隧道結(jié)元件。

6第6頁3、微波傳感器特點

微波傳感器作為一個新型非接觸傳感器含有以下特點：①有極寬頻譜（波長=1.0mm~1.0m）可供選取，可依據(jù)被測對象特點選擇不一樣測量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對檢測信號傳輸影響極小，所以能夠在惡劣環(huán)境下工作；③時間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，能夠進(jìn)行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制；7第7頁④測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非電量轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控；⑤微波無顯著輻射公害。微波傳感器存在主要問題是零點漂移和標(biāo)定還未得到很好處理。其次，使用時外界環(huán)境原因影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。8第8頁三、微波傳感器應(yīng)用1、微波液位傳感器

微波液位計9第9頁2、微波濕度傳感器

水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場作用下，偶極子會形成定向排列。當(dāng)微波場中有水分子時，偶極子受場作用而重復(fù)取向，不停從電場中得到能量（儲能），又不停釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分潮濕物體所引發(fā)微波信號相移與衰減量，就能夠換算出物體含水量。

10第10頁下列圖給出了測量酒精含水量儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，再經(jīng)衰減器A1、A2分別注入到兩個完全相同轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無水酒精，T2放置被測樣品。相位與衰減測定儀（PT、AT）分別重復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動統(tǒng)計與顯示它們之間相位差與衰減差，從而確定樣品酒精含水量。11第11頁3、微波測厚儀

微波測厚儀是利用微波在傳輸過程中碰到被測物體金屬表面被反射，且反射波波長與速度都不變特征進(jìn)行測厚。微波測厚儀原理如圖所表示，在被測金屬物體上下兩表面各安裝一個終端器。微波信號源發(fā)出微波，經(jīng)過環(huán)行器A、上傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測物體上表面上，微波在被測物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測物體下表面微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。所以被測物體厚度與微波傳輸過程中行程長度有親密關(guān)系，當(dāng)被測物體厚度增加時，微波傳輸行程長度便減小。12第12頁微波測厚儀原理圖13第13頁普通情況下，微波傳輸行程長度改變非常微小。為了準(zhǔn)確地測量出這一微小改變，通常采取微波自動平衡電橋法，前面討論微波傳輸行程作為測量臂，而完全模擬測量臂微波傳輸行程設(shè)置一個參考臂（圖右部）。若測量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長度不一樣，兩路微波疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器后便有不平衡信號輸出。此不平衡差值信號經(jīng)放大后控制可逆電機旋轉(zhuǎn)，帶動賠償短路器產(chǎn)生位移，改變賠償短路器長度，直到兩臂行程長度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機停頓轉(zhuǎn)動為止。14第14頁4、微波無損檢測

微波無損檢測是綜合利用微波與物質(zhì)相互作用，首先微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另首先微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時微波場會受到材料中電磁參數(shù)和幾何參數(shù)影響。經(jīng)過測量微波信號基本參數(shù)改變即可到達(dá)檢測材料內(nèi)部缺點目標(biāo)。15第15頁生物傳感器一、生物傳感器基本概念生物傳感器通常是指由一個生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)含有選擇性和可逆響應(yīng)分析裝置。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少一個先進(jìn)檢測與監(jiān)控方法,也是對物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析方法。16第16頁1、生物傳感器工作原理生物傳感器工作原理是待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生信息如光、熱、音等被對應(yīng)信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚黼娦盘?，再?jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)量或濃度。17第17頁（1）將化學(xué)改變轉(zhuǎn)變成電信號例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物量有所增減.用能把這類物質(zhì)量改變轉(zhuǎn)換為電信號裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器。（2）將熱改變轉(zhuǎn)換成電信號固定化生物材料與對應(yīng)被測物作用時常伴有熱改變。這類生物傳感器工作原理是把反應(yīng)熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值改變。18第18頁（3）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柋热?，過氧化氫酶,能催化過氧化氫發(fā)光,所以如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管前端,再和光電流測定裝置相連,即可測定過氧化氫含量。還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熒光。也能夠用這種方法測定底物濃度.上述三原理生物傳感器共同點：都是將分子識別元件中生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生化學(xué)或物理改變再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測量,這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式.19第19頁（4）直接產(chǎn)生電信號方式這種方式能夠使酶反應(yīng)伴隨電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞氧化直接(或經(jīng)過電子遞體作用)在電極表面上發(fā)生。依據(jù)所得電流量即可得底物濃度。20第20頁二、生物傳感器分類1、依據(jù)傳感器輸出信號產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器;2、依據(jù)生物傳感器信號轉(zhuǎn)換器可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等3、依據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。21第21頁

生物親合型傳感器被測物質(zhì)與分子識別元件上敏感物質(zhì)含有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時引發(fā)敏感材料分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生改變。比如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等改變。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR22第22頁

代謝型傳感器底物（被測物）與分子識別元件上敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物消耗或產(chǎn)物增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘枺@類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

23第23頁每一類又都包含許各種詳細(xì)生物傳感器比如，僅酶電極一類，依據(jù)所用酶不一樣就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等．就是葡萄糖電極也并非只有一個，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器電流型葡萄糖電極等．實際上還可再細(xì)分。24第24頁三、生物傳感器組成部分一是生物分子識別元件(感受器),是含有分子識別能力生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機物分子等);二是信號轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流測量)、光學(xué)檢測元件、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測物與分子識別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生復(fù)合物(或光、熱等)經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟軌蜉敵鲭娦盘?、光信號?從而到達(dá)分析檢測目標(biāo)。25第25頁敏感器件（分子識別元件）26第26頁四、生物傳感器優(yōu)點(1)依據(jù)生物反應(yīng)特異性和多樣性,理論上能夠制成測定全部生物物質(zhì)傳感器,因而測定范圍廣泛(2)普通不需進(jìn)行樣品預(yù)處理,它利用本身具備優(yōu)異選擇性把樣品中被測組分分離和檢測統(tǒng)一為一體，測定時普通不需另加其它試劑,使測定過程簡便快速,輕易實現(xiàn)自動分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)在位檢測27第27頁(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可重復(fù)屢次使用(5)準(zhǔn)確度高,普通相對誤差可到達(dá)1%以內(nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測定儀成本遠(yuǎn)低于大型分析儀,因而便于推廣普及(8)有微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)供氧情況和副產(chǎn)物產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜物理化學(xué)傳感器綜合作用才能取得信息28第28頁在食品分析應(yīng)用五、應(yīng)用食品成份分析食品添加劑分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素檢驗食品鮮度檢測29第29頁在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用水質(zhì)分析：一個經(jīng)典應(yīng)用是測定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測BOD需5天，且操作復(fù)雜。1977年Karube等首次報道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達(dá)17天；廢氣或環(huán)境大氣監(jiān)測：可用于測定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量分析：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作離子敏場效應(yīng)晶體管酶傳感器可用于蔬菜等樣品中有機磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等測定30第30頁在生物醫(yī)學(xué)上應(yīng)用臨床應(yīng)用：用酶、免疫傳感器等生物傳感器來檢測體液中各種化學(xué)成份，為醫(yī)生診療提出依據(jù)。生物醫(yī)藥：利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥品時，將生物傳感器用于生化反應(yīng)監(jiān)視，能夠快速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強生物工程產(chǎn)品質(zhì)量管理。

31第31頁在軍事上應(yīng)用當(dāng)代戰(zhàn)爭往往是在核武器、化學(xué)武器、生物武器威脅下進(jìn)行戰(zhàn)爭。偵檢、判定和檢測是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護前提。因為含有高度特異性、靈敏性和能快速地探測化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包含病毒、細(xì)菌和毒素等）特征，生物傳感器將是最主要一類化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑偵檢器材。如煙堿乙酰膽堿受體生物傳感器和某種麻醉劑受體生物傳感器能在10s內(nèi)偵檢出10-9濃度級生化戰(zhàn)劑，包含委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。32第32頁德國研發(fā)環(huán)境廢水BOD分析儀33第33頁手掌型葡萄糖(glucose)分析儀34第34頁發(fā)酵罐主機計算機SBA-60型生物傳感在線分析系統(tǒng)，

為發(fā)酵自動控制提供了新基礎(chǔ)平臺35第35頁機器人傳感器36第36頁機器人37第37頁機器人大腦——主板機器人思想——程序機器人感知——傳感器機器人手腳——馬達(dá)機器人骨架——機械結(jié)構(gòu)機器人食物——電池機器人組成38第38頁傳感器在機器人中應(yīng)用機器人是由計算機控制復(fù)雜機器，它含有類似人肢體及感官功效；動作程序靈活；有一定程度智能；在工作時能夠不依賴人操縱。機器人傳感器在機器人控制中起了非常主要作用，正因為有了傳感器，機器人才具備了類似人類知覺功效和反應(yīng)能力。

39第39頁給機器人裝備什么樣傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計機器人感覺系統(tǒng)時碰到首要問題。選擇機器人傳感器應(yīng)該完全取決于機器人工作需要和應(yīng)用特點。40第40頁機器人傳感器可分為內(nèi)部檢測傳感器和外部檢測傳感器兩大類。內(nèi)部檢測傳感器是以機器人本身坐標(biāo)軸來確定其位置。它安裝在機器人本身中用來感知機器人自己狀態(tài)，以調(diào)整和控制機器人行動。它通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器組成。外界檢測傳感器用于機器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物狀態(tài)特征獲取信息，使機器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外界檢測傳感器通常包含觸覺、靠近覺、視覺、聽覺、嗅覺等傳感器。41第41頁類別檢測內(nèi)容應(yīng)用目標(biāo)傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有沒有對象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對象色彩及濃度利用顏色識別對象場所彩色攝影機、濾色器、彩色CCD位置覺物體位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動光敏陣列、CCD等形狀覺物體外形提取物體輪廓及固有特征，識別物體光敏陣列、CCD等接觸覺與對象是否接觸，接觸位置決定對象位置，識別對象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停頓，尋徑光電傳感器、微動開關(guān)、薄膜接點、壓敏高分子材料壓覺對物體壓力、握力、壓力分布控制握力，識別握持物，測量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料力覺機器人相關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩控制手腕移動，伺服控制，正確完成作業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠靠近覺對象物是否靠近，靠近距離，對象面傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停頓光傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器、電渦流傳感器、霍爾傳感器滑覺垂直握持面方向物體位移，重力引發(fā)變形修正握力，預(yù)防打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動檢測器機器人傳感器分類

42第42頁傳感器在機器人身上分布

43第43頁能踢球機器人44第44頁對運動球類有正確反應(yīng)機器人能打網(wǎng)球機器人機器人足球比賽45第45頁能行走機器人46第46頁服務(wù)機器人機器人伴舞機器人奏樂47第47頁可愛小機器人能上臺階并避開障礙物機器人能自己站起來機器人48第48頁排爆機器人我國沈陽自動化所研制PXJ-2機器人也加入了公安部隊行列。49第49頁消防機器人消防機器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊員靠近火場實施有效滅火救援、化學(xué)檢驗和火場偵察。它應(yīng)用將提升消防部隊撲滅特大惡性火災(zāi)實戰(zhàn)能力，對降低國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員傷亡將產(chǎn)生主要作用。50第50頁機器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機器人自定位、動態(tài)隨機避障、多傳感器信息融合、實時自適應(yīng)導(dǎo)航控制等功能。51第51頁軍事機器人我國引進(jìn)排爆機器人進(jìn)攻型機器人52第52頁工業(yè)機器人核工業(yè)機器人汽車噴漆機器人53第53頁機器人手54第54頁機械手在汽車加工中應(yīng)用機械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機器人雛形。55第55頁激光焊接機械手56第56頁一、智能式傳感器概述

智能式傳感器（Intelligentsensor或Smartsensor）自20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)以來，伴隨微處理器技術(shù)迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自賠償。傳統(tǒng)傳感器已不能滿足這么要求。另外，為制造高性能傳感器，光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計算機技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合來填補其性能不足。計算機技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大變革，微處理器(或微計算機)和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功效強大智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一個帶有微處理機，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功效傳感器。智能傳感器57第57頁傳感器與微處理機結(jié)合能夠經(jīng)過以下兩個路徑來實現(xiàn)：一是采取微處理機或微型計算機系統(tǒng)以強化和提升傳統(tǒng)傳感器功效，即傳感器與微處理機可分為兩個獨立部分，傳感器輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機部分進(jìn)行運算處理。這就是我們指普通意義上智能傳感器,又稱傳感器智能化。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。集成智能傳感器含有多功效、一體化、精度高、適宜于大批量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點，它是傳感器發(fā)展必定趨勢，它實現(xiàn)將取決于半導(dǎo)體集成化工藝水平提升與發(fā)展。58第58頁就當(dāng)前來看，已經(jīng)有不少以組合形式出現(xiàn)智能傳感器作為產(chǎn)品投入市場，如美國Honeywell企業(yè)推出DSTJ-3000型硅壓阻式智能傳感器,ParScientific企業(yè)1000系列數(shù)字式石英智能傳感器。我國也著手智能傳感器開發(fā)與研究，主要是在現(xiàn)有使用傳感器中，采取先進(jìn)微處理機和微型計算機系統(tǒng)，使之完成第一類路徑智能化。智能傳感器因其在功效、精度、可靠性上較普通傳感器有很大提升，已經(jīng)成為傳感器研究開發(fā)熱點。近年來，伴隨傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也發(fā)展很快。發(fā)展高性能以硅材料為主各種智能傳感器已成為必定。59第59頁二、智能傳感器功效和組成

不論是傳感器智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機兼具檢測信息和處理信息功效傳感器，可統(tǒng)稱為智能式傳感器。和傳統(tǒng)傳感器相比，智能化傳感器含有以下功效：①含有邏輯判斷、統(tǒng)計處理功效?？蓪z測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時間、交叉感應(yīng)以及遲緩漂移等誤差賠償，提升了測量準(zhǔn)確度。②含有自診療、自校準(zhǔn)功效?？稍诮油娫磿r進(jìn)行開機自檢，可在工作中進(jìn)行運行自檢，并可實時自行診療測試，以確定哪一組件有故障，提升了工作可靠性。60第60頁③含有自適應(yīng)、自調(diào)整功效。可依據(jù)待測物理量數(shù)值大小及改變情況自動選擇檢測量程和測量方式，提升了檢測適用性。④含有組態(tài)功效。可實現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)復(fù)合測量，擴大了檢測與使用范圍。⑤含有記憶、存放功效?？蛇M(jìn)行檢測數(shù)據(jù)隨時存取，加緊了信息處理速度。⑥含有數(shù)據(jù)通訊功效。智能化傳感器含有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計算機直接聯(lián)機，相互交換信息，提升了信息處理質(zhì)量。61第61頁計算機軟件在智能傳感器中起著舉足輕重作用。因為“電腦”加入，智能傳感器可經(jīng)過各種軟件對信息檢測過程進(jìn)行管理和調(diào)整，使之工作在最正確狀態(tài)，從而增強了傳感器功效，提升了傳感器性能。另外，利用計算機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實現(xiàn)功效，因為以軟件代替部分硬件，可降低傳感器制作難度。智能式傳感器系統(tǒng)普通組成框圖如圖所表示。其中作為系統(tǒng)“大腦”微型計算機，能夠是單片機、單板機，也能夠是微型計算機系統(tǒng)。62第62頁智能傳感器結(jié)構(gòu)框圖63第63頁三、傳感器智能化1、傳感器智能化概念

傳感器智能化指傳感器與微處理機可分為兩個獨立部分，傳感器輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送入微處理機部分進(jìn)行運算處理。這類智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)電信號,送到信號調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微處理機中。微處理機是智能傳感器關(guān)鍵,它不但能夠?qū)鞲衅鳒y量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、存放、數(shù)據(jù)處理,還能夠經(jīng)過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)整。因為微處理機充分發(fā)揮各種軟件功效,能夠完成硬件難以完成任務(wù),從而大大降低了傳感器制造難度,提升了傳感器性能,降低了成本。64第64頁微型計算機或微處理機是智能式傳感器關(guān)鍵。傳感器信號經(jīng)一定硬件電路處理后，以數(shù)字信號形式進(jìn)入計算機，于是計算機即可依據(jù)其內(nèi)存中駐留軟件實現(xiàn)對測量過程各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理以及信息輸送等功效，從而使傳感器取得智能。在智能傳感器中，其控制功效、數(shù)據(jù)處理功效和數(shù)據(jù)傳輸功效尤為主要。實際上，為了使智能式傳感器真正含有智能，控制功效就應(yīng)該包含：鍵盤控制功效、量程自動切換功效、多路與多路通道切換功效、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報警功效、自診療與自校正功效。比如為使智能式傳感器含有自校正功效，在傳感器系統(tǒng)設(shè)計時，可考慮預(yù)留一路模擬量輸入通道作自校正用，然后經(jīng)過計算機編程實現(xiàn)自校正。65第65頁該程序執(zhí)行步驟為：所用微機先向Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換口輸出一個定值(固定代碼)，經(jīng)DAC變換為對應(yīng)模擬電壓值，再送到Ａ/Ｄ通路自校正輸入端。今后，由微機開啟ADC，待Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束，再取回轉(zhuǎn)換結(jié)果值，并與原送出代碼進(jìn)行比較。如結(jié)果相符或誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為自校正功效正常。若感覺僅在一點上進(jìn)行自校正還不能說明問題，能夠設(shè)置2～3個自校正點，如可設(shè)置其零點、中點及滿刻度點為自校正點，并分三次比較。經(jīng)過比較和判斷，確定輸入、輸出以及接口等是否正常。66第66頁2、傳感器智能化實例

下列圖是智能式應(yīng)力傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖。智能式應(yīng)力傳感器用于測量飛機機翼上各個關(guān)鍵部位應(yīng)力大小，并判斷機翼工作狀態(tài)是否正常以及故障情況。它共有6路應(yīng)力傳感器和1路溫度傳感器，其中每一路應(yīng)力傳感器由4個應(yīng)變片組成全橋電路和前級放大器組成，用于測量應(yīng)力大小。溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，從而對應(yīng)力傳感器進(jìn)行誤差修正。采取8031單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開關(guān)依據(jù)單片機發(fā)出命令輪番選通各個傳感器通道，0通道作為溫度傳感器通道，1～6通道分別為6個應(yīng)力傳感器通道。程控放大器則在單片機命令下分別選擇不一樣放大倍數(shù)對各路信號進(jìn)行放大。該智能式傳感器含有較強自適應(yīng)能力，它能夠判斷工作環(huán)境原因改變，進(jìn)行必要修正，以確保測量準(zhǔn)確性。67第67頁智能式應(yīng)力傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖68第68頁智能式應(yīng)力傳感器含有測量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤監(jiān)控及經(jīng)過串口與計算機通信功效。其軟件采取模塊化和結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，軟件結(jié)構(gòu)如圖所表示。主程序模塊完成自檢、初始化、通道選擇以及各個功效模塊調(diào)用功效。其中信號采集模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性賠償、信號處理、誤差修正以及檢索查表等功效。故障診療模塊任務(wù)是對各個應(yīng)力傳感器信號進(jìn)行分析，判斷飛機機翼工作狀態(tài)及是否存在損傷或故障。鍵盤輸入及顯示模塊含有以下任務(wù)：69第69頁①查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊，主程序模塊依據(jù)鍵意執(zhí)行或調(diào)用對應(yīng)功效模塊；②顯示各路傳感器數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。輸出打印模塊主要控制模擬量輸出以及控制打印機完成打印任務(wù)。通信模塊主要控制RS232串行通信口和上位微機發(fā)通信。70第70頁智能式應(yīng)力傳感器軟件結(jié)構(gòu)圖71第71頁四、集成智能傳感器

1、集成智能傳感器發(fā)展方向集成電路和微機械工藝促進(jìn)了傳感器技術(shù)發(fā)展，改變了傳感器作為單純物理量轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)概念。當(dāng)前，傳感器發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個方面。72第72頁傳感器集成化是指將多個功效相同或不一樣敏感器件制作在同一個芯片上組成傳感器陣列。集成化主要有三個方面含義：一是將多個功效完全相同敏感單元集成在同一個芯片上，用來測量被測量空間分布信息，比如壓力傳感器陣列或我們熟知CCD器件；二是對多個結(jié)構(gòu)相同、功效相近敏感單元進(jìn)行集成，比如將不一樣氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”，利用各種敏感元對不一樣氣體交叉敏感效應(yīng)，采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠?qū)M成混合氣體各種成份同時監(jiān)測，得到混合氣體組成信息，同時提升氣敏傳感器測量精度;這層含義上集成還有一個情況是將不一樣量程傳感元集成在一起，能夠依據(jù)待測量大小在各個傳感元之間切換，在確保測量精度同時，擴大傳感器測量范圍；三是指對不一樣類型傳感器進(jìn)行集成，比如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元傳感器，能同時測到環(huán)境中物理特征或化學(xué)參量，用來對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。73第73頁集成電路和各種傳感器特征尺寸已到達(dá)亞微米和深亞微米量級，因為非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積、重量、價格等減小。智能化是將傳感器(或傳感器陣列)與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上。系統(tǒng)能夠經(jīng)過電路進(jìn)行信號提取和信號處理，依據(jù)詳細(xì)情況自主地對整個傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診療，并能依據(jù)待測物理量大小及改變情況自動選擇量程和測量工作方式。和經(jīng)典傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)體積，降低制造成本，提升測量精度，增強傳感器功效，是當(dāng)前國際上傳感器研究熱點，也是未來傳感器發(fā)展主流。74第74頁2、智能傳感器研究熱點

1）物理轉(zhuǎn)化機理理論上講，有很各種物理效應(yīng)能夠?qū)⒋郎y物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。在智能傳感器出現(xiàn)之前，為了數(shù)據(jù)讀取方便，人們選擇物理轉(zhuǎn)化機理時，被迫優(yōu)先選擇那些輸入—輸出傳遞函數(shù)為線性轉(zhuǎn)化機理，而舍棄掉其它傳遞函數(shù)為非線性，但含有長久穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等性質(zhì)轉(zhuǎn)換機理或材料。因為智能傳感器能夠很輕易對非線性傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個線性度非常好輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞函數(shù)對傳感器應(yīng)用制約，所以一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、靈敏度高轉(zhuǎn)換機理或材料重新進(jìn)行研究。75第75頁

2）數(shù)據(jù)融合理論數(shù)據(jù)融合是智能傳感器理論主要領(lǐng)域，也是各國研究熱點。數(shù)據(jù)融合經(jīng)過分析各個傳感器信息，來取得更可靠、更有效、更完整信息，并依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，作出正確結(jié)論。對于由多個傳感器組成陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器特點，利用其互補性、冗余性，提升測量信息精度和可靠性，延長系統(tǒng)使用壽命，進(jìn)而實現(xiàn)識別、判斷和決議。76第76頁多傳感器系統(tǒng)融合中心接收各傳感器輸入信息，得到一個基于多傳感器決議聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定準(zhǔn)則作出最終決議。融合中心慣用融合方法有錯誤率最小化法、NP法、自適應(yīng)增強學(xué)習(xí)法、廣義證據(jù)處理法等等。傳感器數(shù)據(jù)融合是傳感器技術(shù)、模式識別、人工智能、含糊理論、概率統(tǒng)計等交叉新興學(xué)科，當(dāng)前還有許多問題沒有處理，如最優(yōu)分布檢測方法、數(shù)據(jù)融合分布式處理結(jié)構(gòu)、基于含糊理論融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多傳感器系統(tǒng)、多傳感器信號之間相互耦合、系統(tǒng)功效配置及冗余優(yōu)化設(shè)計等，這些問題也是當(dāng)今數(shù)據(jù)融合理論研究熱點。77第77頁

3）CMOS工藝兼容傳感器制造與集成封裝技術(shù)集成式微型智能傳感器是受集成電路制作工藝牽引而發(fā)展起來，怎樣充分利用已經(jīng)行之有效大規(guī)模集成電路制作技術(shù)，是智能傳感器降低成本，提升質(zhì)量，增加效益，批量生產(chǎn)最可行，最有效路徑。但傳統(tǒng)微機械傳感器制作工藝與CMOS工藝兼容性較差。為了確保加工應(yīng)力能完全松弛，微機械結(jié)構(gòu)需要長時間高溫退火；而為了成功地實施必要曝光，CMOS技術(shù)需要非常平整表面，這就造成了矛盾。因為假如先完成機械加工工序，