傳感與檢測技術

SensingTechnology

陳桃第一章緒論

什么是傳感器?簡單的說就是獲取信息的一種裝置，無論是科學研究，還是日常生活，都離不開信息的獲取。傳感器稱為Sensor。Sense作名詞是指人的感覺、感官，人類通過各種感覺器官從外界獲取各種信息來識別環(huán)境和物體狀況，感知自然界的多姿與多彩。我們通過眼、耳、鼻、舌、皮膚等5種感知器官，即聽覺（hearing）、視覺（sight）、觸覺（touch）、嗅覺（smell）和味覺（taste），感知我們周圍的環(huán)境世界。這五種感知器官主要感知的是光、機械、熱等物理量，當然鼻和舌兼具感知化學量（如酸等）的功能。所以我們的五官就相當于我們的傳感器。

Sense作動詞使用就是感覺、感知、檢測的意思。故檢測技術又稱為SensingTechnology。

汽車一般有幾十個傳感器。根據(jù)預測，到2016年全球車用傳感器市場達到225億美元的規(guī)模，中國則會從24億美元增長到48億美元。中國車用傳感器的總數(shù)在2012年是5億只，到2016年就會翻倍達到10億只。電子節(jié)氣門技術ETC

（ElectronicThrottleControl）

智能手機之所以功能強大，很多地方要歸功于多種多樣的傳感器。重力感應器是由蘋果公司率先開發(fā)的一種設備。如果把手機拿在手里轉(zhuǎn)90度，橫過來，它的頁面會自動反應，也跟著轉(zhuǎn)90度，極具人性化。距離傳感器經(jīng)常被利用在打電話的時候，當人們手機接近人的面部時，手機的屏幕會自動熄滅，當手機遠離人的面部時，屏幕又會自動開啟。光線傳感器能夠根據(jù)周圍明暗程度調(diào)節(jié)屏幕亮度，在光線強的地方手機會自動關掉鍵盤燈，降低手機屏幕的亮度，在光線暗的地方自動打開鍵盤燈，增加手機屏幕亮度，達到節(jié)能的目的。大家都知道iPhone5c中的“c”代表Colour（多彩），那iPhone5s中的“s”代表什么？其實，“s”就是傳感器sensors。蘋果iPhone5s增加了TouchID指紋掃描器和M7運動協(xié)處理器。M7處理器專為測量來自加速度感應器、陀螺儀和指南針的運動數(shù)據(jù)而設計等，可以在CPU休眠（既屏幕關閉時）時采集數(shù)據(jù)判斷運動狀態(tài)，它能全天的判斷用戶在步行還是在開車或是在睡覺，根據(jù)狀態(tài)對系統(tǒng)做出調(diào)整如開車時不自動加入新WIFI。該觸摸ID傳感器只有170微米薄，有500ppi分辨率，可以360度掃描。整個指紋掃描系統(tǒng)包括扁平的藍寶石晶體、不銹鋼檢測圈以及指紋掃描陣列，全都整合在home鍵中。2012年蘋果以3.65億美元收購了指紋識別器和識別管理軟件公司AuthenTec。一、檢測系統(tǒng)的組成：

圖1轉(zhuǎn)動齒輪轉(zhuǎn)速

圖2轉(zhuǎn)速傳感器

圖3輸出方波信號

---------------圖4轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀顯示界面檢測系統(tǒng)的組成說明：1.被測對象(measuredvariable)

：溫度，濕度，壓力，速度，加速度，振動（振幅），光強，位移等非電量。2.傳感器傳感器（Transducer/Sensor），根據(jù)國家標準GB7665-87，定義為能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的裝置。通常感受的被測信號為非電信號，而可用輸出信號為電信號，所以有時傳感器又稱為把非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。大致分為：（1）敏感元件：Sensingelement（2）轉(zhuǎn)換元件：Transductionelement例：測力的應變式傳感器：將力—應變—電阻圖1-2懸臂梁測力實際上，有些傳感器中，敏感元件和變換元件合二為一。例：測力的壓電式傳感器：力—電荷—電壓

圖1-3壓電式傳感器測力

傳感器的分類：1）按被測物理量分類：溫度、壓力、位移、加速度、濕度、流量、速度、物位等。特點：便于用戶選擇傳感器。2）按工作原理分類：電阻式、電感式、電容式、熱電式、壓電式、光電式等。特點：利于學習。3）按能量傳遞方式(轉(zhuǎn)換原理)：能量控制型（外源型、參量型）：即無源型(依靠電參數(shù))如：電阻式、電容式、電感式等。能量轉(zhuǎn)換型（自源型、發(fā)電型）：即有源型(依靠電能量)如：壓電式：壓力（機械能）→電能，光電式：光能→電4）按學科分類：物理型（物理效應），化學型（化學效應），生物型（生物效應）5）按輸出性質(zhì)分：模擬式和數(shù)字式

3.信號調(diào)理（信號調(diào)節(jié)）電路(signalconditioningcircuit)：包括電橋，放大，調(diào)制，解調(diào)，濾波，U/F，U/I，非線性校正，絕對值檢測，峰值檢測，有效值檢測等。4.數(shù)據(jù)處理(dataprocessing)：包括A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理，數(shù)字濾波，頻譜分析，相關分析等。5.信號傳輸(signaltransmission)：模擬：直接輸出；0～5V電壓輸出；1～5V電壓輸出；4～20mA電流輸出；等等。數(shù)字：RS232總線，RS485總線，現(xiàn)場總線等。

二.傳感器的應用：傳感器的種類和數(shù)量與自動化水平的高低密切相關，而一個國家的自動化水平又反映了它的現(xiàn)代化水平，傳感器己廣泛應用于各個學科、工程領域、甚至我們的日常生活。1.生產(chǎn)過程的測量與控制(主要在化工、冶金、機械、電力、食品等)：溫度、壓力、流量、位移、液位、氣體成分。2.自動化設備和機器人：力、扭矩、位移、轉(zhuǎn)速、視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、接近。3.航天技術：速度、方位、溫度。4.交通運輸和資源探測：應變(重量、變形)、金屬材料、油量、速度、車輛檢測。5.醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器：溫度、血壓、血糖、脈搏。6.安全報警與環(huán)境保護：煙感、氣敏、水質(zhì)、放射性、噪聲?，F(xiàn)代信息技術的基礎是信息的采集、傳輸和處理技術。分別對應于傳感與檢測技術、通訊技術和計算機技術，傳感器技術是現(xiàn)代測試技術、自動化技術和信息技術的基礎。很多國家都將傳感器技術列為尖端技術，因為傳感器技術的落后將制約很多技術的發(fā)展。

美國的傳感器生產(chǎn)廠家有1000家，我國目前則有1000多家企業(yè)，但規(guī)模和應用都較小。存在著技術水平低、種類少、研發(fā)能力差等問題，在國際市場上沒有缺乏競爭優(yōu)勢。國內(nèi)傳感器需求，尤其是高端需求嚴重依賴進口，目前傳感器進口占比80%，傳感器芯片進口占比達90%。美國中國1999年870億只630億美元8.7億只52億RMB2002年1160億只900億美元11.8億只78億RMB

三.傳感器技術的發(fā)展趨勢：1.新型傳感器的開發(fā)：新材料、新工藝、仿生傳感器

新型材料是傳感器技術升級的重要支撐。一些有機或陶瓷的敏感材料可以提高精確度和響應速度，成為傳感器材料研發(fā)領域的一個熱點。在調(diào)配化學成分的基礎上，得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料，用于制成新型氣體傳感器，如熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏等傳感器。美國NRC公司開發(fā)出納米ZrO2氣體傳感器，用于控制機動車輛尾氣的排放，在凈化環(huán)境方面有廣闊的應用前景。納米技術不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新穎的構(gòu)思和方法。2.傳感器的集成化：采用MEMS微電子機械系統(tǒng)（micro-electro-mechanical-system使傳感器的體積越來越小。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量生產(chǎn)、易于集成和智能化的特點。MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動機機油壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。

隨著MEMS技術的進一步發(fā)展，以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費電子、醫(yī)療等領域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。MEMS陀螺儀經(jīng)歷了兩波增長高潮，第一波是由任天堂在2006年開發(fā)的Wii游戲機帶來的加速度傳感器需求高潮，它為人機交互增加了一種創(chuàng)新方式。第二波則來自iPhone、iPad等智能手機和平板電腦帶來的陀螺儀應用高潮，它讓智能手機的應用更富想象性。基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護儀之間的臨床診斷孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。

犀牛甲蟲家族的雄性擁有像犀牛一樣突出、粗壯的大角，因此而得名。它們是甲蟲家族中的大個子，可以長到6.5英寸長。犀牛甲蟲的最大特點是它的力量。如果按比例計算，它可能是世界上力氣最大的生物。某些種類的犀牛甲蟲能夠舉起相當于自身重量800倍的物體。美國國防部高級研究計劃局（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency），是美國國防部屬下的一個行政機構(gòu)，負責研發(fā)用于軍事用途的高新科技）資助了“混合昆蟲微機電系統(tǒng)”（HI-MEMS）項目。加州大學的科學家將電極和微型無線電安裝到圣甲蟲身上—

犀牛甲蟲也是圣甲蟲的一種，對它們進行遙控。在未來某天，這些生物機械結(jié)合體可充當微型間諜，或用于搜救行動。目前工作人員不足200人，多由文職人員組成，其中多為各學科一流專家、學者。該局業(yè)務機構(gòu)分為技術部門和保障部門兩類，其中技術部門包括國防科學處、電子技術處、信息系統(tǒng)處、信息技術處、傳感器技術處、戰(zhàn)術技術處、兩用技術計劃處、先進信息技術服務聯(lián)合計劃處以及高續(xù)航力無人機項目處；保障部門包括：審計處、合同管理處、行政管理和小企業(yè)管理處、安全與情報處以及法律顧問處。DARPA的宗旨是“保持美國的技術領先地位，防止?jié)撛趯κ忠庀氩坏降某健?。秉持這一信念，DARPA已為美國軍方積累了雄厚的科技資源儲備，成功研發(fā)了大量先進武器系統(tǒng)，引領著世界軍民高技術研發(fā)潮流，無人機、互聯(lián)網(wǎng)、半導體、計算機操作系統(tǒng)、激光器、全球定位系統(tǒng)等重大科技成果均可追溯到DARPA的資助。裝備具有視覺增強（360度無死角）、或者增強現(xiàn)實（提供地理信息）等功能，據(jù)說士兵只要通過語音便能夠控制屏幕內(nèi)的信息切換，屏幕內(nèi)將顯示360度+3D+10倍放大的地理信息，捕捉到的敵軍位置等。：傳統(tǒng)傳感器只能測定單一的變量，如壓力傳感器只能測定壓力，流量傳感器只能測定流量。而智能傳感器能夠同時測量聲、光、電、熱、力、化學等多個物理和化學量，給出比較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GICSensors公司研制的復合力學傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移，等等。：傳統(tǒng)傳感器只能測定單一的變量，如壓力傳感器只能測定壓力，流量傳感器只能測定流量。而智能傳感器能夠同時測量聲、光、電、熱、力、化學等多個物理和化學量，給出比較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GICSensors公司研制的復合力學傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移，等等。3.傳感器的多功能化：如多參數(shù)檢測。傳統(tǒng)傳感器只能測定單一的變量，如壓力傳感器只能測定壓力，流量傳感器只能測定流量。智能傳感器具有復合功能，能夠同時測量多種物理量和化學量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運動規(guī)律的信息。

如美國加利弗尼亞大學研制的復合液體傳感器，可同時測量介質(zhì)的溫度、流速、壓力和密度。美國EG&GICSensors公司利用MEMS研制的復合力學傳感器，可同時測量物體某一點的三維振動加速度、速度、位移等等。自補償和計算功能：多年來從事傳感器研制的工程技術人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補償和計算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補償開辟了新的道路。這樣，放寬傳感器加工精密度要求，只要能保證傳感器的重復性好，利用微處理器對測試的信號通過軟件計算，采用多次擬合和差值計算方法對溫度漂移和非線性進行補償，從而能獲得較精確的結(jié)果。4.傳感器的智能化：與微處理器相結(jié)合，具有檢測、判斷、信息處理、自補償、自診斷、通訊等功