傳感與檢測技術(shù)

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(xué)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(jī)械、熱等物理量，當(dāng)然鼻和舌兼具感知化學(xué)量（如酸等）的功能。所以我們的五官就相當(dāng)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(shù)又稱為SensingTechnology。

汽車一般有幾十個(gè)傳感器。根據(jù)預(yù)測，到2016年全球車用傳感器市場達(dá)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(dá)到10億只。電子節(jié)氣門技術(shù)ETC

（ElectronicThrottleControl）

智能手機(jī)之所以功能強(qiáng)大，很多地方要?dú)w功于多種多樣的傳感器。重力感應(yīng)器是由蘋果公司率先開發(fā)的一種設(shè)備。如果把手機(jī)拿在手里轉(zhuǎn)90度，橫過來，它的頁面會自動反應(yīng)，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(shí)候，當(dāng)人們手機(jī)接近人的面部時(shí)，手機(jī)的屏幕會自動熄滅，當(dāng)手機(jī)遠(yuǎn)離人的面部時(shí)，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(qiáng)的地方手機(jī)會自動關(guān)掉鍵盤燈，降低手機(jī)屏幕的亮度，在光線暗的地方自動打開鍵盤燈，增加手機(jī)屏幕亮度，達(dá)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(shí)，“s”就是傳感器sensors。蘋果iPhone5s增加了TouchID指紋掃描器和M7運(yùn)動協(xié)處理器。M7處理器專為測量來自加速度感應(yīng)器、陀螺儀和指南針的運(yùn)動數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)等，可以在CPU休眠（既屏幕關(guān)閉時(shí)）時(shí)采集數(shù)據(jù)判斷運(yùn)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(shí)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(gè)指紋掃描系統(tǒng)包括扁平的藍(lán)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(qiáng)，位移等非電量。2.傳感器傳感器（Transducer/Sensor），根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(yīng)變式傳感器：將力—應(yīng)變—電阻圖1-2懸臂梁測力實(shí)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(diǎn)：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(diǎn)：利于學(xué)習(xí)。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(jī)械能）→電能，光電式：光能→電4）按學(xué)科分類：物理型（物理效應(yīng)），化學(xué)型（化學(xué)效應(yīng)），生物型（生物效應(yīng)）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(guān)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(yīng)用：傳感器的種類和數(shù)量與自動化水平的高低密切相關(guān)，而一個(gè)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(yīng)用于各個(gè)學(xué)科、工程領(lǐng)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(jī)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(shè)備和機(jī)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(shù)：速度、方位、溫度。4.交通運(yùn)輸和資源探測：應(yīng)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(bào)警與環(huán)境保護(hù)：煙感、氣敏、水質(zhì)、放射性、噪聲?，F(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)是信息的采集、傳輸和處理技術(shù)。分別對應(yīng)于傳感與檢測技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測試技術(shù)、自動化技術(shù)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)。很多國家都將傳感器技術(shù)列為尖端技術(shù)，因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)的落后將制約很多技術(shù)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(yīng)用都較小。存在著技術(shù)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(yán)重依賴進(jìn)口，目前傳感器進(jìn)口占比80%，傳感器芯片進(jìn)口占比達(dá)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(shù)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(shù)升級的重要支撐。一些有機(jī)或陶瓷的敏感材料可以提高精確度和響應(yīng)速度，成為傳感器材料研發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。在調(diào)配化學(xué)成分的基礎(chǔ)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(jī)動車輛尾氣的排放，在凈化環(huán)境方面有廣闊的應(yīng)用前景。納米技術(shù)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(jī)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(jī)械加工技術(shù)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(diǎn)。MEMS壓力傳感器主要應(yīng)用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動機(jī)機(jī)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(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。

隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點(diǎn)，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)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(jī)帶來的加速度傳感器需求高潮，它為人機(jī)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(jī)和平板電腦帶來的陀螺儀應(yīng)用高潮，它讓智能手機(jī)的應(yīng)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(xué)、直觀準(zhǔn)確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護(hù)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(gè)子，可以長到6.5英寸長。犀牛甲蟲的最大特點(diǎn)是它的力量。如果按比例計(jì)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(dāng)于自身重量800倍的物體。美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA，DefenseAdvancedResearchProjectsAgency），是美國國防部屬下的一個(gè)行政機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)研發(fā)用于軍事用途的高新科技）資助了“混合昆蟲微機(jī)電系統(tǒng)”（HI-MEMS）項(xiàng)目。加州大學(xué)的科學(xué)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(jìn)行遙控。在未來某天，這些生物機(jī)械結(jié)合體可充當(dāng)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(xué)科一流專家、學(xué)者。該局業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)分為技術(shù)部門和保障部門兩類，其中技術(shù)部門包括國防科學(xué)處、電子技術(shù)處、信息系統(tǒng)處、信息技術(shù)處、傳感器技術(shù)處、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)處、兩用技術(shù)計(jì)劃處、先進(jìn)信息技術(shù)服務(wù)聯(lián)合計(jì)劃處以及高續(xù)航力無人機(jī)項(xiàng)目處；保障部門包括：審計(jì)處、合同管理處、行政管理和小企業(yè)管理處、安全與情報(bào)處以及法律顧問處。DARPA的宗旨是“保持美國的技術(shù)領(lǐng)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(jìn)武器系統(tǒng)，引領(lǐng)著世界軍民高技術(shù)研發(fā)潮流，無人機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)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(qiáng)（360度無死角）、或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(shí)測量聲、光、電、熱、力、化學(xué)等多個(gè)物理和化學(xué)量，給出比較全面反映物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時(shí)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(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測量物體某一點(diǎn)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(shí)測量聲、光、電、熱、力、化學(xué)等多個(gè)物理和化學(xué)量，給出比較全面反映物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的信息。如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時(shí)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(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測量物體某一點(diǎn)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(fù)合功能，能夠同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，給出能夠較全面反映物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的信息。

如美國加利弗尼亞大學(xué)研制的復(fù)合液體傳感器，可同時(shí)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(fù)合力學(xué)傳感器，可同時(shí)測量物體某一點(diǎn)的三維振動加速度、速度、位移等等。自補(bǔ)償和計(jì)算功能：多年來從事傳感器研制的工程技術(shù)人員一直為傳感器的溫度漂移和輸出非線性作大量的補(bǔ)償工作，但都沒有從根本上解決問題。而智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能為傳感器的溫度漂移和非線性補(bǔ)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(fù)性好，利用微處理器對測試的信號通過軟件計(jì)算，采用多次擬合和差值計(jì)算方法對溫度漂移和非線性進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償、自診斷、通訊等功