新型傳感器原理提綱

新型傳感器及應用 0 儀器科學與技術發(fā)展現(xiàn)狀一、儀器科學與技術的地位二、儀器儀表和測量控制的領域劃分三、我國儀器行業(yè)的基本情況四、儀器科學的發(fā)展方向第1章 現(xiàn)代傳感技術及新型傳感器的概念第2章 新型原理及新材料、新加工工藝第3章 傳感器的能量變換和信號變換第4章 傳感器構成論第5章 智能傳感器儀器科學與技術發(fā)展現(xiàn)狀一、儀器科學與技術的地位當今世界已進入信息時代，信息技術成為推動科學技術高速發(fā)展的要害技術。信息技術的快速發(fā)展，產(chǎn)生了新興的龐大的信息產(chǎn)業(yè)，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為帶動世界經(jīng)濟發(fā)展的龍頭產(chǎn)業(yè)。信息科學、生命科學和材料科學一起構成了當代三種前沿科學，信息技術是當代世界范圍內(nèi)新技術革命的核心。信息科學和技術是現(xiàn)代科學技術的先導，是人類進行高效率、高效益、高速度社會活動的理論、方法與技術，是管理現(xiàn)代化的一個重要標志。信息產(chǎn)業(yè)一般指以信息為資源，信息技術為基礎，進行信息資源的研究、開發(fā)和應用，以及對信息進行收集、生產(chǎn)、處理、傳遞、儲存和經(jīng)營活動，為經(jīng)濟發(fā)展及社會進步提供有效服務的綜合性的生產(chǎn)和經(jīng)營活動的行業(yè)。在工業(yè)發(fā)達國家，一般都把信息當作社會生產(chǎn)力發(fā)展和國民經(jīng)濟發(fā)展的重要資源，把信息產(chǎn)業(yè)作為所有產(chǎn)業(yè)核心的新興產(chǎn)業(yè)群，稱為第四產(chǎn)業(yè)。信息技術由測量技術、計算機技術、通訊技術三部分組成。儀器科學與技術是信息科學與技術的重要組成部分，是信息的源頭。新技術革命的關鍵技術是信息技術。測量技術則是關鍵和基礎。著名科學家錢學森明確指出： “信息技術包括測量技術、計算機技術和通信技術。測量技術是基礎?！蓖醮箸裨菏恳惨辉購娬{(diào)：“測量技術是信息技術的源頭?！眱x器科學與技術是對客觀事物提供檢測、計量、監(jiān)測和控制的重要手段，是人類認識世界、改造世界和社會法制化提供物質(zhì)技術保障的一門知識密集、技術密集的綜合性學科。隨著高新技術的研究和發(fā)展，科學研究與實踐工作，國民經(jīng)濟建設中的現(xiàn)代國防、現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和人類的社會生活，都離不開儀器儀表及其技術。儀器是一種信息工具，起著不可或缺的信息源的作用。儀器科學與技術在國民經(jīng)濟建設中起著十分重要的作用。近年來，我國儀器儀表工業(yè)面臨嚴峻形勢，振興我國儀器儀表工業(yè)刻不容緩?？茖W技術是第一生產(chǎn)力，首先要靠儀器儀表去認識世界。先進的科學儀器設備是知識創(chuàng)新的前提，也是創(chuàng)新研究的主體內(nèi)容之一和創(chuàng)新成就的重要體現(xiàn)形式。儀器的創(chuàng)新是知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的組成部分。從設立諾貝爾獎百年以來，在物理和化學獎中有大約四分之一是屬于測試方法和儀器的創(chuàng)新成就。有數(shù)據(jù)顯示，在包括物理、化學、生物在內(nèi)的自然科學領域，有接近60%的諾貝爾獎與儀器儀表有直接的或間接的關系。例如1901年諾貝爾物理學獎獲得者W.C.倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，在物理學界引起了巨大的震動，宣布了現(xiàn)代物理學時代的到來，使診斷醫(yī)學發(fā)生了革命，至今人們?nèi)栽谙碛弥膫ゴ蟀l(fā)現(xiàn)，并利用X射線做了多種多樣的工作，如X射線透視儀、X射線斷層掃描儀（簡稱CT掃描儀）等等。比如發(fā)明了顯微鏡后，人們知道世界是由很小的微觀粒子組成的。在科學技術的重大成就和科學研究新領域的開辟方面往往是以檢測儀器和技術方法的突破為技術先導。發(fā)展科學儀器已成為國家的發(fā)展戰(zhàn)略。儀器也是國家科技發(fā)展水平的標志。特別是在當今高新技術發(fā)展的信息時代，儀器更是現(xiàn)代化的綜合因素之一。現(xiàn)代儀器發(fā)展的一個趨勢是集成化，儀器中的信息處理、轉(zhuǎn)換、存儲、顯示等都與信息技術相同。當代沒有現(xiàn)代儀器就不能獲取工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設、國防、科研、生活、社會、海關等諸多領域中全方面的信息，進入信息時代是不可能的。儀器儀表在試驗教學、氣象預報、大地測繪、診治疾病、指揮交通、探測災情等社會生活許多領域都有廣泛應用，需求遍及“農(nóng)輕重、海陸空、吃穿用”無所不在?，F(xiàn)代儀器儀表在當今社會經(jīng)濟活動中還發(fā)揮“物化法官”的重要作用。 儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”,科學研究的“先行官”,軍事上的“戰(zhàn)斗力”,以及現(xiàn)代社會活動的“物化法官”沒有高水平、高質(zhì)量的測控設備，大型化、高參數(shù)化、工況復雜化的現(xiàn)代工業(yè)重大裝備將無法運行。儀器儀表在代表我們國家命脈的重化工業(yè)、大能源工業(yè)中發(fā)揮的作用，不但是正常運行的保障，而且是最后的安全屏障，因為任何安全隱患的異常反應都首先出現(xiàn)在儀器儀表上。二、儀器儀表和測量控制的領域劃分按照應用領域的不同，習慣地把儀器儀表和測量控制劃分為六個大類，即工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)、科學儀器、醫(yī)療儀器、電子與電工測量儀器、各類專用儀器、傳感器和儀器儀表元器件及功能材料。這是一個大致的分類，其間存在著許多交叉和滲透。 工業(yè)自動化儀表與控制系統(tǒng)，主要應用在工業(yè)生產(chǎn)流程中的檢測和控制； 科學儀器應用面極廣，包括科學研究、教學實驗、物質(zhì)分析、安全監(jiān)測等各種領域； 醫(yī)療儀器應用于生命科學研究和臨床診斷治療； 電子與電工測量儀器用于對各種電子和電工參數(shù)進行測量； 各類專用儀器應用于各種專門的領域，如農(nóng)業(yè)、環(huán)保、氣象、水文、地質(zhì)、海洋等，這類儀器除了應用領域的特殊要求具備某些特殊性外，它們的基本原理和應用方法跟科學儀器等其他類儀器并無本質(zhì)的區(qū)別； 傳感器、元器件和功能材料主要用于獲取信號、儀器制作和使用材料上。傳感器已經(jīng)成為影響到儀器儀表與測量控制發(fā)展和應用的關鍵所在。各類儀器的基礎理論和技術，構成了儀器儀表與測量控制學科體系的基本內(nèi)容，它們的產(chǎn)業(yè)成為儀器儀表與測量控制產(chǎn)業(yè)體系的重要組成，而它們的發(fā)展決定著儀器儀表與測量控制的未來。三、我國儀器行業(yè)的基本情況1產(chǎn)業(yè)談到我國儀器儀表與測量控制產(chǎn)業(yè)的基本概況,先讓我們了解一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)。2007年我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)規(guī)模以上企業(yè)為3954家，實現(xiàn)總產(chǎn)值3078億元，銷售收入達到3005億元，雙雙突破3000億元。同比2004年1000億元，2006年2000億元，4年間年增長率超過30%。3000億元的銷售額中，出口商品達到88億美元，同比上一年度增長了36%。目前，我國儀器儀表與測量控制產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成門類品種比較齊全、布局比較合理、具有相當技術基礎和生產(chǎn)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)體系，在亞洲我國是除日本以外第二大儀器儀表生產(chǎn)國，是發(fā)展中國家綜合實力最強的儀器儀表生產(chǎn)國。從產(chǎn)品的技術水平分析，目前絕大多數(shù)國產(chǎn)儀器儀表還處于發(fā)達國家20世紀90年代中后期水平。中低檔產(chǎn)品品種基本齊全，能夠規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量基本穩(wěn)定，可以滿足國內(nèi)市場要求，且有批量出口。比如電工儀器儀表在國內(nèi)市場占有率達到95%，并有13%產(chǎn)品出口。深圳市每年生產(chǎn)數(shù)字萬用表700萬臺，銷售世界90多個國家。國產(chǎn)儀器儀表，也有少數(shù)中高檔產(chǎn)品接近國際技術水平。2科學研究在國家重點科技攻關項目中，特別是必須自主創(chuàng)新發(fā)展的航天航空領域和國防安全領域，已經(jīng)有部分儀器儀表技術上取得了新的突破。我國嫦娥一號衛(wèi)星攜帶的8種探測儀器都是我國科技人員自主研制設計的，不僅在技術上總體達到了國際先進水平，而且有自己的特點和創(chuàng)新。在工程應用技術方面，已經(jīng)能夠承擔一部分國家重大工程儀器儀表系統(tǒng)成套。3人才培養(yǎng)圍繞著儀器儀表與測量控制學科現(xiàn)定名為“儀器科學與技術”學科，全國近250所高校設置了相應的專業(yè)，3萬多名本科生和1萬多名研究生在校學習。已經(jīng)為儀器儀表與測量控制領域培養(yǎng)了幾十萬學科技術人才。4存在的問題在先進裝備制造領域，測試裝備的投入占1/3在高端裝備制造領域，測試裝備的投入占1/2在尖端和高可靠性裝備領域，測試裝備的投入大于1/2我國高端儀器現(xiàn)狀高端科學儀器95%以上靠進口大型超精密儀器95%以上靠進口國防專用精密儀器：國外技術封鎖涉及戰(zhàn)略高技術的高端儀器： 國外技術封鎖因缺乏標準裝置，大部分工程參量的量值溯源和傳遞能力至今沒有形成工業(yè)發(fā)達國家高新技術儀器儀表產(chǎn)品品種約占總品種的75%，而國內(nèi)還不到20%。工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)的儀表品種國內(nèi)滿足率，一般性工程項目達80%，大型工程項目還不到50%，主要缺少智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蝕、全密封、防爆等有特殊要求的自動化儀表品種。具有自主知識產(chǎn)權的科學儀器設備匱乏?！笆濉逼陂g，國家主體科技計劃用于“科學儀器設備研制與開發(fā)”項目的經(jīng)費只有0.85億元，僅占三大科技計劃經(jīng)費的千分之二和科學儀器購置經(jīng)費的1%；科學儀器水平與發(fā)達國家存在明顯差距，高檔科學儀器基本處于空白，中檔科學儀器、國產(chǎn)設備穩(wěn)定性和重現(xiàn)性不高，軟件配套性較差，占有率??；科學研究“空芯化”現(xiàn)象嚴重，每年科學儀器固定資產(chǎn)投資中的60%用于進口設備，其中，精密儀器、生命科學儀器、大型科學儀器等高技術含量的產(chǎn)品更是90%以上依靠進口。5我國儀器科學與技術學科的總體目標是至2020年，必須充分利用我國經(jīng)濟高速發(fā)展和巨大的市場優(yōu)勢，結(jié)合測控技術的深化研究，大力推進新技術、新工藝在儀器儀表中的應用研究，掌握各類儀器儀表的設計、生產(chǎn)工藝等關鍵技術，滿足國民經(jīng)濟、人民健康和國防安全在生產(chǎn)、科研、應用各個方面對測量控制與儀器儀表的需求，減少進口，擴大出口，使我國儀器科學與技術學科領域科技和產(chǎn)業(yè)總體水平與國際水平差距普遍縮短到35年；工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)、科學儀器、醫(yī)療儀器、電測和計量儀器、各類專用儀器儀表、相關傳感器和元器件及材料等領域約30%的產(chǎn)品達到國際同期先進水平，國內(nèi)生產(chǎn)的儀器儀表在大工程的配套能力達到80%以上。 四、儀器科學的發(fā)展方向從儀器科學與技術學科領域個組成部分相互關系、共性問題以及我國國民經(jīng)濟、科學研究、國防建設、社會發(fā)展全局進行戰(zhàn)略研究，建議學科領域科技研究方向為：1新型傳感器及信息獲取技術；2與國家重點工程相配套的過程控制系統(tǒng)和測控裝備及其系統(tǒng)集成技術；3精確制造中的測量控制技術及儀器儀表；4微分析儀器及其關鍵技術；5數(shù)字化醫(yī)療儀器及其關鍵技術；6基于量子物理的計量標準系統(tǒng)。 1.新型傳感器及信息獲取、傳感技術 傳感技術不僅是檢測的基礎，它也是控制的基礎。這不僅是因為控制必須以檢測輸入的信息為基礎；并且為了知道控制達到的精度和狀態(tài)，必需感知，否則不明確控制效果的控制仍然是盲目的。信息獲取、傳感技術是儀器科學與技術學科的基礎技術；新型傳感器是發(fā)展高水平測量控制儀器儀表的基礎。傳感技術已成為制約測量控制儀器儀表發(fā)展的瓶頸。 新型傳感器及信息獲取、傳感技術主要是對客觀世界有用信息的檢測，它包括有用量測量敏感技術、涉及各學科工作原理、遙感遙控、新材料等技術、信息融合技術；傳感器制造技術等。信息融合技術設計傳感器分布、微弱信號提取(增強)、傳感信息融合、成像等技術、傳感器制造技術涉及微加工、生物芯片、新工藝等技術。 2.與重大工程相配套的過程控制系統(tǒng)和測控裝備及其系統(tǒng)集成技術 與重大工程相配套的過程控制系統(tǒng)和測控裝備主要解決智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蝕、全密封、防爆等有特殊要求的自動化儀表品種。主要包括符合現(xiàn)場要求的各類傳感器及檢測儀表，實時流程分析儀器及在線分析技術，新型現(xiàn)場控制系統(tǒng)，e網(wǎng)控制系統(tǒng)，以工業(yè)控制計算機、可編程控制為基礎的開放式控制系統(tǒng)及先進控制技術，特種測控裝備和測控技術，系統(tǒng)成套集成技術等。 系統(tǒng)集成技術直接影響測量控制儀器儀表的應用廣度和水平，特別是對大工程、大系統(tǒng)、大型裝置的自動化程度和效益有決定性影響，它是系統(tǒng)級層次上的信息融合控制技術沒包括系統(tǒng)的需求分析和建模技術、物理層裝置技術、系統(tǒng)各部分信息通信轉(zhuǎn)換技術、應用層控制策略實時技術等。在操作人員為多種不同崗位的操作群體情況下，還應包括各近最佳方式監(jiān)控智能化工具、裝備、系統(tǒng)以達到既定目標的技術，是直接涉及測控系統(tǒng)效益發(fā)揮的技術，是從信息技術向知識經(jīng)濟技術發(fā)展的關鍵。智能控制技術可以說是測控系統(tǒng)中最重要和最關鍵的軟件資源。 從目前發(fā)展趨勢看，在企業(yè)信息化ERS/MES/PCS三級節(jié)后的計算機測控系統(tǒng)中，軟件的價格已超過硬件的3倍。而有關石化、冶金、電力、制藥行業(yè)中自動化測控系統(tǒng)的先進控制軟件價格就超過系統(tǒng)硬件價格。智能控制技術包括仿人的特征提取技術、目標自動化辨識技術、知識的自學習技術、環(huán)境的自適應技術、最佳決策技術等。 3.科學儀器中的微分析儀器及其關鍵技術 分析儀器是科學儀器中最重要和發(fā)展最快的組成部分，而為分析儀器包含的微量檢測、微型化、高靈敏度、高分辨率和高智能化內(nèi)涵，則代表了分析儀器的一個重要發(fā)展趨勢和技術水平，在生命科學、食品安全、環(huán)境保護、公共安全(包括反恐、反毒)、臨床醫(yī)學、醫(yī)藥科學和化工等領域得到越來越多的應用。微分析儀器及其關鍵技術的研究方向包括： (1)開展高靈敏度、高分辨率、高性能水平的微結(jié)構型傳感器研究，將生物芯片技術、新型化學傳感器技術、多組分(多參數(shù))集成傳感器技術應用于分析儀器的研制和開發(fā)。(2)開展分析儀器微型化和相關微根系技術的研究，重點進行微分析儀器使用的共性技術和新技術的研究、如微流控技術、微加工技術、微檢測技術、微光源、全電子分光系統(tǒng)、微分光儀、新型芯片等的研究。 (3)過程分析、在線分析使用的微分析儀器及其關鍵技術研究。 (4)不同類別分析器聯(lián)用技術的研究。當復雜基體的微量、痕量物質(zhì)的含量及結(jié)構分析對分析對象的分辨能力提出極高的要求，且單一的分離技術甚至質(zhì)譜分離技術均已無法從復雜的信息中分離出所需要的有用信息時，需要通過相關不同類別分析器的聯(lián)用技術對物質(zhì)的成分、結(jié)構、形態(tài)甚至是綜合形態(tài)進行分析，以便同時獲得原子和分子的信息。-我國科技創(chuàng)新工作中，在方法上存在五大問題。一是科學思維培育不夠。創(chuàng)新思維與創(chuàng)新精神培養(yǎng)缺位，目前應試式的教育體系、灌輸式的教學方法抑制了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神；科研活動創(chuàng)新思維不足，自主創(chuàng)新研究成果少；以跟蹤模仿為主，自主創(chuàng)新較少；多數(shù)學科發(fā)展滯后，屬于世界領先的學科很少；中國申請人在世界知識產(chǎn)權組織的PCT專利申請只占總量的0.96%；尊重科學、崇尚科學的氛圍不夠，科學精神與科學氛圍仍然不足，不按照科學規(guī)律辦事的問題仍普遍存在。二是科學方法研究與應用不夠。科技界關于科學方法的意識薄弱，科研活動中，忽視研究方法的規(guī)范性、創(chuàng)新性；國內(nèi)學術期刊很少發(fā)表關于研究方法和哲學思考類的理論性論文；對科學方法的研究不夠，僅限于對國際科學方法的跟蹤、了解，缺乏對前沿方法的前瞻性研究；科學方法的研究與應用嚴重脫節(jié)；企業(yè)技術創(chuàng)新能力不足，缺乏科學創(chuàng)新方法。三是具有自主知識產(chǎn)權的科學儀器設備匱乏?！笆濉逼陂g，國家主體科技計劃用于“科學儀器設備研制與開發(fā)”項目的經(jīng)費只有0.85億元，僅占三大科技計劃經(jīng)費的千分之二和科學儀器購置經(jīng)費的1%；科學儀器水平與發(fā)達國家存在明顯差距，高檔科學儀器基本處于空白，中檔科學儀器、國產(chǎn)設備穩(wěn)定性和重現(xiàn)性不高，軟件配套性較差，占有率?。豢茖W研究“空芯化”現(xiàn)象嚴重，每年科學儀器固定資產(chǎn)投資中的60%用于進口設備，其中，精密儀器、生命科學儀器、大型科學儀器等高技術含量的產(chǎn)品更是90%以上依靠進口。四是創(chuàng)新政策環(huán)境還不完善。雖然近年來我國科學研究與發(fā)展（R&D）經(jīng)費投入不斷增加，但與發(fā)達國家以及同等發(fā)展水平的發(fā)展中國家相比，我國科技投入水平還不高。以2004年為例，我國研發(fā)經(jīng)費僅相當于美國的8%；全國研發(fā)人員年平均經(jīng)費分別只有韓國的14%和日本的8%，而在發(fā)達國家，公共財政支持科技發(fā)展的經(jīng)費中有40%用于支持科學方法和科學儀器。在我國，國家主體科技計劃對這方面研究項目的支持幾乎為零。五是評價方法有待改進。目前，我國科技成果評價方式也不利于創(chuàng)新方法的發(fā)展。科研院所對科研人員研究能力的評價標準不全面，過分重視SCI，而忽視一些基礎性或方法上的重要問題。以諾貝爾獎為例，諾貝爾獎有1/3是通過科學發(fā)現(xiàn)、理論推導得獎；有1/3是通過方法上的創(chuàng)新、方法思路上的創(chuàng)新得獎；還有1/3是通過科學儀器、科學手段、科學工具上的創(chuàng)新得獎。而在我們的科技布局上，更多瞄準了第一個1/3 ，把后兩個1/3基本忽略了。隨著整個裝備工業(yè)的大型化、復雜化、信息化和集成化，儀器儀表在現(xiàn)代工業(yè)中的重要性，已經(jīng)從過去所說的“五官”，上升到現(xiàn)在的“神經(jīng)中樞”。隨著大裝置越來越復雜，坐在控制室里就能夠看到整個現(xiàn)場。經(jīng)濟全球化的結(jié)果，很有可能會造成一些國家是頭腦國家產(chǎn)生并輸出知識，另外一些國家是軀干國家只引進和應用知識。中國作為一個發(fā)展中的大國，必須既有軀干又有頭腦。而儀器儀表，恰恰是頭腦的“神經(jīng)中樞”，因為信息化是和控制系統(tǒng)連在一起的。以發(fā)電設備為例，如果電機、鍋爐和汽輪機是國內(nèi)的，而測控設備是國外的，那么企業(yè)就不知道用什么參數(shù)控制主設備的運行，人家賣給企業(yè)的這個軟件等于“黑軟件”。沒有高水平、高質(zhì)量的測控設備，大型化、高參數(shù)化、工況復雜化的現(xiàn)代工業(yè)重大裝備將無法運行?，F(xiàn)代流程工業(yè)的工藝參數(shù)、技術特點、Know-how專利，絕大部分都由主設備與測控設備軟硬件緊密結(jié)合予以實施。儀器儀表在代表我們國家命脈的重化工業(yè)、大能源工業(yè)中發(fā)揮的作用，不但是正常運行的“神經(jīng)中樞”，而且是最后的安全屏障，因為任何安全隱患的異常反應都首先出現(xiàn)在儀器儀表上。從科研的角度強調(diào)中國的儀器儀表要自立于世界民族之林。如果高等級、高檔次的儀器儀表不能自立，中國就不能成為科技大國，就不能成為創(chuàng)新型國家。有數(shù)據(jù)顯示，在包括物理、化學、生物在內(nèi)的自然科學領域，有接近60%的諾貝爾獎與儀器儀表有直接的或間接的關系。比如發(fā)明了顯微鏡后，人們知道世界是由很小的微觀粒子組成的。我國儀器科學與技術學科的總體目標是：至2020年，必須充分利用我國經(jīng)濟高速發(fā)展和巨大的市場優(yōu)勢，結(jié)合測控技術的深化研究，大力推進新技術、新工藝在儀器儀表中的應用研究，掌握各類儀器儀表的設計、生產(chǎn)工藝等關鍵技術，滿足國民經(jīng)濟、人民健康和國防安全在生產(chǎn)、科研、應用各個方面對測量控制與儀器儀表的需求，減少進口，擴大出口，使我國儀器科學與技術學科領域科技和產(chǎn)業(yè)總體水平與國際水平差距普遍縮短到35年；工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)、科學儀器、醫(yī)療儀器、電測和計量儀器、各類專用儀器儀表、相關傳感器和元器件及材料等領域約30%的產(chǎn)品達到國際同期先進水平，國內(nèi)生產(chǎn)的儀器儀表在大工程的配套能力達到80%以上。 我國儀器科學與技術學科領域科技研究方向建議 從儀器科學與技術學科領域個組成部分相互關系、共性問題以及我國國民經(jīng)濟、科學研究、國防建設、社會發(fā)展全局進行戰(zhàn)略研究，建議學科領域科技研究方向為：新型傳感器及信息獲取技術；與國家重點工程相配套的過程控制系統(tǒng)和測控裝備及其系統(tǒng)集成技術；精確制造中的測量控制技術及儀器儀表；微分析儀器及其關鍵技術；數(shù)字化醫(yī)療儀器及其關鍵技術；基于量子物理的計量標準系統(tǒng)。 1.新型傳感器及信息獲取、傳感技術 傳感技術不僅是檢測的基礎，它也是控制的基礎。這不僅是因為控制必須以檢測輸入的信息為基礎；并且是猶豫控制達到的精度和狀態(tài)，必需感知，否則不明確控制效果的控制仍然是盲目的。信息獲取、傳感技術是儀器科學與技術學科的基礎技術；新型傳感器是發(fā)展高水平測量控制儀器儀表的基礎。傳感技術已成為制約測量控制儀器儀表發(fā)展的瓶頸。 新型傳感器及信息獲取、傳感技術主要是對客觀世界有用信息的檢測，它包括有用唄測量敏感技術、涉及各學科工作原理、遙感遙控、新材料等技術、信息融合技術；傳感器制造技術等。信息融合技術設計傳感器分布、微弱信號提取(增強)、傳感信息融合、成像等技術、傳感器制造技術涉及微加工、生物芯片、新工藝等技術。 2.與國家重點工程相配套的過程控制系統(tǒng)和測控裝備及其系統(tǒng)集成技術 工業(yè)發(fā)達國家高新技術儀器儀表產(chǎn)品品種約占總品種的75%，而國內(nèi)還不到20%。工業(yè)自動化儀表和控制系統(tǒng)的儀表品種國內(nèi)滿足率，一般性工程項目達80%，大型工程項目還不到50%，主要缺少智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蝕、全密封、防爆等有特殊要求的自動化儀表品種。 與國家重點工程相配套的過程控制系統(tǒng)和測控裝備主要解決智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蝕、全密封、防爆等有特殊要求的自動化儀表品種。主要包括符合現(xiàn)場要求的各類傳感器及檢測儀表，實時流程分析儀器及在線分析技術，新型現(xiàn)場控制系統(tǒng)，e網(wǎng)控制系統(tǒng)，以工業(yè)控制計算機、可編程控制為基礎的開放式控制系統(tǒng)及先進控制技術，特種測控裝備和測控技術，系統(tǒng)成套集成技術等。 系統(tǒng)集成技術直接影響測量控制儀器儀表的應用廣度和水平，特別是對大工程、大系統(tǒng)、大型裝置的自動化程度和效益有決定性影響，它是系統(tǒng)級層次上的信息融合控制技術沒包括系統(tǒng)的需求分析和建模技術、物理層裝置技術、系統(tǒng)各部分信息通信轉(zhuǎn)換技術、應用層控制策略實時技術等。在操作人員為多種不同崗位的操作群體情況下，還應包括各近最佳方式監(jiān)控智能化工具、裝備、系統(tǒng)以達到既定目標的技術，是直接涉及測控系統(tǒng)效益發(fā)揮的技術，是從信息技術向知識經(jīng)濟技術發(fā)展的關鍵。智能控制技術可以說是測控系統(tǒng)中最重要和最關鍵的軟件資源。 從目前發(fā)展趨勢看，在企業(yè)信息化ERS/MES/PCS三級節(jié)后的計算機測控系統(tǒng)中，軟件的價格已超過硬件的3倍。而有關石化、冶金、電力、制藥行業(yè)中自動化測控系統(tǒng)的先進控制軟件價格就超過系統(tǒng)硬件價格。智能控制技術包括仿人的特征提取技術、目標自動化辨識技術、知識的自學習技術、環(huán)境的自適應技術、最佳決策技術等。 3.科學儀器中的微分析儀器及其關鍵技術 分析儀器是科學儀器中最重要和發(fā)展最快的組成部分，而為分析儀器包含的微量檢測、微型化、高靈敏度、高分辨率和高智能化內(nèi)涵，則代表了分析儀器的一個重要發(fā)展趨勢和技術水平，在生命科學、食品安全、環(huán)境保護、公共安全(包括反恐、反毒)、臨床醫(yī)學、醫(yī)藥科學和化工等領域得到越來越多的應用。微分析儀器及其關鍵技術的研究方向包括： (1)開展高靈敏度、高分辨率、高性能水平的微結(jié)構型傳感器研究，將生物芯片技術、新型化學傳感器技術、多組分(多參數(shù))集成傳感器技術應用于分析儀器的研制和開發(fā)。(2)開展分析儀器微型化和相關微根系技術的研究，重點進行微分析儀器使用的共性技術和新技術的研究、如微流控技術、微加工技術、微檢測技術、微光源、全電子分光系統(tǒng)、微分光儀、新型芯片等的研究。 (3)過程分析、在線分析使用的微分析儀器及其關鍵技術研究。 (4)不同類別分析器聯(lián)用技術的研究。當復雜基體的微量、痕量物質(zhì)的含量及結(jié)構分析對分析對象的分辨能力提出極高的要求，且單一的分離技術甚至質(zhì)譜分離技術均已無法從復雜的信息中分離出所需要的有用信息時，需要通過相關不同類別分析器的聯(lián)用技術對物質(zhì)的成分、結(jié)構、形態(tài)甚至是綜合形態(tài)進行分析，以便同時獲得原子和分子的信息第1章 現(xiàn)代傳感技術及新型傳感器的概念一、 傳感器的定義和傳感器的組成部分1. 傳感器的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。含義：1) 傳感器是某種測量裝置或測量裝置的一部分，能完成部分檢測任務2) 它的輸入量是某一被測量3) 輸出是某種物理量，這種量要便于轉(zhuǎn)換、處理等，可以是氣、光電等，主要是電參量4) 輸出輸入有對應關系，且有一定的精度2. 組成及部分的作用二、 傳感器的分類1. 按工作原辦理分類1) 物理型：是利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料特殊物理性能制成的傳感器。電阻式傳感器：金屬、半導體材料電感式傳感器：差動變壓器壓電效應特殊物理性質(zhì)：半導體材料的壓阻效應、光電效應、霍爾效應 分為物性型傳感器和結(jié)構型傳感器物性型：是利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應把被測量直接轉(zhuǎn)換成電參數(shù)的傳感器結(jié)構型：是以結(jié)構為基礎(形狀、尺寸)，利用物理學中某些場的定律(運動定律、電磁場定律)實現(xiàn)把被測量轉(zhuǎn)換成電量的。是以傳感器中元件相對位置變化引起場的變化為基礎。2) 化學型：是利用電化學原理，把無機物和有機物的成分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。較常用的是離子選擇性電極，測量溶液的pH值，某些離子的濃度等。3) 生物型：是利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學物質(zhì)的傳感器?；钚晕镔|(zhì)：酶、抗原、抗體、微生物等生物活性物質(zhì)對某種物質(zhì)具有選擇性親和力，也稱為功能識別能力，利用這種單一的識別能力來判斷某種物質(zhì)是否存在，其濃度是多少，進而用電化學的方法進行電信號的轉(zhuǎn)換。2. 按被測量分類a) 化學量：無機或有機化學物質(zhì)的成分、濃度、pH值、化學反應速度b) 生物量：與生物相關聯(lián)的量。味覺(酸甜苦辣)、嗅覺(氣味)c) 物理量：度量物質(zhì)的屬性或描述物質(zhì)的運動狀態(tài)所用的各種量值位移、速度、加速度、溫度、濕度、壓力、濃度、黏度等基本量：長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學溫度、發(fā)光強度、物質(zhì)的量3. 其他分類方式a) 按能量轉(zhuǎn)換情況：能量控制型、能量轉(zhuǎn)換型b) 按用途c) 按輸出類型三、 新型傳感器的概念所謂新型傳感器是指最近幾十幾年內(nèi)研究開發(fā)出來的、已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没膫鞲衅?。隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，許多新效應、新材料不斷被發(fā)現(xiàn)，新的加工工藝不斷發(fā)展和完善，這些都進一步促進了新型傳感器的研究開發(fā)工作。四、 傳感器的發(fā)展趨勢隨著科學技術的發(fā)展，對傳感器技術要求越來越高，同時也促進了傳感器的發(fā)展。1) 對傳感器的要求a) 對檢測范圍的要求檢測技術正向宏觀世界和微觀世界縱深發(fā)展宏觀：空間技術、海洋開發(fā)、環(huán)境保護、地震預報、天氣預報微觀：細胞生物學、遺傳工程、光合作用、微加工技術檢測參數(shù)的范圍：極限參數(shù)、極端參數(shù)超高溫、超低溫、超高壓、超低壓檢測參數(shù)的種類：多相流、脈動流量、空間定位、管道泄漏使用條件：真空、微重力、高溫、振動b) 對檢測性能的要求：精度(準確度)、響應速度，大范圍高精度c) 體積小、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、低功耗等2) 微型化、集成化、智能化、功能化、網(wǎng)絡化a) 微型化：傳感器的微型化有大量的應用前景：航空、遠距離探測、工業(yè)自動化、醫(yī)療、微機電系統(tǒng)(MEMS)等b) 集成化：兩個含義：將傳感器與后級的放大電路、運算電路、補償電路等制成一個組件，實現(xiàn)一體化，具有體積小、反應快、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好的特點；將同一類的傳感器集成于同一芯片或器件上構成2D或3D傳感器，具有測量密度高、堅固、高準確性和高可靠性等特點。c) 多功能傳感器：將傳感器與其他功能結(jié)合，實現(xiàn)復雜的或復合功能。如：溫度開關(溫度測量和控制)，CCD是將陣列化的光電探測器與掃描功能一體化的器件，是可把一維或二維光學圖像轉(zhuǎn)換成時序電信號的功能傳感器；將不同的敏感元件組合在一起，同時測量多種參數(shù)，實現(xiàn)綜合化、小型化的測量，工作在同一條件下，便于進補償和修正；借助于同一傳感器的不同效應可以獲得不同的信息，線圈所表現(xiàn)出來的電容和電感是不同的；在不同激勵條件下，同一敏感元件表現(xiàn)出來不同的特征，以實現(xiàn)不同的測量。d) 智能化：是指裝有微處理器的，不但能夠執(zhí)行信息處理和信息儲存，而且還能夠進行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。優(yōu)點：能夠?qū)崟r處理所探測的數(shù)據(jù)和儲存歷史數(shù)據(jù)； 不但可以對信息進行處理、分析和調(diào)節(jié)，對所測的數(shù)值及其誤差進行補償，而且還能夠進行邏輯思考和判斷，實現(xiàn)非線性補償和復雜的環(huán)境因素補償； 具有自診斷和自校正功能； 能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測量，從而進一步拓寬其探測與應用領域； 具有數(shù)字通訊接口e) 網(wǎng)絡化：在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、危險區(qū)域監(jiān)控等有重要的應用價值。智能家居、建筑安全、智能交通3) 新材料、新功能的開發(fā)：傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，多數(shù)傳感器是利用某些材料的特殊功能達到測量的目的。探索已知材料的新功能和研究具有新功能的新材料對研究新型傳感器及具有十分重要的意義。半導體砷化鎵二極管可測0.3400K的超低溫，分辨率達0.07K。陶瓷材料：具有半導體材料的某些功能，但工作溫度極限有很大的擴展。可制成溫度、壓力、氣體傳感器等4) 微細加工技術的發(fā)展：傳感器的小型化為傳感器的使用帶來巨大的方便，微細加工可以制造出超小型而價格便宜的傳感器。5) 新領域、新原理的發(fā)展：新領域：極限參數(shù)(超高、超低)，特殊參數(shù)(嗅覺、味覺、顏色識別等)新的化學反應、仿生學等開發(fā)出新的傳感器新原理：激光、半導體、光導纖維、遙感技術、近代物理、信息論、自控理論等第2章 新型原理及新材料、新加工工藝一、 新型傳感效應傳感器利用看了諸多的效應(包括物理效應、化學反應和生物效應)和物理現(xiàn)象，如利用材料的壓阻、壓電、熱電、光電及應變等效應，把力、熱、光、磁或濕等被測量變換成電量。而新原理、新效應(如約瑟夫森效應)的發(fā)現(xiàn)和利用，新型材料的開發(fā)和應用，使傳感器得到很大的發(fā)展，并逐步成為傳感器發(fā)展的主流。因此，了解傳感器所基于的各種效應，對傳感器的深入理解、開發(fā)和使用是非常必要的。按引起傳感效應的物理量來區(qū)分，新型傳感效應可分為光效應、磁效應、力效應、化學效應、生物效應等。一）光效應(與光有關的效應：光電導效應、光伏效應等光電效應，克爾效應、光彈效應等電光效應，光的多普勒效應)1光電導效應：在光輻射作用下，材料的電導率發(fā)少變化，這種變化與光輻射強度呈穩(wěn)定的對應關系，這種現(xiàn)象就是光電導效應。光電導效應屬于內(nèi)光電效應。 光電導器件(如光敏電阻)的光電流與入射光通量之間存在著一定的關系(稱光電特性)，當器件兩電極間加定值電壓u時，光電流和照度關系曲線如圖所示；光照度在10-1104lx范圍內(nèi)，光電流Ip，為式中E為人射光的光照度；gp稱為光敏電阻的光電導；Sg為光電導靈敏度。若考慮暗電導g d產(chǎn)生的暗電流Id時，則流過光電導器件的電流I為典型的器件：光敏電阻2P-N結(jié)光伏效應當光照射P-N結(jié)時，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下，按一定方向運動，在開路狀態(tài)下形成電荷積累，產(chǎn)生了一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，即光生電壓UOC，這就是所謂的光生伏特效應。只要光照不停止，這個光生電壓將水遠存在。光生電壓UOC的大小與P-N結(jié)的性質(zhì)及光照度有關。典型器件：光敏二極管、光敏三極管、硅光電池二）磁效應(法拉第效應、克爾效應等磁光效應，霍爾效應、磁阻效應等磁電效應，磁致伸縮、威德曼效應等壓磁效應，約瑟夫效應，核磁共振等)1法拉第效應2霍爾效應三）力效應(壓電效應、磁致伸縮、電致伸縮、壓阻效應等)四）化學效應(表面吸附效應、可頓效應、飽和效應、電泳效應、彼德效應等)五）多普勒效應二、 新型敏感材料傳感器的敏感材料是指能利用物理效應或化學、生物反應原理做成敏感元件的基體材料。按結(jié)晶狀態(tài)可分為單晶、多晶、非晶和微晶等類；按電子結(jié)構和化學鍵可分為金屬、陶瓷和聚合物等；按物理性質(zhì)可分為超導體、導電體、半導體、介電體、鐵血體、壓電體、鐵滋體、鐵彈體、磁彈體等；按形態(tài)分有摻雜、微粉、薄膜、塊狀、纖維等；按功能可分為力敏、壓敏、光敏、色敏、聲敏、磁敏、氣敏、濕敏等。由于近年來半導體材料、加工等技術的飛速發(fā)展，半導體敏感材料的應用最為廣泛纖維、高分子材料在傳感器技術中的應用也越來越多。像光電耦合器件、光纖傳感器、生物傳感器、化學傳感器等基本上都使用上述材料。一）半導體敏材料半導體材料可以將多種非電量轉(zhuǎn)換為電量，無論是光、聲、熱、磁、氣、濕等都可以利用相應的半導體材料進行傳感，其中基于半導體材料硅的傳感器無論是種類還是性能都是十分突出的，這是由于硅的加工工藝十分成熟，很容易將傳感器微型化、集成化、多功能和智能化。二）光導纖維光纖作為遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)，最早用于光通信技術。但是，在實際光通信過程中發(fā)現(xiàn)，光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如壓力、溫度、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，將引起在光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ哪承┪锢砹堪l(fā)生變化，這些物理量包括光強、相位、頻率、偏振態(tài)等。這些現(xiàn)象自然而然地引起人們的推測，如果能測量出光波中的物理量的變化大小，就可以知道導致這些光波特性變化的壓力、溫度、電場、磁場等物理量的大小，于是就出現(xiàn)了光纖傳感器了。三）高分子材料有機分于的分子骨格幾乎都是由強化學鍵的鍵構成的，高分子集合體固體的特征是非晶結(jié)構，高分子材料在電氣特性上主要表現(xiàn)為絕緣性。不過高分子材料也可以作為敏感材料，主要可以用作壓電、熱釋電、光電材料等。四）石英材料三、 新加工工藝伴隨著傳感器的研究和開發(fā)、以及其它相關科技的發(fā)展，加工工藝特別是微細加工工藝得到了前所未有的進步。在20世紀后期，腐蝕、鍵合、光刻、薄膜、刻蝕、拉絲、激光、超聲加工等等技術發(fā)展十分迅猛，微細加工已經(jīng)進入納米量級，并進而向0.1nm方向和分子或原子尺寸挺進；同時，借助于這些加工技術的發(fā)展，眾多基于微電子加工的器件包括敏感器件的成本大幅下降，從而被廣泛應用到利研、生產(chǎn)、軍事、生活等各個領域。1） 薄膜加工工藝薄膜成膜的主要方法是蒸發(fā)、濺射以及化學氣相淀積。蒸發(fā)和濺射這兩種方法都需要在真空中進行。薄膜成膜的主要設備是真空鍍膜機，真空鍍膜機的鐘罩為薄膜成膜提供真空環(huán)境。2） 光學曝光微加工工藝3） 激光微細加工4） 光纖制造技術參考：王元慶.新型傳感器原理及應用。陳宜生.物理效應及其應用1-8,41-48 光效應9-16,49-56 磁效應17-24,57-64 力效應25-32,65-72 化學效應33-40,73-77 多普勒效應原理、對應的傳感系統(tǒng)及應用。 周一上午完成，周二 匯報， （10分）自然規(guī)律與傳感器傳感器之所以能正確傳遞信息、具有信號轉(zhuǎn)換的功能，是因為它利用了自然規(guī)律中的各種定律、法則和效應。因此對這些定律、法則、效應等的深入研究，無疑是理解、掌握和應用傳感器的理論基礎，而且有助于新型傳感器的開發(fā)。這些基本定律和法則可歸納為四個方面：守恒定律、場的定律、統(tǒng)計法則和物質(zhì)定律。本部分討論這些定律和法則與傳感器的關系。一、守恒定律守恒定律是自然界的最基本的定律，它包括能量、動量員和電荷量等守恒定律。利用能量守恒定律構成的傳感器有空速管、孔板式和噴嘴式流量計等。例如，空速管或稱比托(Pitot)管，它是根據(jù)流體的差壓來測量非粘性流體(如空氣)的流速，如圖所示。它是由連在一起的兩層同軸細玻璃管和差壓傳感器組成。測量時，正對流體的小口2處形成一個停滯點，故其流速為零，壓力為P2(全壓)，而側(cè)口1由于與流體流動方向平行，由此該處的流速為待測流速，壓力為P1(靜壓)。如果水平流動的流體是不可壓縮的，且其流動是穩(wěn)定的、無旋的和非粘滯性的，那么對于水平流管的口1和口2處，可用能量守恒伯努利方程來表示122+P1=P2=20gh被測流體的密度，0壓力計內(nèi)液體的密度，g重力加速度，h液位差實際使用時需要進行修正。二、場的定律場的定律是關于物質(zhì)作用的定律，如動力場的運動定律、電磁場的感應定律和光的干涉現(xiàn)象等。物質(zhì)在某時刻的作用與物休在空間的位置及分布狀態(tài)有關，一般可用物理方程給出，這些方程可作為某些傳成器工作的數(shù)學模型。而與這些定律有關的物理參數(shù)，通常與具體物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(如成分、材質(zhì)等)無關。例如，利用電磁感應定律和運動定律構成的磁電感應式(或稱電動式)傳感路，當其線圈以速度v垂直于磁場運動切割磁力線時，則在線圈中產(chǎn)生與運動速度成正比的感應電勢e=lNbv，其中l(wèi)為每匝線圈的平均長度，N為線圈匝數(shù)，B為磁感應強度。若用導電性的流體代替線圈，則可測得流體的流速。利用法拉第電磁感應定律構成的傳感器有自感式傳感器、互感式傳感器、感應同步器和渦流式傳感器。利用靜電場有關定律構成的傳感器有電容式傳感器。利用光的直線傳播定律、光波與光波之間的相互作用，即光的干涉、衍射現(xiàn)象、光的多普勒效應等，可以構成某些傳感器，如光柵、光碼盤、激光檢測裝置等，用來測量位移、轉(zhuǎn)速、長度、振幅、細絲直徑和速度等。 利用場的定律構成的傳感器，其形狀、尺寸等參數(shù)決定了傳感器的量程、靈敏度等性能，因此這類傳感器統(tǒng)稱為結(jié)構型傳感器。它們具有設計的自由度較大、選擇材料的限制較小等優(yōu)點，但體積一船較大，并且不易集成。三、統(tǒng)計法則統(tǒng)計法則是利用統(tǒng)計方法把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來的物理法則。這些法則常常與傳感器的工作狀態(tài)有關，是某些傳感器的理論基礎。但這方面的研究尚持進一步深入。利用奈奎斯特定理。由統(tǒng)計物理可知，電子熱運動的漲落，在電阻R的兩端產(chǎn)生熱噪聲的電位波動。奈奎所特定理指出，電阻R兩端的熱噪聲電壓Un的方均值為Un2=4kRfTK波爾茲曼常數(shù)k=1.38*10-23J/K f熱噪聲或稱約翰遜噪聲的頻帶寬度T絕對溫度可見，利用熱噪聲和絕對溫度的關系可以構成熱噪聲型熱敏電阻。由于絕對溫度與熱噪聲電壓之間有確定的關系，因此它可作為標準溫度計，用來直接測量絕對溫度，而不需要用標準溫度計進行校準。熱噪聲溫度傳感器的特性與電阻材料無關，具有測溫范圍寬的特點，可在高溫高壓下，在原子反應堆的放射線等惡劣環(huán)境下使用；不發(fā)生時效變化；測溫精度高，測量1500以下的溫度，精度可達0.10.5%等優(yōu)點。但其輸出電壓極小，例如當T300K，R100，f100kHz時，輸出Un只有410-7V。四、物質(zhì)定律物質(zhì)定律是表示各種物質(zhì)本身內(nèi)在性質(zhì)的定律(或法則或規(guī)律)。物質(zhì)的內(nèi)在性質(zhì)通常以這種物質(zhì)所固有的物理常數(shù)加以描述，如胡克定律，它表示在外力不超過一定限度時彈性體中力和形變之間的關系，其比例系數(shù)稱為彈性體的剛度系數(shù)，它就是彈性體所固有的物理常數(shù)。利用各種物質(zhì)定律構成的傳感器統(tǒng)稱為物性型傳惑器。這些傳感器的主要性能在很大程度上受相應的物理常數(shù)所決定，也即與物質(zhì)的材料密切相關。例如，利用半導體物質(zhì)具有的壓阻、熱阻、光阻、濕度和霍爾等效應，可以分別制成力、壓力、溫度、光強、濕度和磁場等傳感器；利用壓電材料所具有的壓電效應可制成壓電式、聲表面波和超聲波等傳感器。由于利用物質(zhì)定律的物性型傳感器具有構造簡單、體積小、無可動部件反應快、靈敏度高、穩(wěn)定性好、易集成等特點，因此是當代傳感技術領域中具有廣闊發(fā)展前景的傳感器。與物質(zhì)所固有的物理常數(shù)有關的各種現(xiàn)象可分為三大類：熱平衡現(xiàn)象、傳翰現(xiàn)象和量子現(xiàn)象。第3章 傳感器的能量變換和信號變換3.1 信息與能量一、 信息-能量理論基礎1信息的概念 1)定義： 對于信息的含義，人們從不同的角度做出了多種描述：“信息就是談論的事情、新聞和知識”(牛津辭典)；“信息，就是在觀察或研究過程中獲得的數(shù)據(jù)、新聞和知識”(韋氏字典)；“信息是所觀察事物的知識”(廣辭苑)；“信息是通信系統(tǒng)傳輸和處理的對象，泛指消息和信號的具體內(nèi)容和意義，通常需通過處理和分析來提取”(辭海1989年版)。盡管眾說紛紜，但廣義上可做如下概括：信息是能夠通過文字、圖像、聲音、符號、數(shù)據(jù)等為人類獲知的知識。然而，對信息的概念僅僅做這樣的描述是遠遠不夠的。那么，到底什么是信息呢？一般來說，信息是指與客觀事物相聯(lián)系，反映客觀事物的運動狀態(tài)，通過一定的物質(zhì)載體被發(fā)出、傳遞和感受，對接受對象的思維產(chǎn)生影響并用來指導接受對象的行為的一種描述。從本質(zhì)上說，信息是反映現(xiàn)實世界的運動、發(fā)展和變化狀態(tài)及規(guī)律的信號與消息。2)信息的十大特征信息有十個基本特征：1 可量度。信息可采用某種度量單位進行度量，并進行信息編碼。如現(xiàn)代計算機使用的二進制。2 可識別。信息可采取直觀識別、比較識別和間接識別等多種方式來把握。3 可轉(zhuǎn)換。信息可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)。如自然信息可轉(zhuǎn)換為語言、文字和圖像等形態(tài)，也可轉(zhuǎn)換為電磁波信號或計算機代碼4 可存儲。信息可以存儲。大腦就是一個天然信息存儲器。人類發(fā)明的文字、攝影、錄音、錄像以及計算機存儲器等都可以進行信息存儲5 可處理。人腦就是最佳的信息處理器。人腦的思維功能可以進行決策、設計、研究、寫作、改進、發(fā)明、創(chuàng)造等多種信息處理活動。計算機也具有信息處理功能。6 可傳遞。信息的傳遞是與物質(zhì)和能量的傳遞同時進行的。語言、表情、動作、報刊、書籍、廣播、電視、電話等是人類常用的信息傳遞方式。7 可再生。信息經(jīng)過處理后，可以其他形式再生。如自然信息經(jīng)過人工處理后，可用語言或圖形等方式再生成信息。輸入計算機的各種數(shù)據(jù)文字等信息，可用顯示、打印、繪圖等方式再生成信息。8 可壓縮。信息可以進行壓縮，可以用不同的信息量來描述同一事物。人們常常用盡可能少的信息量描述一件事物的主要特征。9 可利用。信息具有一定的實效性和可利用性。10 可共享。信息具有擴散性，因此可共享。3)信息的傳播信息需要傳播。信息如果不能傳播，信息的存在就失去了意義。那么什么是傳播呢？發(fā)出信息與接受信息就是信息的傳播。我們說話、寫文章、做事情，就是在進行傳播；我們聽別人講話，看別人寫的文章，了解別人所從事的工作，就是在接受傳播。我們所以有知識，是因為我們生活在一個信息傳播的社會里。在人類社會中，傳播似乎是一個幽靈，它無時不在，無處不在。因此，沒有傳播，也就沒有社會，人類也就無法生存下去。當一個人獨處時，傳播其實也在進行。沉思冥想是一種內(nèi)心的傳播；思考是自己和自己進行討論，并傳達某種信息；寫日記或者閱讀書籍，那就更是一種傳播了。在人類社會中，傳播是普遍存在的。信息傳播的3種主要形式當人類有了語言、文字和繪畫等傳遞信息的手段之后，人類就脫離了動物的蒙昧狀態(tài)，進入到文明社會。因為信息的交流使人類可以掌握更多的經(jīng)驗和知識，從而向前發(fā)展。語言用聲音來傳遞信息，文字用書寫符號來傳遞信息，繪畫用圖像來傳遞信息。聲音、符號、圖像就成為人類傳播信息的主要形式。人類只有通過這種表達才能夠互相溝通和理解。因此我們可以說，聲音、符號和圖像是人類所特有的3種信息形式。4)人類信息活動經(jīng)歷了5次巨大變革整個人類的進化史，同時也是一部人類信息活動的演進史。在人類的整個歷史發(fā)展中，經(jīng)歷了次巨大的信息變革。每一次信息變革都對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動力，帶來飛躍式的進步。這次信息革命依次為：語言的誕生、文字的誕生、印刷術的誕生、利用電磁波和計算機技術。它們將人類歷史劃分成種信息時代。 語言的產(chǎn)生標志著人類信息活動的范圍和效率的飛躍性提高人類的信息活動從具體走向抽象。 文字打破了時間和空間的限制，使信息可以傳得更久，傳得更遠。 印刷術的發(fā)明使人類信息傳遞的速度和范圍急劇地擴展，人類信息的存儲能力進一步加強，并初步實現(xiàn)了廣泛的