微波及生物傳感器第十二章課件

1、微波傳感器 一、 微波概述 微波是波長為1 mm1 m的電磁波，可以細(xì)分為三個波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對波長較長的電磁波。 具有下列特點(diǎn)： 定向輻射的裝置容易制造； 遇到各種障礙物易于反射； 繞射能力差； 傳輸特性好，傳輸過程中受灰塵、強(qiáng)光的影響??； 介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例。 1二、微波傳感器的原理和組成 1、微波傳感器的測量原理及分類 微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。 若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過

2、信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量 根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。 2（1）反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、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通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的厚度、 含水量等參數(shù)的。 32、微波傳感器的組成 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)生微波的裝置。由于微波波長很短，即頻率很高（300

3、 MHz300 GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。 構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件. 4 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管傳輸，并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖所示。常用的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（2）微波檢測器 電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭, 敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。幾兆赫以下可

4、用半導(dǎo)體PN結(jié);頻率比較高的可使用肖特基結(jié);靈敏度要求特別高的可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測器、SIS檢測器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件;接近光的頻率可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。 63、微波傳感器的特點(diǎn) 微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)： 有極寬的頻譜（波長=1.0 mm1.0m）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點(diǎn)選擇不同的測量頻率； 在煙霧、 粉塵、 水汽、 化學(xué)氣氛以及高、 低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小， 因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 時間常數(shù)小， 反應(yīng)速度快， 可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實時處理， 便于自動控制； 7 測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳

5、感器與微處理器間的接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控； 微波無顯著輻射公害。 微波傳感器存在的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。 8三、微波傳感器的應(yīng)用 1、微波液位傳感器 微波液位計 92、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，偶極子受場的作用而反復(fù)取向，不斷從電場中得到能量（儲能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號的相移，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的潮濕物體所引起的微波信號的相移與衰減量，

6、就可以換算出物體的含水量。 10 下圖給出了測量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波功率經(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的轉(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）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差， 從而確定樣品酒精的含水量。 113、 微波測厚儀 微波測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物體金屬表面被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進(jìn)行測厚的。 微波測厚儀原理如圖所示，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)出的微波，經(jīng)過環(huán)行器A、 上傳輸波

7、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的微波，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。因此被測物體的厚度與微波傳輸過程中的行程長度有密切關(guān)系，當(dāng)被測物體厚度增加時， 微波傳輸?shù)男谐涕L度便減小。 12微波測厚儀原理圖 13 一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L度的變化非常微小。為了精確地測量出這一微小變化，通常采用微波自動平衡電橋法， 前面討論的微波傳輸行程作為測量臂，而完全模擬測量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個參考臂（圖右部）。若測量臂與參考臂行程完全

8、相同，則反相疊加的微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零。 若兩臂行程長度不同，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(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長度，直到兩臂行程長度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動為止。 144、微波無損檢測 微波無損檢測是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用， 一方面微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時的微波場會受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測量微波信號基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。 15生物傳感器 一、生物傳感器的基本概念生

9、物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(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)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測與監(jiān)控方法,也是對物質(zhì)在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。161、生物傳感器工作原理生物傳感器的工作原理是待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)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)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?，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)的量或濃度。17（1） 將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號例,酶催化特定物發(fā)生反應(yīng),從而使特定生成物的量有所增減.用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換

10、為電信號的裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器。（2） 將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時常伴有熱的變化。這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化。18（3）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?例如，過氧化氫酶,能催化過氧化氫發(fā)光,因此如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端,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。也可以用這種方法測定底物濃度.上述三原理的生物傳感器共同點(diǎn)： 都是將分子識別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測量,這種

11、方式統(tǒng)稱為間接測量方式.19（4）直接產(chǎn)生電信號方式這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。20二、生物傳感器分類 1、 根據(jù)傳感器輸出信號的產(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、 根據(jù)生物傳感器的信號轉(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、 根據(jù)生物傳感器中生物分子識別元件上的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 生物親合型傳感器 被測物質(zhì)與分

12、子識別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為： S（底物）+ R（受體） = SR22 代謝型傳感器 底物（被測物）與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘?，這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每一類又都包含許多種具體的生物傳感器例如，僅酶電極一類，根據(jù)所用酶的不同就有幾十種，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

13、有一種，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器的電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器的電流型葡萄糖電極等實際上還可再細(xì)分。24三、生物傳感器組成部分一是生物分子識別元件(感受器),是具有分子識別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)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、電流的測量)、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)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?、光信號?從而達(dá)到分析檢測的目的。25敏感器件（分子識別元件）26四

14、、生物傳感器優(yōu)點(diǎn)(1)根據(jù)生物反應(yīng)的特異性和多樣性,理論上可以制成測定所有生物物質(zhì)的傳感器,因而測定范圍廣泛(2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理,它利用本身具備的優(yōu)異選擇性把樣品中被測組分的分離和檢測統(tǒng)一為一體，測定時一般不需另加其他試劑,使測定過程簡便迅速,容易實現(xiàn)自動分析(3)體積小、響應(yīng)快、樣品用量少,可以實現(xiàn)連續(xù)在位檢測27(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反復(fù)多次使用(5)準(zhǔn)確度高,一般相對誤差可達(dá)到1%以內(nèi)(6)可進(jìn)行活體分析(7)傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀,因而便于推廣普及(8)有的微生物傳感器能可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，能得到許多復(fù)雜的物

15、理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息28在食品分析的應(yīng)用五、應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗食品鮮度的檢測29在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用水質(zhì)分析：一個典型應(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)境大氣的監(jiān)測 ：可用于測定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析 ：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場效應(yīng)晶體管酶傳感器可用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測定3

16、0在生物醫(yī)學(xué)上的應(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的各種化學(xué)成分，為醫(yī)生的診斷提出依據(jù)。 生物醫(yī)藥： 利用生物工程技術(shù)生產(chǎn)藥物時，將生物傳感器用于生化反應(yīng)的監(jiān)視，可以迅速地獲取各種數(shù)據(jù)，有效地加強(qiáng)生物工程產(chǎn)品的質(zhì)量管理。 31在軍事上的應(yīng)用 現(xiàn)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)行的戰(zhàn)爭。偵檢、鑒定和檢測是進(jìn)行有效化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)防護(hù)的前提。由于具有高度特異性、靈敏性和能快速地探測化學(xué)戰(zhàn)劑和生物戰(zhàn)劑（包括病毒、細(xì)菌和毒素等）的特性，生物傳感器將是最重要的一類化學(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

17、濃度級的生化戰(zhàn)劑，包括委內(nèi)瑞拉馬腦炎病毒、黃熱病毒、炭疽桿菌、流感病毒等。 32德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀33手掌型葡萄糖(glucose)分析儀34發(fā)酵罐主機(jī)計算機(jī)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的基礎(chǔ)平臺35機(jī)器人傳感器 36機(jī)器人37機(jī)器人大腦主板機(jī)器人思想程序機(jī)器人感知傳感器機(jī)器人手腳馬達(dá)機(jī)器人骨架機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器人食物電池機(jī)器人的組成38傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用 機(jī)器人是由計算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，它具有類似人的肢體及感官功能；動作程序靈活；有一定程度的智能；在工作時可以不依賴人的操縱。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，正因為有了傳感器，機(jī)器人才具備

18、了類似人類的知覺功能和反應(yīng)能力。 39給機(jī)器人裝備什么樣的傳感器，對這些傳感器有什么要求，這是設(shè)計機(jī)器人感覺系統(tǒng)時遇到的首要問題。選擇機(jī)器人傳感器應(yīng)當(dāng)完全取決于機(jī)器人的工作需要和應(yīng)用特點(diǎn)。40 機(jī)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(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置。它安裝在機(jī)器人自身中用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動。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(jī)器人對周圍環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境能發(fā)生交互作用，從而使機(jī)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括觸覺、接近覺、視覺、聽覺、

19、嗅覺等傳感器。41類別檢測內(nèi)容應(yīng)用目的傳感器件明暗覺是否有光，亮度多少判斷有無對象，并得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對象的色彩及濃度利用顏色識別對象的場合彩色攝影機(jī)、濾色器、彩色CCD位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置，判斷物體移動光敏陣列、CCD等形狀覺物體的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，接觸的位置決定對象位置，識別對象形態(tài)，控制速度，安全保障，異常停止，尋徑光電傳感器、微動開關(guān)、薄膜接點(diǎn)、壓敏高分子材料壓覺對物體的壓力、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(jī)器人有關(guān)部件（如手指）所受外

20、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)電橡膠接近覺對象物是否接近，接近距離，對象面的傾斜控制位置，尋徑，安全保障，異常停止光傳感器、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的位移，重力引起的變形修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、振動檢測器機(jī)器人傳感器分類 42傳感器在機(jī)器人身上的分布 43能踢球的機(jī)器人44對運(yùn)動的球類有正確反應(yīng)的機(jī)器人能打網(wǎng)球的機(jī)器人機(jī)器人足球比賽45能行走的機(jī)器人46服務(wù)機(jī)器人機(jī)器人伴舞機(jī)器人奏樂47可愛的小機(jī)器人能上臺階并避開障礙物的機(jī)器人能自己站起來的機(jī)器人48排爆機(jī)器人我國沈

21、陽自動化所研制的PXJ-2機(jī)器人也加入了公安部隊的行 列。49消防機(jī)器人 消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗和火場偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災(zāi)的實戰(zhàn)能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。50 機(jī)器人輪椅主要有口令識別與語音合成、機(jī)器人自定位、動態(tài)隨機(jī)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軍事機(jī)器人我國引進(jìn)的排爆機(jī)器人進(jìn)攻型機(jī)器人52工業(yè)機(jī)器人核工業(yè)機(jī)器人汽車噴漆機(jī)器人53機(jī)器人的手54機(jī)械手在汽車加工中的應(yīng)用機(jī)械手能按照程序焊接和安裝汽車部件，是機(jī)器人的雛形。55激光焊接機(jī)械手56一、 智能式傳感

22、器的概述 智能式傳感器（Intelligent sensor或Smart sensor）自20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)以來，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好， 而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。另外，為制造高性能的傳感器， 光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合來彌補(bǔ)其性能的不足。計算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計算機(jī))和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功能強(qiáng)大的智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶

23、、邏輯思維與判斷功能的傳感器。 智能傳感器 57 傳感器與微處理機(jī)結(jié)合可以通過以下兩個途徑來實現(xiàn)：一是采用微處理機(jī)或微型計算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能， 即傳感器與微處理機(jī)可分為兩個獨(dú)立部分，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這就是我們指的一般意義上的智能傳感器, 又稱傳感器的智能化。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。集成智能傳感器具有多功能、 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(diǎn)， 它是傳感器發(fā)展的必然趨勢，它的實現(xiàn)將取

24、決于半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。 58 就目前來看，已有不少以組合形式出現(xiàn)的智能傳感器作為產(chǎn)品投入市場，如美國Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅壓阻式智能傳感器, Par Scientific 公司的1000系列數(shù)字式石英智能傳感器。我國也著手智能傳感器的開發(fā)與研究，主要是在現(xiàn)有使用的傳感器中，采用先進(jìn)的微處理機(jī)和微型計算機(jī)系統(tǒng)， 使之完成第一類途徑的智能化。 智能傳感器因其在功能、精度、可靠性上較普通傳感器有很大提高，已經(jīng)成為傳感器研究開發(fā)的熱點(diǎn)。近年來，隨著傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也發(fā)展很快。 發(fā)展高性能的以硅材料為主的各種智能傳感器已成為必然。

25、59二、 智能傳感器的功能和構(gòu)成 無論是傳感器的智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機(jī)的兼具檢測信息和處理信息功能的傳感器，可統(tǒng)稱為智能式傳感器。 和傳統(tǒng)的傳感器相比， 智能化傳感器具有以下功能： 具有邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能。可對檢測數(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)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測量準(zhǔn)確度。 具有自診斷、自校準(zhǔn)功能?？稍诮油娫磿r進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實時自行診斷測試，以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。 60 具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能?？筛鶕?jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，

26、提高了檢測適用性。 具有組態(tài)功能?？蓪崿F(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量， 擴(kuò)大了檢測與使用范圍。 具有記憶、存儲功能?？蛇M(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，加快了信息的處理速度。 具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口， 能與計算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。 61 計算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過各種軟件對信息檢測過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能， 提升了傳感器的性能。此外，利用計算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實現(xiàn)的功能，因為以軟件代替部分硬件， 可降低傳感器的制作難度。 智能式傳感器系統(tǒng)一般構(gòu)成框圖如圖所示。

27、其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計算機(jī)，可以是單片機(jī)、單板機(jī)，也可以是微型計算機(jī)系統(tǒng)。 62智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖 63三、 傳感器的智能化 1、 傳感器的智能化概念 傳感器的智能化指傳感器與微處理機(jī)可分為兩個獨(dú)立部分， 傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送入微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)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。傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號, 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(jī)中。 微處理機(jī)是智能傳感器的核心, 它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、存儲、數(shù)據(jù)處理, 還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于微處理機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功

28、能, 可以完成硬件難以完成的任務(wù), 從而大大降低了傳感器制造的難度, 提高了傳感器的性能, 降低了成本。 64 微型計算機(jī)或微處理機(jī)是智能式傳感器的核心。傳感器的信號經(jīng)一定的硬件電路處理后，以數(shù)字信號的形式進(jìn)入計算機(jī)， 于是計算機(jī)即可根據(jù)其內(nèi)存中駐留的軟件實現(xiàn)對測量過程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理以及信息輸送等功能， 從而使傳感器獲得智能。 在智能傳感器中，其控制功能、數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)傳輸功能尤為重要。實際上，為了使智能式傳感器真正具有智能， 控制功能就應(yīng)該包括：鍵盤控制功能、量程自動切換功能、多路與多路通道切換功能、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報警功能、自診斷與自校正功能。例如為使智能式傳感器具有

29、自校正功能，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，然后通過計算機(jī)編程實現(xiàn)自校正。 65 該程序執(zhí)行步驟為：所用微機(jī)先向/轉(zhuǎn)換口輸出一個定值(固定代碼)，經(jīng)DAC變換為對應(yīng)的模擬電壓值，再送到/通路的自校正輸入端。此后，由微機(jī)啟動ADC，待/轉(zhuǎn)換結(jié)束， 再取回轉(zhuǎn)換結(jié)果值，并與原送出的代碼進(jìn)行比較。 如結(jié)果相符或誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為自校正功能正常。 若感覺僅在一點(diǎn)上進(jìn)行自校正還不能說明問題，可以設(shè)置 2 3個自校正點(diǎn)，如可設(shè)置其零點(diǎn)、中點(diǎn)及滿刻度點(diǎn)為自校正點(diǎn)，并分三次比較。 通過比較和判斷，確定輸入、 輸出以及接口等是否正常。 662、 傳感器的智能化實例 下圖是智能式應(yīng)

30、力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖。智能式應(yīng)力傳感器用于測量飛機(jī)機(jī)翼上各個關(guān)鍵部位的應(yīng)力大小，并判斷機(jī)翼的工作狀態(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)變片構(gòu)成的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。采用8031單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。 多路開關(guān)根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的命令輪流選通各個傳感器通道，0通道作為溫度傳感器通道， 16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(jī)的命令下分別選擇不同的放大倍數(shù)對各路信號進(jìn)行放大。該智能式傳感器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，它可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進(jìn)行

31、必要的修正， 以保證測量的準(zhǔn)確性。 67智能式應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖68 智能式應(yīng)力傳感器具有測量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤監(jiān)控及通過串口與計算機(jī)通信的功能。其軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，軟件結(jié)構(gòu)如圖所示。 主程序模塊完成自檢、初始化、通道選擇以及各個功能模塊調(diào)用的功能。其中信號采集模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性補(bǔ)償、 信號處理、誤差修正以及檢索查表等功能。故障診斷模塊的任務(wù)是對各個應(yīng)力傳感器的信號進(jìn)行分析，判斷飛機(jī)機(jī)翼的工作狀態(tài)及是否存在損傷或故障。鍵盤輸入及顯示模塊具有以下任務(wù)： 69 查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊， 主程序模塊根據(jù)鍵意執(zhí)行或調(diào)用相應(yīng)

32、的功能模塊； 顯示各路傳感器的數(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(jī)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(jī)發(fā)通信。 70智能式應(yīng)力傳感器的軟件結(jié)構(gòu)圖 71四、 集成智能傳感器 1、 集成智能傳感器的發(fā)展方向集成電路和微機(jī)械工藝促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展， 改變了傳感器作為單純物理量轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)概念。目前，傳感器的發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個方面。 72 傳感器的集成化是指將多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構(gòu)成傳感器陣列。集成化主要有三個方面的含義： 一是將多個功能完全相同的敏感單元集成在同一個芯片上，用來測量被測量的空間分布信息，例如壓力

33、傳感器陣列或我們熟知的CCD器件；二是對多個結(jié)構(gòu)相同、功能相近的敏感單元進(jìn)行集成， 例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”，利用各種敏感元對不同氣體的交叉敏感效應(yīng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以對組成混合氣體的各種成分同時監(jiān)測，得到混合氣體的組成信息，同時提高氣敏傳感器的測量精度; 這層含義上的集成還有一種情況是將不同量程的傳感元集成在一起， 可以根據(jù)待測量的大小在各個傳感元之間切換，在保證測量精度的同時，擴(kuò)大傳感器的測量范圍；三是指對不同類型的傳感器進(jìn)行集成，例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元的傳感器，能同時測到環(huán)境中的物理特性或化學(xué)參量，用來對環(huán)境

34、進(jìn)行監(jiān)測。 73 集成電路和各種傳感器的特征尺寸已達(dá)到亞微米和深亞微米量級，由于非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積、 重量、 價格等的減小。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)能夠通過電路進(jìn)行信號提取和信號處理，根據(jù)具體情況自主地對整個傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診斷，并能根據(jù)待測物理量的大小及變化情況自動選擇量程和測量工作方式。和經(jīng)典的傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)的體積，降低制造成本， 提高測量精度，增強(qiáng)傳感器功能， 是目前國際上傳感器研究的熱點(diǎn)， 也是未來傳感器發(fā)展的主流。 742 、 智能傳感器的研究熱點(diǎn) 1）物理轉(zhuǎn)化

35、機(jī)理 理論上講，有很多種物理效應(yīng)可以將待測物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。在智能傳感器出現(xiàn)之前，為了數(shù)據(jù)讀取的方便，人們選擇物理轉(zhuǎn)化機(jī)理時， 被迫優(yōu)先選擇那些輸入輸出傳遞函數(shù)為線性的轉(zhuǎn)化機(jī)理，而舍棄掉其它傳遞函數(shù)為非線性， 但具有長期穩(wěn)定性、精確性等性質(zhì)的轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料。由于智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞函數(shù)對傳感器應(yīng)用的制約，因此一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料重新進(jìn)行研究。75 2）數(shù)據(jù)融合理論數(shù)據(jù)融合是智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國研究的熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)融合通過分析各個傳感器的信息，來獲得更可靠、

36、 更有效、更完整的信息，并依據(jù)一定的原則進(jìn)行判斷，作出正確的結(jié)論。對于由多個傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命，進(jìn)而實現(xiàn)識別、 判斷和決策。 76 多傳感器系統(tǒng)的融合中心接受各傳感器的輸入信息，得到一個基于多傳感器決策的聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定的準(zhǔn)則作出最后決策。 融合中心常用的融合方法有錯誤率最小化法、NP法、 自適應(yīng)增強(qiáng)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、模糊理論、概率統(tǒng)計等交叉的新興學(xué)科，目前還有許多問題沒有解決，如最優(yōu)的分布檢測方法、數(shù)據(jù)融合的分布式

37、處理結(jié)構(gòu)、基于模糊理論的融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多傳感器系統(tǒng)、多傳感器信號之間的相互耦合、系統(tǒng)功能配置及冗余優(yōu)化設(shè)計等，這些問題也是當(dāng)今數(shù)據(jù)融合理論的研究熱點(diǎn)。 77 3）CMOS工藝兼容的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的牽引而發(fā)展起來的，如何充分利用已經(jīng)行之有效的大規(guī)模集成電路制作技術(shù)， 是智能傳感器降低成本，提高質(zhì)量，增加效益，批量生產(chǎn)的最可行，最有效的途徑。但傳統(tǒng)的微機(jī)械傳感器制作工藝與CMOS工藝兼容性較差。為了保證加工應(yīng)力能完全松弛，微機(jī)械結(jié)構(gòu)需要長時間的高溫退火； 而為了成功地實施必要的曝光，CMOS技術(shù)需要非常平整的表面，這就造成了矛盾。因為如果先完成機(jī)械加工工序，基底的平面性將會有所犧牲；如果先完成CMOS工序，基底將經(jīng)受高溫退火。這使得傳感器敏感單元與大規(guī)模集成電路進(jìn)