傳感器與檢測(cè)技術(shù)胡向東第13章課件

第13章新型傳感器新型傳感器新型傳感器是相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器而言，隨著技術(shù)的發(fā)展和時(shí)間的推移，于近年新出現(xiàn)的一類(lèi)傳感器新型傳感器在智能化、多功能化、綜合性、微型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化等方面具有區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器的明顯特征新型傳感器檢測(cè)信號(hào)的種類(lèi)越來(lái)越豐富、檢測(cè)功能越來(lái)越強(qiáng)大、檢測(cè)精度越來(lái)越高，應(yīng)用越來(lái)越廣泛智能傳感器模糊傳感器微傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器13.1智能傳感器智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有分析、判斷，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，漂移、非線(xiàn)性和頻率響應(yīng)等自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)環(huán)境影響量的自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)以及超限報(bào)警、故障診斷等功能的傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地結(jié)合在一起，充分利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對(duì)內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而具有了一定的人工智能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足，使采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量得以提高“微處理器”與傳感器的結(jié)合方式：一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”另一種是指?jìng)鞲衅髂軌蚺湮⑻幚砥鳎ǚ蛛x方式）13.1智能傳感器智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有分析、判斷，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，漂移、非線(xiàn)性和頻率響應(yīng)等自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)環(huán)境影響量的自適應(yīng)，自學(xué)習(xí)以及超限報(bào)警、故障診斷等功能的傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能傳感器將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地結(jié)合在一起，充分利用微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，并能對(duì)內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而具有了一定的人工智能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足，使采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量得以提高?！拔⑻幚砥鳌卑瑑煞N情況：一種是將傳感器與微處理器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“單片智能傳感器”；另一種是指?jìng)鞲衅髂軌蚺湮⑻幚砥鳎ǚ蛛x方式）。智能傳感器基本結(jié)構(gòu)13.1.1智能傳感器的特點(diǎn)精度高高可靠性與高穩(wěn)定性高信噪比與高分辨率自適應(yīng)性強(qiáng)性能價(jià)格比高13.1.2智能傳感器的作用（1）提高測(cè)量精度1）利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次測(cè)量和求平均值的辦法可削弱隨機(jī)誤差的影響；2）利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)誤差補(bǔ)償；3）利用輔助溫度傳感器和微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；4）利用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化，可以減少非線(xiàn)性誤差；5）利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量前的零點(diǎn)調(diào)整、放大系數(shù)調(diào)整和工作中周期調(diào)整零點(diǎn)、放大系數(shù)。（2）增加功能1）利用記憶功能獲取被測(cè)量的最大值和最小值；2）利用計(jì)算功能對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得新的量值；3）用軟件的辦法完成硬件功能，經(jīng)濟(jì)并減小體積；4）對(duì)數(shù)字顯示可有譯碼功能；5）可用微型計(jì)算機(jī)對(duì)周期信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；6）對(duì)諸多被測(cè)量可有記憶存儲(chǔ)功能。（3）提高自動(dòng)化程度1）可實(shí)現(xiàn)誤差自動(dòng)補(bǔ)償；2）可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)程序自動(dòng)化操作；3）可實(shí)現(xiàn)越限自動(dòng)報(bào)警和故障自動(dòng)診斷；4）可實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)變換；5）可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡回檢測(cè)。13.1.３

智能傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今世界，以信息技術(shù)為代表的新一輪科技革命方興未艾，全球信息技術(shù)發(fā)展正處于跨界融合、加速創(chuàng)新、深度調(diào)整的歷史時(shí)期，呈現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的特征。智能傳感器是萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)近年來(lái)，全球傳感器市場(chǎng)一直保持快速增長(zhǎng)，并受到許多下游新興應(yīng)用的新增需求拉動(dòng)（如消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)電子和醫(yī)療電子），智能傳感器應(yīng)用市場(chǎng)正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)工信部2017年11月下發(fā)《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南(2017-2019年)》，2017年12月發(fā)布《促進(jìn)新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》，重點(diǎn)內(nèi)容是培育八項(xiàng)智能產(chǎn)品和四項(xiàng)核心基礎(chǔ)，智能傳感器排在核心基礎(chǔ)的第一位，處于最基礎(chǔ)最重要的地位自2011年國(guó)家推出《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》以來(lái)，智能傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步入快車(chē)道，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年智能傳感器就已取代傳統(tǒng)傳感器成為市場(chǎng)主流（占70%）智能傳感器的產(chǎn)業(yè)鏈包括研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試、軟件、芯片及解決方案、系統(tǒng)與應(yīng)用這八個(gè)環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，各環(huán)節(jié)的技術(shù)壁壘高13.1.３

智能傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)智能傳感器的下一步重點(diǎn)發(fā)展方向包括：（1）通過(guò)MEMS工藝和IC平面工藝的融合，將微處理器和微傳感器集成。依靠軟件技術(shù)，大大提高傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性（工藝）（2）采用硬件軟化、軟件集成、虛擬現(xiàn)實(shí)、軟測(cè)量和人工智能的方法和技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)具有擬人智能特性或功能的智能化傳感器（技術(shù)）（3）向高精度、高可靠性、寬溫度范圍、微型化、微功耗及無(wú)源化、網(wǎng)絡(luò)化、具有故障探測(cè)（包括自主入侵報(bào)警）和預(yù)報(bào)功能等方向發(fā)展（性能與功能）智能傳感器的重點(diǎn)下游應(yīng)用領(lǐng)域分別是消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)電子和醫(yī)療電子，其相應(yīng)的市占有率依次遞減。綜合市場(chǎng)規(guī)模的大小以及增長(zhǎng)速度兩方面考慮，發(fā)展較快的新興應(yīng)用（如指紋識(shí)別、智能駕駛、智能機(jī)器人和智能醫(yī)療器械）將成為智能傳感器市場(chǎng)成長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿χ悄軅鞲衅魇羌夹g(shù)演進(jìn)的結(jié)果，滿(mǎn)足萬(wàn)物互聯(lián)對(duì)感知層提出的要求，預(yù)計(jì)將隨著智能消費(fèi)電子設(shè)備、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)駕駛、智慧城市、智能醫(yī)療等新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迎來(lái)快速增長(zhǎng)。13.2模糊傳感器

模糊傳感器是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理和知識(shí)合成，以模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)描述的形式輸出測(cè)量結(jié)果的一類(lèi)智能傳感器。模糊傳感器的核心部分就是模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)的產(chǎn)生及其處理。模糊傳感器的“智能”之處在于：它可以模擬人類(lèi)感知的全過(guò)程，核心在于知識(shí)性，知識(shí)的最大特點(diǎn)在于其模糊性模糊傳感器由硬件和軟件兩部分構(gòu)成模糊傳感器概述模糊傳感器是以數(shù)值測(cè)量為基礎(chǔ)，并能產(chǎn)生和處理與其相關(guān)的測(cè)量符號(hào)信息的裝置，即模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測(cè)量的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)模糊推理與知識(shí)集成，以自然語(yǔ)言符號(hào)的描述形式輸出的傳感器。將被測(cè)量值范圍劃分為若干個(gè)區(qū)間，利用模糊集理論判斷被測(cè)量值的區(qū)間，并用區(qū)間中值或相應(yīng)符號(hào)進(jìn)行表示，這一過(guò)程稱(chēng)為模糊化。對(duì)多參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)測(cè)試時(shí)，需要將多個(gè)被測(cè)量值的相應(yīng)符號(hào)進(jìn)行組合模糊判斷，最終得出測(cè)量結(jié)果信息的符號(hào)表示與符號(hào)信息系統(tǒng)是研究模糊傳感器的核心與基石模糊傳感器的一般結(jié)構(gòu)13.3微傳感器

完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。MEMS系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是其微型化，涉及電子、機(jī)械、材料、制造、控制、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科技術(shù)，其中大量應(yīng)用的各種材料的特性和加工制作方法在微米或納米尺度下具有特殊性（“微納傳感器”）MEMS傳感器的優(yōu)良性能和優(yōu)越的性?xún)r(jià)比使其在國(guó)防、汽車(chē)、航空航天、分析化學(xué)、生物、醫(yī)療、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等方面得到廣泛應(yīng)用，將取代傳統(tǒng)的傳感器而占有很大的市場(chǎng)份額MEMS傳感器作為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略的重要標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)，以其技術(shù)含量高、市場(chǎng)前景廣闊等特點(diǎn)備受世界各國(guó)的關(guān)注MEMS芯片測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MEMS器件制造中的四種主流技術(shù)超精密加工及特種加工表面微加工體微加工LIGA技術(shù)光刻電鑄塑鑄常用微加工工藝及設(shè)備微傳感器的特點(diǎn)：空間占有率小靈敏度高，響應(yīng)速度快便于集成化和多功能化可靠性提高消耗電力小，節(jié)省資源和能量?jī)r(jià)格低廉微傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有30余年的歷史,形成3種類(lèi)型的生產(chǎn)規(guī)模:大型企業(yè)年產(chǎn)100萬(wàn)只以上；中等規(guī)模年產(chǎn)在1萬(wàn)～100萬(wàn)只；一些研究所年產(chǎn)1萬(wàn)只以下。美國(guó)在2cm×2cm×0.15cm的體積內(nèi)，制造了由3個(gè)陀螺和3個(gè)加速度計(jì)組成的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的質(zhì)量為5g，體積與小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比大為減小

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)MEMS工藝和新型傳感器的研究不斷深入和擴(kuò)展，開(kāi)發(fā)成功并形成產(chǎn)品的是壓力傳感器、加速度傳感器、微型陀螺以及各種微執(zhí)行器、微電極、微流量計(jì)、軍用微傳感器。工藝設(shè)備國(guó)內(nèi)大部分依靠進(jìn)口，投資和運(yùn)行成本比較高2017年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）開(kāi)發(fā)出一款用于測(cè)量溫度的可進(jìn)行生物降解的微型生物傳感器－“食聯(lián)網(wǎng)”。這種傳感器只有16微米厚，比人類(lèi)頭發(fā)（100微米）要薄許多，且只有幾毫米的長(zhǎng)度，總重量不超過(guò)1毫克。作為微傳感器的最新發(fā)展方向之一，納米傳感器正在興起（1納米相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的8萬(wàn)分之一）。據(jù)推測(cè)，人類(lèi)社會(huì)即將進(jìn)入“后硅器時(shí)代”,納米傳感器將成為主流13.4網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)就近登陸網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享簡(jiǎn)單地說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)傳感器就是能與網(wǎng)絡(luò)連接或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使其與微處理器、計(jì)算機(jī)或儀器系統(tǒng)連接的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器的開(kāi)發(fā)使測(cè)控系統(tǒng)主動(dòng)進(jìn)行信息處理以及遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量成為可能?chē)?guó)內(nèi)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)傳感器的開(kāi)發(fā)處于起步階段，將成為今后研究的熱點(diǎn)，尤其值得關(guān)注基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）的網(wǎng)絡(luò)傳感器的發(fā)展。NB-IoT建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上，占用大約180KHz帶寬，可直接部署于現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)中，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，已成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，正在開(kāi)啟一個(gè)前所未有的廣闊市場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)傳感器基本結(jié)構(gòu)13.4.5網(wǎng)絡(luò)傳感器的應(yīng)用