现代检测技术导论-概论

1、现代检测技术导论 主讲：梅 涛 研究员 中国科学院合肥智能机械研究所教学计划对象“检测技术与自动化装置” 研究生专业必修课目的掌握现代检测技术的基本理论与方法；了解若干传感器与检测系统的设计与制造过程；具备传感器与检测系统的实际设计和应用能力；为后续的学位论文研究奠定基础。主要内容包括：检测技术的基本概念；信息获取理论；机械量的检测原理与传感器；物理量的检测原理与传感器；化学量的检测原理与传感器；生物量的检测原理与传感器；检测电路与智能传感器；传感器与检测系统应用。考试方式每四名学生分成一组，根据教师提出的大作业题目，完成调研、资料阅读、方案设计，教师根据方案的可行性、表达的准确性和团队的合作

2、精神评分。评分标准：方案可行性 50 基本概念 10 工作原理 10资料调研 10实现途径 20 表达准确性 30 书面报告 10PPT报告 10口头报告 10 团队合作性 20 分工协作 10综合协调 10第一章概论1.1传感器的基本概念1.2传感器的重要意义1.3检测技术的发展趋势1.4 信息获取科学简介1.5 研究项目举例1.6 传感器的性能评价1.1传感器的基本概念传感器的定义：能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。国家标准传感器通用术语 英文：Sensor,

3、 Transducer传感器的多学科交叉特性：运用物理、化学、生物敏感效应与机理，检测物理、化学、生物量，通过必要的信息处理与提取，得到有用的信息。物理、化学、生物、信息四大学科交叉。 传感器的主要分类方法： 按敏感原理分类：物理传感器、化学传感器、生物传感器 按检测对象分类：物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器按功能分类：模拟传感器、数字传感器、智能传感器传感器的命名方法： 主题词 + 修饰语：1、主题词：传感器2、第一级修饰语：被测量3、第二级修饰语：敏感原理4、第三级修饰语：特征描述5、第四级修饰语：主要技术指标例如：20kg双孔梁型电阻应变式称重传感器1.2传感器的重要意义国家安全

4、和国民经济对传感器具有重大需求煤矿瓦斯监测与安全预警爆炸、毒害物探测与反恐预警 需要高灵敏、高可靠、快速响应化学传感器； SARS、禽流感等突发性流行病的快速诊断与预防 需要具有快速分析能力的生物传感器 美国提出2017年控制太空，我国应发展反空间控制的物理传感器。 我国传感器产业与世界存在巨大差距： 世界上有2万多种传感器，而我国仅能生产3000种； 世界传感器市场790亿美元，我国产品仅占1.4%。 目前的传感技术难以完全满足国家需求主要问题：灵敏度、选择性、稳定性和可靠性较差； 创新能力不足，缺乏自主知识产权； 中、高档产品被国外垄断，依赖进口； 关键技术受制于人，先进军事装备被禁运。

5、传感器面临技术落后瓶颈，需要新的突破！1.3检测技术的发展趋势国际发展趋势：微型化采用MEMS技术、纳米技术 集成化采用IC技术和SOC技术等 智能化采用人工智能与信息融合技术学科发展趋势：建立系统的信息获取理论与方法技术创新趋势：仿生学微纳米技术传感技术人类技术创新之源 = 生产实践 + 模仿自然界仿生学为攻克信息获取难关提供了新的科学途径 技术创新趋势生物具有奇妙的感知与控制能力尺寸20100m的单细胞生物纤毛虫具有触觉反馈控制能力；壁虎具有在天花板上倒立爬行的能力；飞蛾能够嗅出1-2个分子量级的信息素；沙蚁能够在沙漠中靠阳光准确定位。 仿生学的四个层次功能仿生 输入输出行为模仿结构仿生

6、体系结构和机械结构模仿机理仿生 生物效应机理模仿组织仿生 生物分子、细胞和微结构的模仿传统仿生学现代仿生学 微纳米技术是实现机理仿生和组织仿生的有效手段 特征尺寸：纳米器件与系统： 0.1-100纳米MEMS器件：100纳米-1000微米生物细胞与微组织： 0.1纳米-1000微米 世界各国纷纷将纳米仿生技术纳入国家研究计划。蚂蚁在1mm长的微型大桥模型旁 仿生学 + 微纳米技术 + 传感器 仿生微纳米传感器 仿生学微纳米技术传感器解决传感器目前存在的关键技术难点高灵敏度高选择性高稳定性高可靠性1.4 信息获取理论与方法信息链 信息获取信息处理信息传输信息应用信息获取信息处理信息传输信息链信息

7、应用计算机科学与技术 =信息处理无所不在通讯和网络技术 =信息传输无所不在自动化科学与技术 =信息应用无所不在信息获取 ？ = 无所不在 ？ 信息流的瓶颈！计算机科学与技术通信科学与技术信息获取科学与技术信息科学与技术自动化科学与技术 “信息获取”是一个具有基础性、前瞻性、战略性的研究方向，五至十年后必将出现信息获取无所不在的景象。存在的问题：（1）未从信息获取科学的角度建立学科的理论基础；（2）未能从系统的角度建立学科体系；（3）存在多学科交叉的复杂性。创立“信息获取科学与技术学科” 是信息科学与技术发展的科学需求，符合科学发展的客观必然性！ 信息获取的哲学意义 哲学是人们对整个世界（自然界

8、、社会和思维）的根本观点的体系，既关于世界观的学说。哲学的根本问题是思维与存在、精神与物质的关系问题。 信息获取正是一门是将存在反映到思维、将物质提升到精神的科学。 虽然客观世界存在自然和社会两种形式，我们将信息获取科学所研究的对象限定为自然信息或称为物质信息。 信息获取科学与技术的定义 信息获取科学是在自然科学范畴内研究被测对象的信号转换、数据融合和信息提炼机理与规律的一门自然科学。信息获取技术是实现信号转换、数据融合和信息提炼的方法和手段。 Editorial, No. 1, Vol. 1, 2004 International Journal of Information Acquisi

9、tion 信息获取的过程 信息获取的过程是一个多层的信息融合过程，它包括了物质层、数据层和特征层三个层次。 信息获取的物质基础是物理、化学、生物敏感现象和过程，物质层的作用就是从这些现象和过程中获得被测信号敏感信息。 多传感信号在数据层中被聚集在一起，实现对外界信息的数据表达传感数据。 数据在特征层中进行处理、特征提取和匹配，实现信息获取的最终目标获得感知信息。 物质层数据层特征层敏感信息传感数据感知信息被测环境物质层M数据层D特征层C感知信息Y传感数据YS敏感信号YT被测信息X干预信息 干扰信息 E 信息获取的理论模型 信息获取的理论基础 神经物理学生物物理学模式识别理论数据融合理论物理学化

10、学信 息 论生物学特征层数据层物质层仿 生 学 信息获取的学科体系信息获取科学与技术物理型敏感材料与元件敏感材料与元件传感器与仪器机器感知化学型敏感材料与元件生物型敏感材料与元件力学量传感器与仪器物理量传感器与仪器化学量传感器与仪器结构型敏感材料与元件机器视觉机器触觉机器嗅觉机器味觉生物量传感器与仪器机器听觉信息获取理论信息获取的仿生学模型信息获取的信息论模型国家重大基础研究计划项目 “BNI融合的微纳传感器与智能系统的基础研究”1.5 研究项目举例 总体目标 揭示生物特异性敏感效应与微纳米结构的关系； 探索微纳米结构敏感效应的基本规律； 建立仿生微纳米结构的可控生长与操控手段； 提出仿生微纳

11、米传感器与智能系统的设计理论； 建立仿生嗅觉传感方法，并研制出原型器件； 研制出微纳米机器人仿生感知控制系统原理样机。信息获取与智能系统的仿生途径和原型器件微纳米结构的敏感效应与数学模型仿生传感器与系统的微纳米结构制作方法微纳米尺度下的生物敏感机理与仿生原理总体研究目标原理模型手段器件 主要研究内容 主要研究内容之一：微纳米尺度下的生物敏感机理与仿生原理 以蛾类、壁虎、沙蚁、纤毛虫为对象，在微纳米尺度上研究生物嗅觉、触觉、视觉器官的敏感机理和传感控制机制，发现通过微纳米结构进行机理仿生的方法，并进一步探索生物和非生物材料相结合的组织仿生新途径，为本项目奠定生物学基础。飞蛾纤毛虫沙蚁壁虎 主要研

12、究内容之二： 微纳米结构的敏感特性与数学模型 针对仿生微纳米结构与系统特点，进行实验研究、理论分析和计算机模拟，揭示仿生微纳米结构敏感效应的基本规律，建立相应的数学模型、系统仿真模型和纳米结构操控模型，为本项目奠定理论基础。可控外延结构自组装过程模拟（中科大 2003）纳米丝照片及其原子模拟图 主要研究内容之三：仿生传感器微纳米结构的可控生长与操控 针对仿生传感器微纳米结构特点，发展纳米结构的生长、控制和特性表征方法，建立纳米结构的加工、实验平台，实现纳米结构的按需制造，为仿生器件的研制提供实现手段。STM在单晶硅表面画出的图案（化学所）复杂纳米结构（固体所2004）纳米光栅结构 （化学所20

13、04） 主要研究内容之四：信息获取与智能系统的仿生学原理和实现途径 基于仿生原理、敏感规律和微纳米加工技术，针对国家安全重大需求，建立易燃易爆、有毒有害物质监测的仿生嗅觉传感方法，研制微纳米机器人仿生感知控制系统原理样机，在关键的信息获取方法和智能系统方面取得突破。四单元气敏阵列（智能所1995）32单元触觉阵列（智能所1996）3mm无线游泳机器人（智能所2003） 研究方案仿生嗅觉传感方法与器件 借鉴昆虫嗅觉敏感机理，利用微纳米结构的化学和物理敏感现象，以爆炸物探测为对象建立仿生嗅觉传感方法，为有毒有害、易燃易爆气体的监测与预警提供高灵敏度、高选择性的智能传感器原理样机。 生物学原型：飞蛾

14、嗅觉系统飞蛾触角的微结构（动物所2004）感受器模式图感受器的纳米通道气味分子受体触角叶与其他输入信号整合蕈体中枢神经系统行为电子线路板电极阵列敏感材料人工神经网络纳米孔阵列仿受体材料分子识别爆炸物微纳米机器人仿生感知控制机理与原理样机 模仿低等动物感知、控制、运动等智能行为，研究微纳米寄生机器人传感控制机理与方法，并研制出原理样机，为发展新概念武器奠定基础。 生物学原型：壁虎的粘附爬行机制 沙蚁的偏振光导航机理 纤毛虫的触觉反射机制纤毛虫的运动机制壁虎的粘附爬行机制范德瓦尔斯力美国加利福尼亚大学伯克利分校Nature 405 (2000) 纳米线阵列右上图固体所（2001）聚碳酸脂模板制作的

15、硅橡胶绒毛左下图美国（2003）利用硅模板制作的硅橡胶微米毛右下图智能所（2005）驱动基板微米级刚毛纳米级绒毛驱动电极与传感器一对驱动电极施加电压后，带动一组微纳米阵列偏转，挤压或脱离接触表面。具有传感控制能力的仿壁虎微纳米粘附阵列概念设计图（智能所2004）沙蚁的导航原理偏振光定位 纳米结构红外线栅偏振器（固体所2002）纳米偏振器金属纳米线阵列纳米光栅结构 （化学所2004）课题三：仿生微纳米结构的敏感效应与数学模型课题四：仿生传感器纳米结构的可控生长与操控课题一：动物感觉器官的微纳米结构与机理仿生原理课题二：生物组织的特异性敏感机理与组织仿生原理仿生原理数学模型实现手段课题五：仿生嗅觉

16、传感方法与器件课题六：微纳米机器人仿生感知控制系统原型器件研究方案检测技术进入新的发展阶段！1.6 传感器性能评价 静态特性量程、满量程输出灵敏度、交叉灵敏度精度（含线性度、迟滞、重复性）分辨率温漂时漂量程是指传感器适用的测量范围，选择好传感器的量程是用好传感器的前提。量程选择过小会使传感器长期工作在超负荷状态，容易造成损坏。量程选择过大会传感器的实际测量误差增加，达不到预期的检测精度。满量程输出是指输入从最小变化到最大时输出信号的变化量，它与灵敏度密切相关，同时又对传感器的精度评价起到了重要作用，因为所有误差对传感器精度的影响都是要与满量程进行比较之后才能判定的。灵敏度k为传感器输出的变化量

17、y与引起该变化量的输入变化量x之比，即：k=y/x灵敏度反映了传感器对被测量的敏感程度，同时也与传感器的信噪比密切相关。高灵敏度的传感器得到的信号输出较大，同时信噪比相对较低。因此在选择传感器时应尽量选择灵敏度较高的传感器，在灵敏度偏低的情况下应进一步考虑干扰、噪音信号的大小，以信噪比达到测量要求来衡量。非线性传感器的灵敏度表示方式：S=R0/Rs （气敏元件）交叉灵敏度：多维传感器中某一对特定被测量敏感的检测单元对其它被测量的灵敏度。 干扰！精度：传感器在其测量范围内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。线性度：对于线性输出传感器往往将标定数据与标准输出直线进行比较，其最大误差与满量程输出之比

18、。迟滞：传感器在标定过程中加载输出与卸载输出之间的不重合性，加载与卸载输出的最大差值的一半与满量程输出之比。重复性：传感器在输入按同一方向作全量程连续多次标定时的输出不重合性，各次标定之间的最大误差与满量程输出之比。分辨率：引起输出量发生变化时输入量的最小变化量与满量程之比。温漂：温度变化对传感器输出所产生的影响，它是由温度零漂和灵敏度温漂两项指标来表示。温度零漂：传感器的输入信号为零时，温度变化所产生的输出差值与满量程输出和温差之比。灵敏度温漂：满量程输出随温度的变化情况，当温度变化满量程输出差值与满量程输出和温差之比。时漂：是衡量传感器长期稳定性的指标，一般是测量时间内传感器零点输出变化的最大值，然后计算出单位时间内与满量程输出相比的百分比。 动态特性 响应时间当输入量阶跃变化时，输出量从开始变化到示值进入最终值的规定范围内所需要的最小时间。如：ts = 0.5s (5%) 响应频率当输入量为频率从零开始逐渐增大的正弦波时，输出量的幅值降低到静态响应值的0.707时，所对应的频率。 工作频率当输入量为频率从零开始逐渐增大的正弦波时，输出量的幅值降低到静态响应值所允许的最大误差时，所对应的频率。 传感器标定 静态标定方法 动态标定方法 传感器环境实验参考书：孙传友、孙晓