传感器与检测技术概述

传感器与检测技术

我们共同的问题（学习目的）为什么要学习“传感器与自动检测技术”这门课？对我的知识结构有什么提升和优化？打下什么基础？（课程目标）“传感器与自动检测技术”知识有什么用？（学习模式与方法）如何学习？（学习过程）好玩不？有挑战不？参与度如何？……？2024/6/122生活中的“传感器”迎春窗外花已繁，始知春归来。枯荣自有期，岂问云舒卷？海尔家电最复杂的产品有几十个传感器，工程机械产品中传感器一般来说有100多个，目前单一产品传感器最多的是空客A380飞机，其每台发动机有2000多个传感器，有四台同样的发动机，每架飞机上总共有超过2万个传感器身边的例子－智能小车2024/6/124能自动避障的智能小车能跟踪防撞的智能小车能自动寻迹的智能小车传感器样例气敏传感器压电式压力传感器温度传感器热电偶超声波传感器工作原理？测量方法？典型工程应用方案？概述知识单元与知识点课程简介；传感器的定义、传感器的共性、传感器的基本功能；传感器的组成；传感器的分类；传感器技术的发展趋势。能力点能复述并解释传感器的概念；能复述传感器的组成、传感器的基本功能和传感器的共性；能比较不同类别的传感器；能复述传感器技术的发展趋势；会结合生活生产实际举例说明传感器的应用。重难点重点：传感器的定义、组成、分类。难点：传感器技术的发展趋势。学习要求了解本门课程的地位、作用、内容体系结构和任务要求；熟练掌握传感器的定义、组成；掌握传感器的分类；了解传感器技术的发展趋势。问题导引→为什么要学习传感器与检测技术课程？→传感器的基本内涵与价值是什么？→如何理解传感器的发展？课程简介

5G的发展将对社会效率提高、社会管理能力提升、社会成本的降低起到巨大作用

与传感器有什么关联？5G之后的网络是一个智能互联网时代，感应器是一个巨大的新机会。如智能手机中有大量感应器，而5G智能终端中的感应器会更多，能力会更强。这个领域是全世界半导体领域争夺的一个焦点课程简介1.1.1本课程的地位和作用工具改造世界，仪器认识世界；精密测量技术对一个国家的发展起着至关重要的作用，获得高准确度、高可靠性数据或信息是传感器与检测技术的核心任务“传感器与检测技术”是工科电气信息类专业的重要专业（基础）课工业化与信息化深度融合、互联网+、物联网、智能制造、中国制造2025….培养学生在电子信息、计算机应用、精密仪器、测量与控制等领域具备各种电量、非电量的检测、显示、控制及产品设计制造、科技开发、应用研究等方面的能力ICT技术的三大支柱之一：传感器（感知）；信息链、传感器数据是“第一数据”“新工科”更加强调跨界交叉融合创新能力强调依托优质学习资源、优化知识路径、深度学习模式启发心智，从适应新经济发展对智能感知与仪器工程要求的角度，培养学生学习发展和创新的关键能力建设“一流课程”、支撑“一流专业”发展传感器作为“电五官”1.1.2本课程内容体系结构按照传感器、检测技术和自动检测系统三大模块。传感器部分主要包括传感器的基本特性、各类传统与新型传感器的工作原理与应用（电阻式、电感式、电容式、压电式、磁敏式、热电式、光电式、辐射与波式、智能传感器、模糊传感器、微传感器、网络传感器；化学传感器、生物传感器等）（如何工作的？原理是什么？有助于传感器选型）检测技术主要包括参数检测、微弱信号检测、软测量、多传感器数据融合、测量不确定度与回归分析等（怎么用？方法是什么？）检测系统主要包括虚拟仪器和自动检测系统等。（如何构建检测系统？原理与方法的实用化、工程化）解决复杂工程问题

解决复杂工程问题能力是工科学生应具备的核心工程能力之一，中国工程教育专业认证通用标准所列毕业要求12条中有8条对复杂工程问题提出了要求。《华盛顿协议》用7个特征刻画复杂工程问题，其中第一条是必需的，它指出了复杂工程问题的本质；其余六条是可选的，它们可以看作复杂工程问题的表象。复杂工程问题的7个特征是：（1）必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决；

（2）涉及多方面的技术、工程和其它因素，并可能相互有一定冲突；

（3）需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；

（4）不是仅靠常用方法就可以完全解决的；

（5）问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中；

（6）问题相关各方利益不完全一致；

（7）具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。1.1.3本课程的任务及目标“传感器与检测技术”课程着重培养学生掌握传感器与检测技术基础理论、基本方法，并了解技术的最新发展（表1－1知识单元与知识点）本课程是一门实践性很强的课程，在理论学习的同时，要求学生：通过实验和实践熟练掌握各类典型传感器的基本原理和适用场合掌握常用测量仪器的基本工作原理和工作性能能合理选用常用电子仪器、测量电路等能根据测量要求设计各类测量系统能对测量结果进行误差分析和数据处理等，达到理论与实践的高度统一，突出能力的培养课程目标序号目标描述1能解释传感器、检测技术、检测系统相关的专业术语2能解释传感器的静态特性指标，并利用数学模型和传递函数、频率响应函数分析一阶和二阶传感器的动态特性3能利用数学理论，物理、化学、生物效应和电路的基本定律分析各类传感器的工作原理、测量电路，能解释传感器的典型工程应用4能复述新型传感器和参数检测领域的概念、特点、涉及的主要技术和发展前景等5能针对温度、压力、流量、物位、成份等过程量和位移、转速、速度、加速度、振动、厚度等机械量，以及化学量、生物量等参数检测任务，分析、比较和选用适宜的参数测量方法6能够对测量数据进行误差分析和处理，对测量结果进行最佳值估计，能够利用最小二乘法和Matlab工具对测量结果进行一元线性拟合7践行社会主义核心价值观，能够遵循工程伦理、设计原则和步骤等，利用传感器与检测技术知识设计和评价自动检测系统，优化解决测控领域的复杂工程问题，且兼顾社会、法律、道德、经济、文化、环境、能效、健康、安全等制约因素8了解国内外传感器、检测技术、检测系统的现状和发展趋势，特别是与信息技术深度融合的智能检测技术与仪器的新发展1.2传感器的定义与组成传感器：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置（GB/T7665－2005）“A

sensorisadevicethatreceivesastimulusandrespondswithanelectricalsignal”传感器的共性：利用物理定律或物质的物理、化学、生物等特性，将非电量转换成电量传感器功能：检测和转换。敏感元件是传感器中能直接感受（或响应）被测信息（非电量）的元件转换元件则是指传感器中能将敏感元件的感受（或响应）信息转换为电信号的部分传感器的组成信号调理电路：常见有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等作用：把来自传感器的信号进行转换和放大（将各种电信号转换成电压、电流或频率等）；进行信号处理（滤波、调制与解调、衰减、运算、数字化等）1.3传感器的分类按传感器的输入量（即被测参数）进行分类：位移、速度、温度、压力传感器等按传感器的输出量进行分类：模拟式和数字式按传感器的工作原理进行分类：电阻式、电容式、电感式、压电式、磁敏式、热电式、光电式传感器等按传感器的基本效应分类：物理型、化学型、生物型物理传感器按构成进行分类：物性型（敏感材料的物理特性变化，如水银温度计）和结构型（转换元件的结构参数变化，如变极距型电容式传感器）1.3传感器的分类按传感器的能量变换关系进行分类：无源（能量控制型或参量型）、有源（能量变换型或发电型）按传感器所蕴含的技术特征分类：普通传感器与新型传感器按传感器的尺寸大小进行分类：宏传感器和微传感器按传感器的存在形式进行分类：硬传感器和软传感器1.4传感器技术的发展传感器性能的改善开展基础理论研究传感器的无线化传感器的微型化传感器的集成化传感器的网络化传感器的智能化传感器的安全化传感器的虚拟化

这些发展不是独立的，往往相辅相成、彼此关联、相互融合，从而推动传感器由分离器件向低功耗、多功能、高精度、数字化、网络化、系统集成、功能复合和应用创新方向发展1.4.1传感器性能的改善差动技术

（正反行程误差偏大、偏小的“中和”效应，改善灵敏度、非线性）平均技术

（减小误差、增大信号量）补偿与修正技术

（针对传感器本身或测量环境两种情形）屏蔽、隔离与干扰抑制

（针对恶劣的电磁、温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射、气流等工作环境）稳定性处理

（针对时间老化、温度老化、机械老化等）计量基准量子化1.4.2开展基础理论研究寻找新原理

（引力波、量子特性，量子传感器，化学传感器、生物传感器，电子皮肤）开发新材料

半导体敏感材料陶瓷敏感材料磁性材料智能材料柔性材料纳米材料（石墨烯）采用新工艺

主要是微细加工技术（离子束、电子束、分子束、激光束、化学蚀刻等探索新功能

多参数的检测、处理与评价1.4.3传感器的无线化随着微波、4G/5G、WiFi、Zigbee等无线通信技术的快速发展，以及信息感知范围的扩大、网络化感知需求的增长，特别是深空探测、卫星遥感、全球定位、无线传感网、物联网、远程监控与报警系统等新技术与应用的推动，传感器的无线化发展趋势明显，相关无线产品所占比重越来越大传感器的无线化在检测系统搭建、快速安装与调整、覆盖复杂地形或特殊分布区域（如水下、太空）等方面表现出优势典型地，遥感技术作为目前人类快速实现全球或大区域对地观测的唯一手段，使用的传感器在信息感知和数据传输过程中都离不开无线技术的支持1.4.4传感器的微型化MEMS技术的应用，微型传感器发展起来将机械、电子元器件集成在一个基片上主要特征：体积小重量轻功耗低可靠性高1.4.5传感器的集成化两种情况：一是具有同样功能的传感器集成化，即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来，形成一维的线性传感器，从而使一个点的测量变成对一个面和空间的测量二是不同功能的传感器集成化，即将具有不同功能的传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，从而使一个传感器可以同时测量不同种类的多个参数。PTH集成传感器1.4.6传感器的网络化主要表现为两个方面一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE

1451.2工作组建立了智能传感器接口模块（STIM）标准二是以IEEE

802.15.4（Zigbee）为基础的无线传感器网络技术得以迅速发展1.4.5传感器的智能化“芯片支撑智能，软件定义智能”。传感器与微处理器的结合：检测、信息处理、逻辑判断、自诊断等传感器技术和智能信息处理技术的结合使传感器由单一功能、单一检测对象向多功能和多变量检测发展，由被动进行信号转换向主动控制传感器特性和主动进行信息处理发展，由孤立的元器件向系统化、网络化方向发展（反过来，传感器逐渐发展为人工智能重要的元部件）作用：提高测量精度增加功能提高自动化程度1.4.6传感器的安全化按需获取被观测对象的真实信息是传感器作为感知单元最基本的功能需求面临着被非法利用或被攻击者破坏的潜在风险传感器的安全化就是通过硬件和软件两方面的手段应对攻击者的破坏行为，有效抵御因传感器无线化、网络化等以及由此形成工业大数据可能带来的信息安全风险，确保通过传感器所获取的信息是可控的、保密的、新鲜的、真实的、可靠的传感器输出的数据被称为“第一数据”，是一切依托传感器的应用的根基；如果传感器所采集的基础信息是虚假的、不可靠的，其后续的一系列处理与应用都是毫无意义的，甚至是有害的（如2018年10月一架印尼狮航集团的737MAX客机因迎角传感器故障而坠毁）1.4.7传感器的虚拟化虚拟化是利用通用的硬件平台，并充分利用软件和算法实现传感器的特定硬件功能传感器的虚拟化表现为：一是智能传感器的运用将越来越广泛，且智能传感器中软件与算法的比重将越来越大二是基于“软件就是仪器”的理念和虚拟仪器的多种优势，以虚拟仪器为平台的测控系统将大行其道三是以大数据和人工智能等前沿技术为支撑，面向网络或信息平台的“纯软件式”传感器将得到快速发展，这类“软件”突破了传统意义上传感器作为“器件或装置”的定义，没有“有形”的敏感元件或转换元件，但它具有检测的基本特征（广义的传感器、软传感器）传感器虚拟化可缩短产品开发周期、降低成本、提高可靠性信息技术正在推动传感器本身发生质的飞跃，随着测控系统信息化程度的加深，传感器的虚拟化趋势越来越明显，虚拟仪器、软测量的内涵将进一步丰富科学探索无止境-如暗物质、暗能量的观测尚为未知科学家观测发现，我们现在的宇宙，不仅在不断膨胀，而且在加速膨胀。如果匀速膨胀，还可以理解。但加速膨胀，就需要有新的能量的加入。这能量是啥？科学家目前也搞不清，取名叫暗能量科学家通过计算星球与星球之间的引力发现，星球自身的这点引力，远远不够维持一个个完整的星系。宇宙之所以能维持现有秩序，只能是因为还有其他物质。而这种物质，目前为止，我们都没有看到并找到，所以，称之暗物质现有的物理学理论都以光速不可超越为基础。而据测定，量子纠缠（科学实验发现，二个没有任何关系的量子，会在不同位置出现完全相关的相同表现）的传导速度至少4倍于光速科技发展到今天，我们看到的世界仅仅是整个世界的5%。这和1000年前人类不知道有空气，不知道有电场、磁场，不认识元素，以为天圆地方相比，我们的未知世界还要多得多，多到难以想像国内传感器发展的基本国情随着国内物联网、工业自动化与信息化、国防现代化等的快速发展，对各类传感器的年需求量持续增长且需求旺盛，据预测未来五年(2017-2021年)中国传感器产业总产量将