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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/10/3,#,微波传感器,一、微波概述,微波是波长为1 mm1 m电磁波，能够细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既含有电磁波性质，又不一样于普通无线电波和光波性质，是一个相对波长较长电磁波。,含有以下特点：,定向辐射装置轻易制造；,碰到各种障碍物易于反射；,绕射能力差；,传输特征好，传输过程中受灰尘、强光影响小；,介质对微波吸收与介质介电常数成百分比。,1,第1页,二、微波传感器原理和组成,1、微波传感器测量原理及分类,微波传感器由发射天线发出微波，碰到被测物体时将被,吸收,或,反射,，使微波功率发生改变。,若利用接收天线，接收到经过被测物体或由被测物体反射回来微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即能够显示出被测量,依据微波传感器原理，微波传感器能够分为,反射式,和,遮断式,两类。,2,第2页,（1）反射式微波传感器,反射式微波传感器是经过检测被测物反射回来,微波功率,或经过,时间间隔,来测量被测量。通常它能够测量物体位置、位移、厚度等参数。,（2）遮断式微波传感器,遮断式微波传感器是经过检测接收天线收到,微波功率,大小来判断发射天线与接收天线之间有没有被测物体或被测物体厚度、含水量等参数。,3,第3页,2、微波传感器组成,微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。,（1）微波振荡器及微波天线,微波振荡器是产生微波装置。因为微波波长很短，即频率很高（300 MHz300 GHz），要求振荡回路中含有非常微小电感与电容，所以不能用普通电子管与晶体管组成微波振荡器。组成微波振荡器器件有调速管、磁控管或一些固态器件.,4,第4页,由微波振荡器产生振荡信号需要用波导管传输，并经过天线发射出去。为了使发射微波含有尖锐方向性，天线要含有特殊结构。惯用天线如图所表示。,惯用微波天线,扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;,(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线,5,第5页,（2）微波检测器,电磁波作为空间,微小电场变动,而传输，所以使用电流-电压特征展现非线性电子元件作为探测它敏感探头,敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快,响应速度,。,几兆赫以下可用半导体PN结;,频率比较高可使用肖特基结;,灵敏度要求尤其高可使用超导材料约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件;,靠近光频率可使用由金属-氧化物-金属组成隧道结元件。,6,第6页,3、微波传感器特点,微波传感器作为一个新型非接触传感器含有以下特点：,有极宽频谱（波长=1.0 mm1.0m）可供选取，可依据被测对象特点选择不一样测量频率；,在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号传输影响极小，所以能够在恶劣环境下工作；,时间常数小，反应速度快，能够进行动态检测与实时处理，便于自动控制；,7,第7页,测量信号本身就是电信号，无须进行非电量转换，从而简化了传感器与微处理器间接口，便于实现遥测和遥控；,微波无显著辐射公害。,微波传感器存在主要问题是零点漂移和标定还未得到很好处理。其次，使用时外界环境原因影响较多，如温度、气压、取样位置等。,8,第8页,三、微波传感器应用,1、微波液位传感器,微波液位计,9,第9页,2、微波湿度传感器,水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场作用而重复取向，不停从电场中得到能量（储能），又不停释放能量（放能），前者表现为微波信号相移，后者表现为微波衰减。,使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分潮湿物体所引发微波信号相移与衰减量，就能够换算出物体含水量。,10,第10页,下列图给出了测量酒精含水量仪器框图，图中，MS产生微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A,1,、A,2,分别注入到两个完全相同转换器T,1,、T,2,中。其中，T,1,放置无水酒精，T,2,放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别重复接通两电路（T,1,和T,2,）输出，自动统计与显示它们之间相位差与衰减差，从而确定样品酒精含水量。,11,第11页,3、微波测厚仪,微波测厚仪是利用微波在传输过程中碰到被测物体金属表面被反射，且反射波波长与速度都不变特征进行测厚。,微波测厚仪原理如图所表示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出微波，经过环行器A、上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。所以被测物体厚度与微波传输过程中行程长度有亲密关系，当被测物体厚度增加时，微波传输行程长度便减小。,12,第12页,微波测厚仪原理图,13,第13页,普通情况下，微波传输行程长度改变非常微小。为了准确地测量出这一微小改变，通常采取微波自动平衡电桥法，前面讨论微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不一样，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动赔偿短路器产生位移，改变赔偿短路器长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停顿转动为止。,14,第14页,4、微波无损检测,微波无损检测是综合利用微波与物质相互作用，首先微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另首先微波还能与被检材料产生相互作用，此时微波场会受到材料中电磁参数和几何参数影响。经过测量微波信号基本参数改变即可到达检测材料内部缺点目标。,15,第15页,生物传感器,一、生物传感器基本概念,生物传感器通常是指由一个,生物敏感部件,和,转化器,紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质含有选择性和可逆响应分析装置。,它是发展生物技术必不可少一个先进检测与监控方法,也是对物质在分子水平上进行快速和微量分析方法。,16,第16页,1、生物传感器工作原理,生物传感器工作原理是待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生信息如光、热、音等被对应信号转换器变为可定量和处理电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质量或浓度。,17,第17页,（1）将化学改变转变成电信号,例,酶催化特定物发生反应,从而使特定生成物量有所增减.用能把这类物质量改变转换为电信号装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器。,（2）将热改变转换成电信号,固定化生物材料与对应被测物作用时常伴有热改变。,这类生物传感器工作原理是把反应热效应借热敏电阻转换为阻值改变。,18,第18页,（3）将光信号转变为电信号,比如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢发光,所以如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管前端,再和光电流测定装置相连,即可测定过氧化氢含量。,还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光。也能够用这种方法测定底物浓度.,上述三原理生物传感器共同点：,都是将分子识别元件中生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生化学或物理改变再经过信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为,间接测量方式.,19,第19页,（4）直接产生电信号方式,这种方式能够使酶反应伴随电子转移、微生物细胞氧化直接(或经过电子递体作用)在电极表面上发生。依据所得电流量即可得底物浓度。,20,第20页,二、生物传感器分类,1、依据传感器,输出信号产生方式,可分为,生物亲合型,生物传感器、,代谢型或催化型,生物传感器;,2、依据生物传感器,信号转换器,可分为,电化学,生物传感器、,半导体,生物传感器、,测热型,生物传感器、,测光型,生物传感器、,测声型,生物传感器等,3、依据生物传感器中,生物分子识别元件上敏感材料,可分为,酶,传感器,、微生物,传感器,、免疫,传感器,、组织,传感器,、基因,传感器,、细胞及细胞器,传感器。,21,第21页,生物亲合型传感器,被测物质与分子识别元件上敏感物质含有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引发敏感材料分子结构和/或固定介质发生改变。比如：电荷、温度、光学性质等改变。反应式可表示为：,S（底物）+R（受体）=SR,22,第22页,代谢型传感器,底物（被测物）与分子识别元件上敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物消耗或产物增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为,S（底物）R（受体）=SR P（生成物）,23,第23页,每一类又都包含许各种详细生物传感器,比如，仅酶电极一类，依据所用酶不一样就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等,就是葡萄糖电极也并非只有一个，有用pH电极或碘离子电极作为转换器电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器电流型葡萄糖电极等实际上还可再细分。,24,第24页,三、生物传感器组成部分,一是生物分子,识别元件,(感受器),是含有分子识别能力生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等);,二是,信号转换器,(换能器),主要有,电,化学电极(如电位、电流测量)、,光,学检测元件、,热,敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生复合物(或光、热等)经过信号转换器变为能够输出电信号、光信号等,从而到达分析检测目标。,25,第25页,敏感器件（分子识别元件）,26,第26页,四、生物传感器优点,(1)依据生物反应特异性和多样性,理论上能够制成测定全部生物物质传感器,因而,测定范围广泛,(2)普通不需进行样品预处理,它利用本身具备优异选择性把样品中被测组分分离和检测统一为一体，测定时普通不需另加其它试剂,使测定过程简便快速,轻易实现自动分析,(3)体积小、响应快、样品用量少,能够实现连续在位检测,27,第27页,(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可重复屡次使用,(5)准确度高,普通相对误差可到达1%以内,(6)可进行活体分析,(7)传感器连同测定仪成本远低于大型分析仪,因而便于推广普及,(8)有微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内供氧情况和副产物产生，能得到许多复杂物理化学传感器综合作用才能取得信息,28,第28页,在食品分析应用,五、应用,食品成份分析,食品添加剂分析,农药和抗生素残留量分析,微生物和生物毒素检验,食品鲜度检测,29,第29页,在环境监测中应用,水质分析,：一个经典应用是测定生化需氧量（BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天；,废气或环境大气监测,：可用于测定空气中SO,2,、NO,X,、CO,2,、NH,3,、CH,4,等含量；,农药和抗生素残留量分析,：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等测定,30,第30页,在生物医学上应用,临床应用,：用酶、免疫传感器等生物传感器来检测体液中各种化学成份，为医生诊疗提出依据。,生物医药,：利用生物工程技术生产药品时，将生物传感器用于生化反应监视，能够快速地获取各种数据，有效地加强生物工程产品质量管理。,31,第31页,在军事上应用,当代战争往往是在核武器、化学武器、生物武器威胁下进行战争。侦检、判定和检测是进行有效化学战和生物战防护前提。因为含有高度特异性、灵敏性和能快速地探测化学战剂和生物战剂（包含病毒、细菌和毒素等）特征，,生物传感器将是最主要一类化学战剂和生物战剂侦检器材,。如烟碱乙酰胆碱受体生物传感器和某种麻醉剂受体生物传感器能在10s内侦检出10,-9,浓度级生化战剂，包含委内瑞拉马脑炎病毒、黄热病毒、炭疽杆菌、流感病毒等。,32,第32页,德国研发环境废水BOD分析仪,33,第33页,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,34,第34页,发酵罐,主机,计算机,SBA-60型生物传感在线分析系统，为发酵自动控制提供了新基础平台,35,第35页,机器人传感器,36,第36页,机器人,37,第37页,机器人大脑主板,机器人思想程序,机器人感知,传感器,机器人手脚马达,机器人骨架机械结构,机器人食物电池,机器人组成,38,第38页,传感器在机器人中应用,机器人是由计算机控制复杂机器，它含有类似人肢体及感官功效；动作程序灵活；有一定程度智能；在工作时能够不依赖人操纵。机器人传感器在机器人控制中起了非常主要作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类知觉功效和反应能力。,39,第39页,给机器人装备什么样传感器，对这些传感器有什么要求，这是设计机器人感觉系统时碰到首要问题。选择机器人传感器应该完全取决于机器人,工作需要,和,应用特点,。,40,第40页,机器人传感器可分为内部检测传感器和外部检测传感器两大类。,内部检测传感器是以机器人本身坐标轴来确定其位置。它安装在机器人本身中用来感知机器人自己状态，以调整和控制机器人行动。它通常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。,外界检测传感器用于机器人对周围环境、目标物状态特征获取信息，使机器人和环境能发生交互作用，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测传感器通常包含触觉、靠近觉、视觉、听觉、嗅觉等传感器。,41,第41页,类别,检测内容,应用目标,传感器件,明暗觉,是否有光，亮度多少,判断有没有对象，并得到定量结果,光敏管、光电断续器,色觉,对象色彩及浓度,利用颜色识别对象场所,彩色摄影机、滤色器、彩色CCD,位置觉,物体位置、角度、距离,物体空间位置，判断物体移动,光敏阵列、CCD等,形状觉,物体外形,提取物体轮廓及固有特征，识别物体,光敏阵列、CCD等,接触觉,与对象是否接触，接触位置,决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停顿，寻径,光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料,压觉,对物体压力、握力、压力分布,控制握力，识别握持物，测量物体弹性,压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料,力觉,机器人相关部件（如手指）所受外力及转矩,控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业,应变片、导电橡胶,靠近觉,对象物是否靠近，靠近距离，对象面倾斜,控制位置，寻径，安全保障，异常停顿,光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器,滑觉,垂直握持面方向物体位移，重力引发变形,修正握力，预防打滑，判断物体重量及表面状态,球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器,机器人传感器分类,42,第42页,传感器在机器人身上分布,43,第43页,能踢球机器人,44,第44页,对运动球类有正确反应机器人,能打网球机器人,机器人足球比赛,45,第45页,能行走机器人,46,第46页,服务机器人,机器人伴舞,机器人奏乐,47,第47页,可爱小机器人,能上台阶并避开障碍物机器人,能自己站起来机器人,48,第48页,排爆机器人,我国沈阳自动化所研制PXJ-2机器人也加入了公安部队行 列。,49,第49页,消防机器人,消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员靠近火场实施有效灭火救援、化学检验和火场侦察。它应用将提升消防部队扑灭特大恶性火灾实战能力，对降低国家财产损失和灭火救援人员伤亡将产生主要作用。,50,第50页,机器人轮椅主要,有口令识别与语音合,成、机器人自定位、,动态随机避障、多传,感器信息融合、实时,自适应导航控制等功,能。,51,第51页,军事机器人,我国引进排爆机器人,进攻型机器人,52,第52页,工业机器人,核工业机器人,汽车喷漆机器人,53,第53页,机器人手,54,第54页,机械手在汽车加工中应用,机械手能按照程序焊接和安装汽车部件，是机器人雏形。,55,第55页,激光焊接机械手,56,第56页,一、智能式传感器概述,智能式传感器（Intelligent sensor或Smart sensor）自20世纪70年代初出现以来，伴随微处理器技术迅猛发展及测控系统自动化、智能化发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好，而且具备一定数据处理能力，并能够自检、自校、自赔偿。传统传感器已不能满足这么要求。另外，为制造高性能传感器，光靠改进材料工艺也很困难，需要利用,计算机技术与传感器技术相结合,来填补其性能不足。计算机技术使传感器技术发生了巨大变革，微处理器(或微计算机)和传感器相结合，产生了功效强大智能式传感器。所谓智能式传感器，就是一个带有,微处理机,，兼有,信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功效,传感器。,智能传感器,57,第57页,传感器与微处理机结合能够经过以下两个路径来实现：一是采取微处理机或微型计算机系统以强化和提升传统传感器功效，即,传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器输出信号经处理和转化后由接口送到微处理机部分进行运算处理,。这就是我们指普通意义上智能传感器,又称,传感器智能化,。二是借助于半导体技术把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片上，即,成为大规模集成电路智能传感器,，简称集成,智能传感器,。集成智能传感器含有多功效、一体化、精度高、适宜于大批量生产、体积小和便于使用等优点，它是传感器发展必定趋势，它实现将取决于半导体集成化工艺水平提升与发展。,58,第58页,就当前来看，已经有不少以组合形式出现智能传感器作为产品投入市场，如美国Honeywell企业推出DSTJ-3000型硅压阻式智能传感器,Par Scientific 企业1000系列数字式石英智能传感器。我国也着手智能传感器开发与研究，主要是在现有使用传感器中，采取先进微处理机和微型计算机系统，使之完成第一类路径智能化。,智能传感器因其在功效、精度、可靠性上较普通传感器有很大提升，已经成为传感器研究开发热点。近年来，伴随传感器技术和微电子技术发展，智能传感器技术也发展很快。发展高性能以硅材料为主各种智能传感器已成为必定。,59,第59页,二、智能传感器功效和组成,不论是传感器智能化，还是集成智能化传感器，都是带有微机兼具检测信息和处理信息功效传感器，可统称为智能式传感器。和传统传感器相比，智能化传感器含有以下功效：,含有逻辑判断、统计处理功效。可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及迟缓漂移等误差赔偿，提升了测量准确度。,含有自诊疗、自校准功效。可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊疗测试，以确定哪一组件有故障，提升了工作可靠性。,60,第60页,含有自适应、自调整功效。可依据待测物理量数值大小及改变情况自动选择检测量程和测量方式，提升了检测适用性。,含有组态功效。可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测与使用范围。,含有记忆、存放功效。可进行检测数据随时存取，加紧了信息处理速度。,含有数据通讯功效。智能化传感器含有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提升了信息处理质量。,61,第61页,计算机软件在智能传感器中起着举足轻重作用。因为“电脑”加入，智能传感器可经过各种软件对信息检测过程进行管理和调整，使之工作在最正确状态，从而增强了传感器功效，提升了传感器性能。另外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现功效，因为以软件代替部分硬件，可降低传感器制作难度。,智能式传感器系统普通组成框图如图所表示。其中作为系统“大脑”微型计算机，能够是单片机、单板机，也能够是微型计算机系统。,62,第62页,智能传感器结构框图,63,第63页,三、传感器智能化,1、传感器智能化概念,传感器智能化指传感器与微处理机可分为两个独立部分，传感器输出信号经处理和转化后由接口送入微处理机部分进行运算处理。这类智能传感器主要由传感器、微处理器及其相关电路组成。传感器将被测物理量转换成对应电信号,送到信号调理电路中,进行滤波、放大、模-数转换后,送到微处理机中。微处理机是智能传感器关键,它不但能够对传感器测量数据进行计算、存放、数据处理,还能够经过反馈回路对传感器进行调整。因为微处理机充分发挥各种软件功效,能够完成硬件难以完成任务,从而大大降低了传感器制造难度,提升了传感器性能,降低了成本。,64,第64页,微型计算机或微处理机是智能式传感器关键。传感器信号经一定硬件电路处理后，以数字信号形式进入计算机，于是计算机即可依据其内存中驻留软件实现对测量过程各种控制、逻辑判断和数据处理以及信息输送等功效，从而使传感器取得智能。,在智能传感器中，其,控制功效、数据处理功效和数据传输功效,尤为主要。实际上，为了使智能式传感器真正含有智能，控制功效就应该包含：键盘控制功效、量程自动切换功效、多路与多路通道切换功效、数据极限判断与越限报警功效、自诊疗与自校正功效。,比如为使智能式传感器含有自校正功效，在传感器系统设计时，可考虑预留一路模拟量输入通道作自校正用，然后经过计算机编程实现自校正。,65,第65页,该程序执行步骤为：所用微机先向/转换口输出一个定值(固定代码)，经DAC变换为对应模拟电压值，再送到/通路自校正输入端。今后，由微机开启ADC，待/转换结束，再取回转换结果值，并与原送出代码进行比较。如结果相符或误差在允许范围内，则认为自校正功效正常。若感觉仅在一点上进行自校正还不能说明问题，能够设置 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3个自校正点，如可设置其零点、中点及满刻度点为自校正点，并分三次比较。经过比较和判断，确定输入、输出以及接口等是否正常。,66,第66页,2、传感器智能化实例,下列图是智能式应力传感器硬件结构图。智能式应力传感器用于测量飞机机翼上各个关键部位应力大小，并判断机翼工作状态是否正常以及故障情况。它共有6路应力传感器和1路温度传感器，其中每一路应力传感器由4个应变片组成全桥电路和前级放大器组成，用于测量应力大小。温度传感器用于测量环境温度，从而对应力传感器进行误差修正。采取8031单片机作为数据处理和控制单元。多路开关依据单片机发出命令轮番选通各个传感器通道，0通道作为温度传感器通道，16通道分别为6个应力传感器通道。程控放大器则在单片机命令下分别选择不一样放大倍数对各路信号进行放大。该智能式传感器含有较强自适应能力，它能够判断工作环境原因改变，进行必要修正，以确保测量准确性。,67,第67页,智能式应力传感器硬件结构图,68,第68页,智能式应力传感器含有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、打印键盘监控及经过串口与计算机通信功效。其软件采取模块化和结构化设计方法，软件结构如图所表示。主程序模块完成自检、初始化、通道选择以及各个功效模块调用功效。其中信号采集模块主要完成数据滤波、非线性赔偿、信号处理、误差修正以及检索查表等功效。故障诊疗模块任务是对各个应力传感器信号进行分析，判断飞机机翼工作状态及是否存在损伤或故障。键盘输入及显示模块含有以下任务：,69,第69页,查询是否有键按下，若有键按下则反馈给主程序模块，主程序模块依据键意执行或调用对应功效模块；,显示各路传感器数据和工作状态。输出打印模块主要控制模拟量输出以及控制打印机完成打印任务。通信模块主要控制RS232串行通信口和上位微机发通信。,70,第70页,智能式应力传感器软件结构图,71,第71页,四、集成智能传感器,1、集成智能传感器发展方向,集成电路和微机械工艺促进了传感器技术发展，改变了传感器作为单纯物理量转换传统概念。当前，传感器发展主要集中在集成化和智能化两个方面。,72,第72页,传感器集成化是指将多个功效相同或不一样敏感器件制作在同一个芯片上组成传感器阵列。集成化主要有三个方面含义：,一是将多个功效完全相同敏感单元集成在同一个芯片上，用来测量被测量空间分布信息,，比如压力传感器阵列或我们熟知CCD器件；,二是对多个结构相同、功效相近敏感单元进行集成，,比如将不一样气敏传感元集成在一起组成“电子鼻”，利用各种敏感元对不一样气体交叉敏感效应，采取神经网络模式识别等先进数据处理技术，能够对组成混合气体各种成份同时监测，得到混合气体组成信息，同时提升气敏传感器测量精度;这层含义上集成,还有一个情况是将不一样量程传感元集成在一起，能够依据待测量大小在各个传感元之间切换，在确保测量精度同时，扩大传感器测量范围；三是指对不一样类型传感器进行集成，,比如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元传感器，能同时测到环境中物理特征或化学参量，用来对环境进行监测。,73,第73页,集成电路和各种传感器特征尺寸已到达亚微米和深亚微米量级，因为非电子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其体积、重量、价格等减小。智能化是将传感器(或传感器阵列)与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上。系统能够经过电路进行信号提取和信号处理，依据详细情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准和自诊疗，并能依据待测物理量大小及改变情况自动选择量程和测量工作方式。,和经典传感器相比，集成智能传感器能够减小系统体积，降低制造成本，提升测量精度，增强传感器功效，是当前国际上传感器研究热点，也是未来传感器发展主流。,74,第74页,2、智能传感器研究热点,1）物理转化机理,理论上讲，有很各种物理效应能够将待测物理量转换为电学量。在智能传感器出现之前，为了数据读取方便，人们选择物理转化机理时，被迫优先选择那些输入输出传递函数为线性转化机理，而舍弃掉其它传递函数为非线性，但含有长久稳定性、准确性等性质转换机理或材料。因为智能传感器能够很轻易对非线性传递函数进行校正，得到一个线性度非常好输出结果，从而消除了非线性传递函数对传感器应用制约，所以一些科研工作者正在对这些稳定性好、准确度高、灵敏度高转换机理或材料重新进行研究。,75,第75页,2）数据融合理论,数据融合是智能传感器理论主要领域，也是各国研究热点。数据融合经过分析各个传感器信息，来取得更可靠、更有效、更完整信息，并依据一定标准进行判断，作出正确结论。对于由多个传感器组成阵列，数据融合技术能够充分发挥各个传感器特点，利用其互补性、冗余性，提升测量信息精度和可靠性，延长系统使用寿命，进而实现识别、判断和决议。,76,第76页,多传感器系统融合中心接收各传感器输入信息，得到一个基于多传感器决议联合概率密度函数，然后按一定准则作出最终决议。融合中心惯用融合方法有错误率最小化法、NP法、自适应增强学习法、广义证据处理法等等。传感器数据融合是传感器技术、模式识别、人工智能、含糊理论、概率统计等交叉新兴学科，当前还有许多问题没有处理，如最优分布检测方法、数据融合分布式处理结构、基于含糊理论融合方法、神经网络应用于多传感器系统、多传感器信号之间相互耦合、系统功效配置及冗余优化设计等，这些问题也是当今数据融合理论研究热点。,77,第77页,3）CMOS工艺兼容传感器制造与集成封装技术,集成式微型智能传感器是受集成电路制作工艺牵引而发展起来，怎样充分利用已经行之有效大规模集成电路制作技术，是智能传感器降低成本，提升质量，增加效益，批量生产最可行，最有效路径。但传统微机械传感器制作工艺与CMOS工艺兼容性较差。为了确保加工应力能完全松弛，微机械结构需要长时间高温退火；而为了成功地实施必要曝光，CMOS技术需要非常平整表面，这就造成了矛盾。因为假如先完成机械加工工序，基底平面性将会有所牺牲；假如先完成CMOS工序，基底将经受高温退火。这使得,传感器敏感单元与大规模集成电路进行单片集成时产生困难，,限制了智能传感器向体积缩小、成本降低与生产效率提升方向发展。为了处理这个“瓶颈”问题，当前在研究二次集成技术同时，智能传感器工艺研究热点集中在,研制与CMOS工艺兼容各种传感器结构及其制造工艺流程上。,78,第78页,如前所述，因为非电子元件接口未能做到同等尺寸缩微，因而限制了其体积、重量等减小。当前，集成式微型智能传感器正朝着更高功效及轻、薄、短、小方向发展，传统封装技术将无法满足这些需求。对于新集成式微型智能传感器来说，相关,分离和封装问题,可能是其商品化最大障碍。现阶段，制造微机械加工设备和工艺与制造IC设备和工艺是紧密匹配，不过，封装技术还未能到达一样高匹配水准。即使单片集成式微型智能传感器商品化成功已能对传统封装技术产生一定程度影响，但仍需要进行广泛改进和提升。所以，一些新封装技术研究和开发已越来越得到人们重视，开发更先进封装形式及其技术也成为集成式微型智能传感器制造相关技术研究热点。,79,第79页,3、集成智能传感器系统举例,从前面讨论可知，智能传感器是“电五官”与“微电脑”有机结合，对外界信息含有检测、判断、自诊疗、数据处理和自适应能力集成一体化多功效传感器。这种传感器还含有与主机自动对话、自行选择最正确方案能力。它还能将已取得大量数据进行分割处理，实现远距离、高速度、高精度传输。当前，这类传感器即使尚处于研究开发阶段，不过已出现不少实用智能传感器。,80,第80页,混合集成压力智能传感器,混合集成压力智能传感器是采取二次集成技术制造混合智能传感器，下列图是混合智能传感器组成框图，即在同一个管壳内封装了微控制器、检测环境参数各种传感元件、连接传感元件和控制器各种接口/读出电路、电源管理器、晶振、电池、无线发送器等电路及器件，含有数据处理功效，而且能够依据环境参数改变情况，自主地开始测量或者改变测试频率，含有了智能化特点。智能传感器系统关键是Motorola企业 68HC11微控制器(MCU)，其中包含有内存、八位/、时序电路、串行通信电路。MCU与前台传感器间内部数据传递经过内部总线进行。,81,第81页,传感系统包含了温度传感器、压力传感器阵列、加速度传感器阵列、开启加速度计阵列、湿度传感器等各种传感器或传感器阵列。MCU将传感器测量数据转换为标准格式，并对数据进行储存，然后经过系统内无线发送器或RS-232 接口传送出去。传感器由6电池供电，功耗小于700，最少能够连续工作180天。整个智能传感器微系统体积仅仅为5cm,3,，相当于一个火柴盒那么大。,美国Honeywell企业研制DSTJ3000智能压差压力传感器，能在同一块半导体基片上用离子注入法配置扩散了压差、静压和温度三个敏感元件。整个传感器还包含转换器，多路转换器，脉冲调制器，微处理器和数字量输出接口等，并在EPROM中装有该传感器特征数据，以实现非线性赔偿。,82,第82页,混合智能传感器组成框图,83,第83页,
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