《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》配套PPT課件
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8-1．智能傳感器這一名稱在世界范圍內(nèi) ， 至今尚無公認(rèn)的定義 ， 但普遍認(rèn)為智能傳感器是“ 將一個(gè)或多個(gè)敏感元件和信號(hào)處理器集成在同一塊硅或砷化鋅芯片上的裝置 ”， 或者是 “ 一種帶微處理器并具有檢測(cè) 、 判斷 、 處理 、 記憶 、 思維等功能的傳感器 ”。 因此智能傳感器是一種帶有微處理器并擴(kuò)展了傳感器功能 ， 具有人的某些智能的新型傳感器 。
8-2．智能傳感器的組成框圖如圖 ８ １ 所示 。 它是一個(gè)最小的微機(jī)系統(tǒng) ， 通常裝在一個(gè)殼體內(nèi) ， 由傳感器 （ 傳感元件 ）、 信號(hào)調(diào)理電路 、 微處理器單元和通信接口等組成 。 傳感元件包括彈性敏感元件和變換器 ， 信號(hào)調(diào)理電路包括多路開關(guān) 、 儀用放大器 、 基準(zhǔn)電壓 、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器等 ， 微處理器單元包括微處理器 、 存儲(chǔ)器 、 輸入輸出接口電路 、 數(shù)模轉(zhuǎn)換器等 。
8-3．１． 高精度
智能傳感器通過自較零可去除零點(diǎn) ； 通過與標(biāo)準(zhǔn)參考基準(zhǔn)實(shí)時(shí)比對(duì)而自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)
定 ； 自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正 ； 通過對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理消除偶然
誤差的影響等 ， 從而保證高精度 。
２． 高可靠性與高穩(wěn)定性
由于智能傳感器能自動(dòng)補(bǔ)償因工作條件和環(huán)境參數(shù)變化引起的系統(tǒng)特性的漂移 ； 能隨
被測(cè)參數(shù)的變化自動(dòng)改變量程 ； 能實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢 、 分析 、 判斷其合理性 ， 并對(duì)異常情況作應(yīng)急處理等 ， 從而保證高可靠性與高穩(wěn)定性 。
３． 高信噪比與高分辨率
由于智能傳感器具有檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能 ， 能進(jìn)行數(shù)字濾波 、 分析計(jì)算 ， 可去除噪聲 ；通過數(shù)據(jù)融合 、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ， 消除多參數(shù)狀態(tài)下交叉靈敏度的影響 ， 使得在多參數(shù)狀態(tài)下
對(duì)特定參數(shù)的測(cè)量分辨率得到提高 ， 從而保證高信噪比與高分辨率 。
４． 自適應(yīng)性強(qiáng)
由于智能傳感器具有判斷 、 分析和處理的功能 ， 因此它能根據(jù)工作情況決策各部分的供
電情況 、 優(yōu)化與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送速率 ， 保證系統(tǒng)工作在最優(yōu)低功耗狀態(tài) 。
５． 高性價(jià)比
智能傳感器具有上述高性能 ， 而制造是采用低價(jià)的集成電路工藝和軟件來實(shí)現(xiàn) ， 因此具有高性價(jià)比 。
智能傳感器比傳統(tǒng)傳感器在功能上有了極大的拓展 ， 幾乎包含了測(cè)量設(shè)備的全部功能 ，
主要表現(xiàn)在以下幾方面 ：
１． 自校準(zhǔn)功能
操作者輸入零值或某一標(biāo)準(zhǔn)值后 ， 自校準(zhǔn)程序可以自動(dòng)進(jìn)行零位和增益等參數(shù)的在線
校準(zhǔn) 。
２． 自診斷功能
工作中 ， 可借助內(nèi)部檢測(cè)電路對(duì)異?，F(xiàn)象或故障進(jìn)行診斷 。
３． 檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能
對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 、 統(tǒng)計(jì)和修正 ， 進(jìn)行非線性 、 溫度 、 噪聲 、 漂移等誤差補(bǔ)償 。
４． 軟件組態(tài)功能
智能傳感器內(nèi)部具有多種硬件和軟件模塊 。 用戶可針對(duì)不同應(yīng)用目的 ， 通過操作指令 ，
改變其內(nèi)部硬件模塊和軟件模塊的組合 ， 來完成不同的功能 ， 實(shí)現(xiàn)多傳感 、 多參數(shù)的復(fù)合
測(cè)量 。
５． 信息存儲(chǔ)和記憶功能
能存儲(chǔ)各種歷史信息 、 參數(shù)和校正數(shù)據(jù)等 。
６． 雙向通信和數(shù)字輸出
能方便地與計(jì)算機(jī)連接 ， 實(shí)現(xiàn)信息的交換 。
8-4．1． 模塊化實(shí)現(xiàn)
模塊化智能傳感器為初級(jí)的智能傳感器 ， 它是將傳統(tǒng)傳感器 、 信號(hào)調(diào)理電路 、 帶數(shù)字總
線接口的微處理器等模塊裝配在同一殼體內(nèi)而構(gòu)成的智能傳感器 ， 如圖 ８ ２ 所示 。 這種傳感器由于集成度不高而導(dǎo)致體積較大 ， 但在目前的技術(shù)水平下 ， 仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式 。2． 集成化實(shí)現(xiàn)
集成智能傳感器又稱現(xiàn)代智能集成傳感器 ， 它的制作工藝與傳統(tǒng)傳感器完全不同 。 它
是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù) ， 利用半導(dǎo)體硅材料制作敏感元件 ， 將信號(hào)調(diào)理電路和微處理器等器件集成在一塊芯片上構(gòu)成的 。
3． 混合實(shí)現(xiàn)
這種傳感器是根據(jù)技術(shù)工藝的可能與實(shí)際的需要 ， 將智能傳感器的各個(gè)環(huán)節(jié) ， 如敏感單元 、 信號(hào)調(diào)理電路 、 微處理器單元 、 數(shù)字總線接口等 ， 以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上 ， 并裝在一個(gè)外殼里構(gòu)成的 。 這種結(jié)構(gòu)是目前智能傳感器采用較多的結(jié)構(gòu)形式 。
8-5．生物傳感器是利用各種生物體成分 ， 如酶 、 抗體 、 抗原 、 激素等或生物體本身 ， 如細(xì)胞 、 細(xì)胞體等 ， 把它們作為傳感器的敏感材料固定在高分子人工膜等固定載體上 ， 用于檢測(cè)和設(shè)別被測(cè)生物體內(nèi)的化學(xué)成分 ， 并通過一種合適的換能器將其產(chǎn)生的物理量 、 化學(xué)量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器 。
8-6 略。
8-7．生物敏感膜是利用生物體內(nèi)具有奇特與敏感功能的生物物質(zhì)固定在基質(zhì)或載體上構(gòu)成
的 。 它具有專一性與選擇親和性 ， 可進(jìn)行分子識(shí)別 ， 因此也稱為分子識(shí)別元件 。 生物敏感膜是生物傳感器的關(guān)鍵元件 ， 它決定著傳感器的功能和質(zhì)量 。
8-8．當(dāng)固定在基質(zhì)上的生物分子與測(cè)定目標(biāo)分子完成分子識(shí)別后會(huì)發(fā)生特定的生物化學(xué)反
應(yīng) ， 如化學(xué)變化 （ 含量 、 離子強(qiáng)度 、ｐＨ值 、 氣體生成等 ）、 熱焓變化 、 光變化 、 顏色變化等 ， 此時(shí) ，不同的物理 化學(xué)變換器將這些變化的信號(hào)捕獲并轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào) 。 其中有測(cè)定氧氣量變化的 Ｃｌａｒｋ 氧電極 、 測(cè)定過氧化氫量變化的過氧化氫電極 、 測(cè)定ｐＨ值變化的氫離子電極 、 測(cè)量氨氣生成量的氨敏電極 、 測(cè)定二氧化碳生成量的二氧化碳電極以及測(cè)定離子強(qiáng)度變化的離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管等 ； 用熱電偶可以把熱焓變化轉(zhuǎn)化為電勢(shì)輸出 ； 用光電傳感器可以把光變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 。
8-9．微機(jī)電系統(tǒng)通常簡稱 ＭＥＭＳ ， 原聯(lián)邦德國教研部 １９９４ 年給出的定義為 ： 若將傳感器 、信號(hào)處理器和執(zhí)行器以微型化的結(jié)構(gòu)形式集成為一個(gè)完整的系統(tǒng) ， 而該系統(tǒng)具有 “ 敏感 ”、“ 決定 ” 和 “ 反應(yīng) ” 的能力 ， 則稱這樣一個(gè)系統(tǒng)為微系統(tǒng)或微機(jī)電系統(tǒng) 。 它是多學(xué)科的交叉技術(shù) ， 涉及精密機(jī)械 、 材料 、 制造 、 微電子 、 控制 、 物理 、 化學(xué) 、 力學(xué)和生物等多學(xué)科技術(shù) 。 其中大量應(yīng)用的各種材料的特性和在微米或納米尺度下的加工制作方法都具有特殊性 ， 不能照搬傳統(tǒng)的材料理論 、 研究方法和工藝加工技術(shù) 。
對(duì)于一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)通常具有以下典型的特點(diǎn) ：
（ １ ） 零件微型化 。
（ ２ ） 受制造工藝和方法的限制 ， 結(jié)構(gòu)零件一般為兩維的 、 扁平零件 。
（ ３ ） 系統(tǒng)所用材料基本上為半導(dǎo)體材料 ， 但也越來越多地使用塑料材料 。
（ ４ ） 系統(tǒng)各部分被集成為相應(yīng)獨(dú)立的子系統(tǒng) ， 如傳感器 、 處理單元 、 執(zhí)行器等 。
由于微機(jī)電系統(tǒng)的主要特征之一是它的微型化結(jié)構(gòu)和尺寸 ， 因此 ， 其零件的加工一般采用特殊方法 ， 通常采用微電子技術(shù)中普遍采用的對(duì)硅的加工工藝以及精密制造與微細(xì)加工
技術(shù)中對(duì)非硅材料的加工工藝 ， 如蝕刻法 、 沉積法 、 腐蝕法 、 微加工法等 。
8-10．隨著微機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展 ， 作為它的一個(gè)組成部分的微型傳感器也得到了長足發(fā)展 。微型傳感器是尺寸微型化的傳感器 ， 它是利用集成電路工藝和微組裝工藝 ， 基于各種物理效應(yīng)的機(jī)械 、 電子元器件集成在一個(gè)基片上的傳感器 。
（ １ ） 空間占有率小 。 對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響小 ， 能在不擾亂周圍環(huán)境 ， 接近自然的狀態(tài)下獲
取信息 。
（ ２ ） 靈敏度高 ， 響應(yīng)速度快 。 由于慣性和熱容量很小 ， 僅用極小能量即可使溫度變化或
者產(chǎn)生動(dòng)作 ， 能實(shí)時(shí)跟蹤局部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 。
（ ３ ） 便于集成化和多功能化 。 能將多種傳感器集成在一起把握微小部位的綜合狀態(tài) ；
也可將信號(hào)處理單元和驅(qū)動(dòng)部分與傳感元件集成一體 ， 實(shí)現(xiàn)智能化和多功能化 。
（ ４ ） 可靠性高 。 應(yīng)用半導(dǎo)體微加工技術(shù)能避免因組裝引起的特性偏差 ； 將微型傳感器
與集成電路集成在一起可解決寄生電容和導(dǎo)線過多的問題 ， 還能實(shí)現(xiàn)自診斷和自校準(zhǔn)功能 。
（ ５ ） 消耗小 ， 可節(jié)能 。
（ ６ ） 價(jià)格低廉 。
8-11．（一）壓阻式微型傳感器
（二）電容式微型傳感器
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