現(xiàn)代檢測技術(shù)導論-概論

1、現(xiàn)代檢測技術(shù)導論 主講：梅 濤 研究員 中國科學院合肥智能機械研究所教學計劃對象“檢測技術(shù)與自動化裝置” 研究生專業(yè)必修課目的掌握現(xiàn)代檢測技術(shù)的基本理論與方法；了解若干傳感器與檢測系統(tǒng)的設計與制造過程；具備傳感器與檢測系統(tǒng)的實際設計和應用能力；為后續(xù)的學位論文研究奠定基礎。主要內(nèi)容包括：檢測技術(shù)的基本概念；信息獲取理論；機械量的檢測原理與傳感器；物理量的檢測原理與傳感器；化學量的檢測原理與傳感器；生物量的檢測原理與傳感器；檢測電路與智能傳感器；傳感器與檢測系統(tǒng)應用?？荚嚪绞矫克拿麑W生分成一組，根據(jù)教師提出的大作業(yè)題目，完成調(diào)研、資料閱讀、方案設計，教師根據(jù)方案的可行性、表達的準確性和團隊的合作

2、精神評分。評分標準：方案可行性 50 基本概念 10 工作原理 10資料調(diào)研 10實現(xiàn)途徑 20 表達準確性 30 書面報告 10PPT報告 10口頭報告 10 團隊合作性 20 分工協(xié)作 10綜合協(xié)調(diào) 10第一章概論1.1傳感器的基本概念1.2傳感器的重要意義1.3檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢1.4 信息獲取科學簡介1.5 研究項目舉例1.6 傳感器的性能評價1.1傳感器的基本概念傳感器的定義：能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應的電子線路所組成。國家標準傳感器通用術(shù)語 英文：Sensor,

3、 Transducer傳感器的多學科交叉特性：運用物理、化學、生物敏感效應與機理，檢測物理、化學、生物量，通過必要的信息處理與提取，得到有用的信息。物理、化學、生物、信息四大學科交叉。 傳感器的主要分類方法： 按敏感原理分類：物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器 按檢測對象分類：物理量傳感器、化學量傳感器、生物量傳感器按功能分類：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、智能傳感器傳感器的命名方法： 主題詞 + 修飾語：1、主題詞：傳感器2、第一級修飾語：被測量3、第二級修飾語：敏感原理4、第三級修飾語：特征描述5、第四級修飾語：主要技術(shù)指標例如：20kg雙孔梁型電阻應變式稱重傳感器1.2傳感器的重要意義國家安全

4、和國民經(jīng)濟對傳感器具有重大需求煤礦瓦斯監(jiān)測與安全預警爆炸、毒害物探測與反恐預警 需要高靈敏、高可靠、快速響應化學傳感器； SARS、禽流感等突發(fā)性流行病的快速診斷與預防 需要具有快速分析能力的生物傳感器 美國提出2017年控制太空，我國應發(fā)展反空間控制的物理傳感器。 我國傳感器產(chǎn)業(yè)與世界存在巨大差距： 世界上有2萬多種傳感器，而我國僅能生產(chǎn)3000種； 世界傳感器市場790億美元，我國產(chǎn)品僅占1.4%。 目前的傳感技術(shù)難以完全滿足國家需求主要問題：靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和可靠性較差； 創(chuàng)新能力不足，缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)； 中、高檔產(chǎn)品被國外壟斷，依賴進口； 關(guān)鍵技術(shù)受制于人，先進軍事裝備被禁運。

5、傳感器面臨技術(shù)落后瓶頸，需要新的突破！1.3檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢國際發(fā)展趨勢：微型化采用MEMS技術(shù)、納米技術(shù) 集成化采用IC技術(shù)和SOC技術(shù)等 智能化采用人工智能與信息融合技術(shù)學科發(fā)展趨勢：建立系統(tǒng)的信息獲取理論與方法技術(shù)創(chuàng)新趨勢：仿生學微納米技術(shù)傳感技術(shù)人類技術(shù)創(chuàng)新之源 = 生產(chǎn)實踐 + 模仿自然界仿生學為攻克信息獲取難關(guān)提供了新的科學途徑 技術(shù)創(chuàng)新趨勢生物具有奇妙的感知與控制能力尺寸20100m的單細胞生物纖毛蟲具有觸覺反饋控制能力；壁虎具有在天花板上倒立爬行的能力；飛蛾能夠嗅出1-2個分子量級的信息素；沙蟻能夠在沙漠中靠陽光準確定位。 仿生學的四個層次功能仿生 輸入輸出行為模仿結(jié)構(gòu)仿生

6、體系結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)模仿機理仿生 生物效應機理模仿組織仿生 生物分子、細胞和微結(jié)構(gòu)的模仿傳統(tǒng)仿生學現(xiàn)代仿生學 微納米技術(shù)是實現(xiàn)機理仿生和組織仿生的有效手段 特征尺寸：納米器件與系統(tǒng)： 0.1-100納米MEMS器件：100納米-1000微米生物細胞與微組織： 0.1納米-1000微米 世界各國紛紛將納米仿生技術(shù)納入國家研究計劃。螞蟻在1mm長的微型大橋模型旁 仿生學 + 微納米技術(shù) + 傳感器 仿生微納米傳感器 仿生學微納米技術(shù)傳感器解決傳感器目前存在的關(guān)鍵技術(shù)難點高靈敏度高選擇性高穩(wěn)定性高可靠性1.4 信息獲取理論與方法信息鏈 信息獲取信息處理信息傳輸信息應用信息獲取信息處理信息傳輸信息鏈信息

7、應用計算機科學與技術(shù) =信息處理無所不在通訊和網(wǎng)絡技術(shù) =信息傳輸無所不在自動化科學與技術(shù) =信息應用無所不在信息獲取 ？ = 無所不在 ？ 信息流的瓶頸！計算機科學與技術(shù)通信科學與技術(shù)信息獲取科學與技術(shù)信息科學與技術(shù)自動化科學與技術(shù) “信息獲取”是一個具有基礎性、前瞻性、戰(zhàn)略性的研究方向，五至十年后必將出現(xiàn)信息獲取無所不在的景象。存在的問題：（1）未從信息獲取科學的角度建立學科的理論基礎；（2）未能從系統(tǒng)的角度建立學科體系；（3）存在多學科交叉的復雜性。創(chuàng)立“信息獲取科學與技術(shù)學科” 是信息科學與技術(shù)發(fā)展的科學需求，符合科學發(fā)展的客觀必然性！ 信息獲取的哲學意義 哲學是人們對整個世界（自然界

8、、社會和思維）的根本觀點的體系，既關(guān)于世界觀的學說。哲學的根本問題是思維與存在、精神與物質(zhì)的關(guān)系問題。 信息獲取正是一門是將存在反映到思維、將物質(zhì)提升到精神的科學。 雖然客觀世界存在自然和社會兩種形式，我們將信息獲取科學所研究的對象限定為自然信息或稱為物質(zhì)信息。 信息獲取科學與技術(shù)的定義 信息獲取科學是在自然科學范疇內(nèi)研究被測對象的信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合和信息提煉機理與規(guī)律的一門自然科學。信息獲取技術(shù)是實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合和信息提煉的方法和手段。 Editorial, No. 1, Vol. 1, 2004 International Journal of Information Acquisi

9、tion 信息獲取的過程 信息獲取的過程是一個多層的信息融合過程，它包括了物質(zhì)層、數(shù)據(jù)層和特征層三個層次。 信息獲取的物質(zhì)基礎是物理、化學、生物敏感現(xiàn)象和過程，物質(zhì)層的作用就是從這些現(xiàn)象和過程中獲得被測信號敏感信息。 多傳感信號在數(shù)據(jù)層中被聚集在一起，實現(xiàn)對外界信息的數(shù)據(jù)表達傳感數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)在特征層中進行處理、特征提取和匹配，實現(xiàn)信息獲取的最終目標獲得感知信息。 物質(zhì)層數(shù)據(jù)層特征層敏感信息傳感數(shù)據(jù)感知信息被測環(huán)境物質(zhì)層M數(shù)據(jù)層D特征層C感知信息Y傳感數(shù)據(jù)YS敏感信號YT被測信息X干預信息 干擾信息 E 信息獲取的理論模型 信息獲取的理論基礎 神經(jīng)物理學生物物理學模式識別理論數(shù)據(jù)融合理論物理學化

10、學信 息 論生物學特征層數(shù)據(jù)層物質(zhì)層仿 生 學 信息獲取的學科體系信息獲取科學與技術(shù)物理型敏感材料與元件敏感材料與元件傳感器與儀器機器感知化學型敏感材料與元件生物型敏感材料與元件力學量傳感器與儀器物理量傳感器與儀器化學量傳感器與儀器結(jié)構(gòu)型敏感材料與元件機器視覺機器觸覺機器嗅覺機器味覺生物量傳感器與儀器機器聽覺信息獲取理論信息獲取的仿生學模型信息獲取的信息論模型國家重大基礎研究計劃項目 “BNI融合的微納傳感器與智能系統(tǒng)的基礎研究”1.5 研究項目舉例 總體目標 揭示生物特異性敏感效應與微納米結(jié)構(gòu)的關(guān)系； 探索微納米結(jié)構(gòu)敏感效應的基本規(guī)律； 建立仿生微納米結(jié)構(gòu)的可控生長與操控手段； 提出仿生微納

11、米傳感器與智能系統(tǒng)的設計理論； 建立仿生嗅覺傳感方法，并研制出原型器件； 研制出微納米機器人仿生感知控制系統(tǒng)原理樣機。信息獲取與智能系統(tǒng)的仿生途徑和原型器件微納米結(jié)構(gòu)的敏感效應與數(shù)學模型仿生傳感器與系統(tǒng)的微納米結(jié)構(gòu)制作方法微納米尺度下的生物敏感機理與仿生原理總體研究目標原理模型手段器件 主要研究內(nèi)容 主要研究內(nèi)容之一：微納米尺度下的生物敏感機理與仿生原理 以蛾類、壁虎、沙蟻、纖毛蟲為對象，在微納米尺度上研究生物嗅覺、觸覺、視覺器官的敏感機理和傳感控制機制，發(fā)現(xiàn)通過微納米結(jié)構(gòu)進行機理仿生的方法，并進一步探索生物和非生物材料相結(jié)合的組織仿生新途徑，為本項目奠定生物學基礎。飛蛾纖毛蟲沙蟻壁虎 主要研

12、究內(nèi)容之二： 微納米結(jié)構(gòu)的敏感特性與數(shù)學模型 針對仿生微納米結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)特點，進行實驗研究、理論分析和計算機模擬，揭示仿生微納米結(jié)構(gòu)敏感效應的基本規(guī)律，建立相應的數(shù)學模型、系統(tǒng)仿真模型和納米結(jié)構(gòu)操控模型，為本項目奠定理論基礎。可控外延結(jié)構(gòu)自組裝過程模擬（中科大 2003）納米絲照片及其原子模擬圖 主要研究內(nèi)容之三：仿生傳感器微納米結(jié)構(gòu)的可控生長與操控 針對仿生傳感器微納米結(jié)構(gòu)特點，發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的生長、控制和特性表征方法，建立納米結(jié)構(gòu)的加工、實驗平臺，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的按需制造，為仿生器件的研制提供實現(xiàn)手段。STM在單晶硅表面畫出的圖案（化學所）復雜納米結(jié)構(gòu)（固體所2004）納米光柵結(jié)構(gòu) （化學所20

13、04） 主要研究內(nèi)容之四：信息獲取與智能系統(tǒng)的仿生學原理和實現(xiàn)途徑 基于仿生原理、敏感規(guī)律和微納米加工技術(shù)，針對國家安全重大需求，建立易燃易爆、有毒有害物質(zhì)監(jiān)測的仿生嗅覺傳感方法，研制微納米機器人仿生感知控制系統(tǒng)原理樣機，在關(guān)鍵的信息獲取方法和智能系統(tǒng)方面取得突破。四單元氣敏陣列（智能所1995）32單元觸覺陣列（智能所1996）3mm無線游泳機器人（智能所2003） 研究方案仿生嗅覺傳感方法與器件 借鑒昆蟲嗅覺敏感機理，利用微納米結(jié)構(gòu)的化學和物理敏感現(xiàn)象，以爆炸物探測為對象建立仿生嗅覺傳感方法，為有毒有害、易燃易爆氣體的監(jiān)測與預警提供高靈敏度、高選擇性的智能傳感器原理樣機。 生物學原型：飛蛾

14、嗅覺系統(tǒng)飛蛾觸角的微結(jié)構(gòu)（動物所2004）感受器模式圖感受器的納米通道氣味分子受體觸角葉與其他輸入信號整合蕈體中樞神經(jīng)系統(tǒng)行為電子線路板電極陣列敏感材料人工神經(jīng)網(wǎng)絡納米孔陣列仿受體材料分子識別爆炸物微納米機器人仿生感知控制機理與原理樣機 模仿低等動物感知、控制、運動等智能行為，研究微納米寄生機器人傳感控制機理與方法，并研制出原理樣機，為發(fā)展新概念武器奠定基礎。 生物學原型：壁虎的粘附爬行機制 沙蟻的偏振光導航機理 纖毛蟲的觸覺反射機制纖毛蟲的運動機制壁虎的粘附爬行機制范德瓦爾斯力美國加利福尼亞大學伯克利分校Nature 405 (2000) 納米線陣列右上圖固體所（2001）聚碳酸脂模板制作的

15、硅橡膠絨毛左下圖美國（2003）利用硅模板制作的硅橡膠微米毛右下圖智能所（2005）驅(qū)動基板微米級剛毛納米級絨毛驅(qū)動電極與傳感器一對驅(qū)動電極施加電壓后，帶動一組微納米陣列偏轉(zhuǎn)，擠壓或脫離接觸表面。具有傳感控制能力的仿壁虎微納米粘附陣列概念設計圖（智能所2004）沙蟻的導航原理偏振光定位 納米結(jié)構(gòu)紅外線柵偏振器（固體所2002）納米偏振器金屬納米線陣列納米光柵結(jié)構(gòu) （化學所2004）課題三：仿生微納米結(jié)構(gòu)的敏感效應與數(shù)學模型課題四：仿生傳感器納米結(jié)構(gòu)的可控生長與操控課題一：動物感覺器官的微納米結(jié)構(gòu)與機理仿生原理課題二：生物組織的特異性敏感機理與組織仿生原理仿生原理數(shù)學模型實現(xiàn)手段課題五：仿生嗅覺

16、傳感方法與器件課題六：微納米機器人仿生感知控制系統(tǒng)原型器件研究方案檢測技術(shù)進入新的發(fā)展階段！1.6 傳感器性能評價 靜態(tài)特性量程、滿量程輸出靈敏度、交叉靈敏度精度（含線性度、遲滯、重復性）分辨率溫漂時漂量程是指傳感器適用的測量范圍，選擇好傳感器的量程是用好傳感器的前提。量程選擇過小會使傳感器長期工作在超負荷狀態(tài)，容易造成損壞。量程選擇過大會傳感器的實際測量誤差增加，達不到預期的檢測精度。滿量程輸出是指輸入從最小變化到最大時輸出信號的變化量，它與靈敏度密切相關(guān)，同時又對傳感器的精度評價起到了重要作用，因為所有誤差對傳感器精度的影響都是要與滿量程進行比較之后才能判定的。靈敏度k為傳感器輸出的變化量

17、y與引起該變化量的輸入變化量x之比，即：k=y/x靈敏度反映了傳感器對被測量的敏感程度，同時也與傳感器的信噪比密切相關(guān)。高靈敏度的傳感器得到的信號輸出較大，同時信噪比相對較低。因此在選擇傳感器時應盡量選擇靈敏度較高的傳感器，在靈敏度偏低的情況下應進一步考慮干擾、噪音信號的大小，以信噪比達到測量要求來衡量。非線性傳感器的靈敏度表示方式：S=R0/Rs （氣敏元件）交叉靈敏度：多維傳感器中某一對特定被測量敏感的檢測單元對其它被測量的靈敏度。 干擾！精度：傳感器在其測量范圍內(nèi)任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。線性度：對于線性輸出傳感器往往將標定數(shù)據(jù)與標準輸出直線進行比較，其最大誤差與滿量程輸出之比

18、。遲滯：傳感器在標定過程中加載輸出與卸載輸出之間的不重合性，加載與卸載輸出的最大差值的一半與滿量程輸出之比。重復性：傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次標定時的輸出不重合性，各次標定之間的最大誤差與滿量程輸出之比。分辨率：引起輸出量發(fā)生變化時輸入量的最小變化量與滿量程之比。溫漂：溫度變化對傳感器輸出所產(chǎn)生的影響，它是由溫度零漂和靈敏度溫漂兩項指標來表示。溫度零漂：傳感器的輸入信號為零時，溫度變化所產(chǎn)生的輸出差值與滿量程輸出和溫差之比。靈敏度溫漂：滿量程輸出隨溫度的變化情況，當溫度變化滿量程輸出差值與滿量程輸出和溫差之比。時漂：是衡量傳感器長期穩(wěn)定性的指標，一般是測量時間內(nèi)傳感器零點輸出變化的最大值，然后計算出單位時間內(nèi)與滿量程輸出相比的百分比。 動態(tài)特性 響應時間當輸入量階躍變化時，輸出量從開始變化到示值進入最終值的規(guī)定范圍內(nèi)所需要的最小時間。如：ts = 0.5s (5%) 響應頻率當輸入量為頻率從零開始逐漸增大的正弦波時，輸出量的幅值降低到靜態(tài)響應值的0.707時，所對應的頻率。 工作頻率當輸入量為頻率從零開始逐漸增大的正弦波時，輸出量的幅值降低到靜態(tài)響應值所允許的最大誤差時，所對應的頻率。 傳感器標定 靜態(tài)標定方法 動態(tài)標定方法 傳感器環(huán)境實驗參考書：孫傳友、孫曉