傳感器第七章課件

傳感器原理及應(yīng)用(學(xué)分:2學(xué)時(shí):32)電話:68146639第七章其它傳感器一、光電式傳感器二、氣、濕敏傳感器三、磁敏式傳感器四、輻射式傳感器五、數(shù)字式傳感器六、光纖傳感器七、生物分子傳感器八、仿生傳感器九、超導(dǎo)傳感器十、智能式傳感器十一、微波傳感器一、光電式傳感器光電式傳感器是以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，將光量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。光電式傳感器由于反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信、檢測與工業(yè)自動控制等各個(gè)領(lǐng)域中。

x1光源光通路光電器件測量電路光量光量電量x2輸出X1——被測量直接引起光源光量的變化X2——被測量在光傳播過程中調(diào)制光量對光量的調(diào)制方法：650nmLD2、半導(dǎo)體激光二極管帶尾纖大功率LD1.55umLD模塊808nm大功率LD金屬金屬氧化物半導(dǎo)體光照電子——光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理光照半導(dǎo)體電子在物體內(nèi)部運(yùn)動內(nèi)光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照電子逸出物體表面外光電效應(yīng)1、定義及分類——只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功時(shí)，才能產(chǎn)生光電子，紅限頻率——光電流與入射光強(qiáng)成正比——光電子逸出物體表面具有初始動能，負(fù)截止電壓——從光照至發(fā)射電子，時(shí)間<10-9s2、外光電效應(yīng)電子吸收光子能量克服物質(zhì)的束縛，電子逸出功轉(zhuǎn)化為逸出電子的動能3、內(nèi)光電效應(yīng)光生電子-空穴對光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池、CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理（光固態(tài)圖像傳感器）（1）結(jié)構(gòu)CCD是由若干個(gè)電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器，如(a)所示。它以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。圖MOS電容器（a）MOS電容截面；（b）勢阱圖1.火焰探測報(bào)警器圖是采用以硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。圖火焰探測報(bào)警器電路圖光電傳感器的應(yīng)用對射式光電開關(guān)鑒別不同高度物體高度判別缺件剔除料位控制缺料檢測或計(jì)數(shù)機(jī)械手控制磁磚完好性檢測對射式光纖傳感器圍墻監(jiān)護(hù)警戒遠(yuǎn)距對射式光電開關(guān)庫房衛(wèi)士安全警戒斜度檢測擴(kuò)散反射式光電開關(guān)裂縫檢測鏡面反射式光電開關(guān)透明玻璃瓶檢測長度控制螺絲長度和有無的檢測斷線監(jiān)測反射式光纖傳感器元件檢測印板定位限距式光電開關(guān)產(chǎn)品計(jì)數(shù)液位檢測氣流量監(jiān)測檢測有無蓋槽型光電開關(guān)起重機(jī)位置控制定長剪切脈沖發(fā)生器光電開關(guān)式標(biāo)志傳感器透明薄膜上標(biāo)志檢測電度表轉(zhuǎn)速檢測儀表指針位置檢測標(biāo)志檢測光幕傳感器自動裝配機(jī)的侵入檢測機(jī)器人工作區(qū)安全檢測車庫門車輛通過檢測上料機(jī)和卸料機(jī)的侵入檢測二、氣、濕敏傳感器一、氣敏傳感器

氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多．性質(zhì)各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，因此，能實(shí)現(xiàn)氣—電轉(zhuǎn)換的傳感器種類很多。按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前實(shí)際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面、還是在內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩類；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，又可分為電阻型（電導(dǎo)控制型、金屬氧化物半導(dǎo)體器件）和非電阻型（電壓控制型、MOS器件）兩種。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)，其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度；而非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件根據(jù)其對氣體的吸附和反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性變化對氣體進(jìn)行直接或間接檢測。

自從60年代研制成功SnO2(氧化錫)半導(dǎo)體氣敏元件后，氣敏元件進(jìn)入了實(shí)用階段。SnO2敏感材料是目前應(yīng)用最多的一種氣敏材料，它已廣泛地應(yīng)用于工礦企業(yè)、民用住宅、賓館飯店等內(nèi)部對可燃?xì)怏w和有害氣體的檢測。半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理

半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱悾鼈儽环Q為還原型氣體或電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)一般不超過1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。圖N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

圖氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件圖氣敏半導(dǎo)體傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型氣敏器件；(b)薄膜型器件；(c)厚膜型器件

濕度是指大氣中的水蒸氣的含量。通常采用絕對濕度和相對濕度兩種方法表示。一、絕對濕度與相對濕度1．絕對濕度絕對濕度是單位空間中所含水蒸氣的絕對含量（質(zhì)量）。若被測空氣的體積為V，被測空氣中水蒸氣的含量為mV，絕對濕度=V／mV。2．相對濕度相對濕度是指被測氣體中的水蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，—般用符號%RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，因此，它是一個(gè)無量綱的值。在實(shí)際使用中多使用相對濕度概念。雖然人類早已發(fā)明了毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)，但因其響應(yīng)速度、靈敏度、準(zhǔn)確性等性能都不高，而且難以與現(xiàn)代的控制設(shè)備相聯(lián)接，所以只適用于家庭。50年代后，陸續(xù)出現(xiàn)了電阻型等濕敏二、濕敏傳感器計(jì)，使?jié)穸鹊臏y量精度大大提高，但是，與其它物理量的檢測相比，無論是敏感元件的性能．還是制造工藝和測量精度都差得多、困難得多。原因是空氣中水蒸氣的含量少，而且在水蒸氣中，各種感濕材料涉及到的種種物理、化學(xué)過程十分復(fù)雜，目前尚未完全清楚所存在問題的原因。二、濕敏元件的特性參數(shù)1．濕度量程濕度測量的全量程為0％～100％RH。但對一種具體的傳感器一般是無法覆蓋全量程的，所以濕度傳感器的標(biāo)稱量稱越大，使用的價(jià)值就越大。2．相對濕度特性曲線濕敏元件的感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等隨環(huán)境相對度變化關(guān)系曲線。通常希望這種曲線在在全量程上是連續(xù)的，并呈線性關(guān)系。3．靈敏度及其溫度系數(shù)靈敏度就是相對濕度特性曲線的斜率。靈敏度的溫度系數(shù)就是相對濕度特性曲線與溫度間的關(guān)系。4．響應(yīng)時(shí)間當(dāng)環(huán)境相對濕度變化時(shí)，濕敏元件輸出的特征量隨之變化快慢的程度。當(dāng)然是越短越好。5．濕滯回線和濕滯回差吸濕和脫濕特征曲線的重合程度。原因是濕敏元件吸濕和脫濕的響應(yīng)時(shí)間不同。三、濕敏元件1．氯化鋰濕敏元件氯化鋰(LiCl)是電解質(zhì)濕敏元件的代表。它是利用電阻值隨環(huán)境相對濕度變化而變化的機(jī)理制成的測濕元件。氯化鋰濕敏元件的結(jié)構(gòu)是在條狀絕緣基片(如無堿玻璃)的兩面，用化學(xué)沉積或真空蒸鍍法做上電極，再浸漬一定比例配制的氯化理—聚乙烯醇混合溶液。經(jīng)老化處理，便制成了氯化理濕敏元件，其結(jié)構(gòu)如右圖(a)所示。氯化鋰是典型的離子晶體。實(shí)踐證明，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。氯化鋰濕敏元件的電阻值—濕度特性如上圖(b)所示。由圖可知，在50％～80％相對濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度的變化成線性關(guān)系。為了擴(kuò)大濕度測量的線性范圍，可以采用幾支浸漬不同濃度氯化鋰的濕敏元件組合使用。氯化鋰濕敏元件的檢濕優(yōu)點(diǎn)是滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測精度高達(dá)±5%。缺點(diǎn)是耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測量。若用作露點(diǎn)檢測，濕敏元件必須3個(gè)月左右清洗1次和涂敷(浸漬)氯化鋰，故維護(hù)麻煩。2．半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)成多孔陶瓷，這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷；最后一種(Fe3O4)的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)瓷。無論是負(fù)特性，還是正特性的濕敏元件的工作機(jī)理至今尚無公認(rèn)。由左下圖和右下圖知，當(dāng)濕度從0％RH變化到100％RH時(shí)，負(fù)特性材料的阻值均下降3個(gè)數(shù)量級，而正特性材料的阻值只增大了約1倍。返回三、磁敏式傳感器磁敏傳感器磁場電能測量原理：半導(dǎo)體材料中的自由電子及空穴隨磁場改變其運(yùn)動方向結(jié)構(gòu)結(jié)型體型霍爾傳感器磁敏電阻——磁敏二極管磁敏三極管——1．霍爾器件及其特性1)霍爾器件

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應(yīng)。圖為霍爾效應(yīng)原理圖。如圖所示,在厚度為d的半導(dǎo)體長方形薄片上形成四個(gè)電極,寬度為w的控制電極①和②之間通直流電流Ic,而在垂直于半導(dǎo)體薄片表面的方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí),則在長度為l的電極③和④之間根據(jù)式(8.28)的原理產(chǎn)生霍爾電壓。圖霍爾電壓形成的定性說明(a)磁場為0時(shí)電子在半導(dǎo)體中的流動;(b)電子在勞倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn);(c)電荷積累達(dá)到平衡時(shí),電子在流動磁阻（MR）器件我們已經(jīng)知道磁場中運(yùn)動的載流子因受到勞倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。載流子運(yùn)動方向的偏轉(zhuǎn)起了加大電阻的作用。磁場越強(qiáng),增大電阻的作用就越強(qiáng)。外加磁場使半導(dǎo)體（或?qū)w）的電阻隨磁場的增大而增加的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。磁二極管(SMD)在外磁場的作用下,半導(dǎo)體中的載流子受到勞倫茲力而偏轉(zhuǎn)。這樣偏轉(zhuǎn)到半導(dǎo)體表面的電子和空穴進(jìn)行復(fù)合而消失。這與半導(dǎo)體表面的狀態(tài)有關(guān)。在粗糙的表面上,電子和空穴的復(fù)合進(jìn)行得迅速。因此,電磁場引起載流子偏轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體表面做成粗糙（或光滑）面,而其反面則做成光滑（或粗糙）的表面時(shí),根據(jù)電流的方向不同,將改變電導(dǎo)率而觀察到整流效應(yīng)。圖SMD的原理磁敏三極管磁敏三極管也是以長基區(qū)為主要特征,以鍺管為例,其結(jié)構(gòu)示意和工作原理如圖返回四、輻射式傳感器輻射式傳感器包括：紅外傳感器、核輻射傳感器、超聲波傳感器。紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖12-1所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。

圖電磁波譜圖

紅外探測器（傳感器）紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。紅外傳感器的應(yīng)用1.紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。核輻射及其性質(zhì)眾所周知，各種物質(zhì)都是由一些最基本的物質(zhì)所組成。人們稱這些最基本的物質(zhì)為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數(shù)Z而有不同的質(zhì)子數(shù)A的原子所構(gòu)成的元素稱同位素。假設(shè)某種同位素的原子核在沒有外力作用下，自動發(fā)生衰變，衰變中釋放出α射線、β射線、γ射線、X射線等，這種現(xiàn)象稱為核輻射。而放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。實(shí)驗(yàn)表明，放射源的強(qiáng)度是隨著時(shí)間按指數(shù)定理而減低的，即式中：J0——開始時(shí)的放射源強(qiáng)度；J——經(jīng)過時(shí)間為t以后的放射源強(qiáng)度；λ——放射性衰變常數(shù)核輻射探測器核輻射探測器又稱核輻射接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。核輻射探測器的作用是將核輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而探測出射線的強(qiáng)弱和變化。由于射線的強(qiáng)弱和變化與測量參數(shù)有關(guān)，因此它可以探測出被測參數(shù)的大小及變化。這種探測器的工作原理或者是根據(jù)在核輻射作用下某些物質(zhì)的發(fā)光效應(yīng)，或者是根據(jù)當(dāng)核輻射穿過它們時(shí)發(fā)生的氣體電離效應(yīng)。當(dāng)前常用的核輻射探測器有：電離室、正比計(jì)數(shù)管、蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)器和半導(dǎo)體探測器等。激光制導(dǎo)航彈及引導(dǎo)頭示意圖242413激光制導(dǎo)航彈及引導(dǎo)頭原理超聲波傳感器超聲技術(shù)是一門以物理學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)、應(yīng)用十分廣泛通用技術(shù)之一。在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)行，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率等具有重要的意義。超聲波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超聲振動輻射大小不同大致可分為：利用超聲波使物體或物件發(fā)生變化的功率應(yīng)用，稱之謂功率超聲；利用超聲波獲取若干信息，稱之謂檢測超聲。這兩種超聲的應(yīng)用，同樣需要借助于超聲波傳感器(換能器或探頭)來實(shí)現(xiàn)。目前，超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、船舶、機(jī)械、醫(yī)療等各個(gè)工業(yè)部門，例如超聲清洗、超聲焊接、超聲加工、超聲檢測和超聲醫(yī)療等方面，并取得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。一、超聲波的基本特性超聲波是高于聽覺頻率閾值的機(jī)械振動，其頻率在104Hz～1012Hz之間，其中常用的頻率大約在104Hz～3×106Hz之間。超聲波在聲場（被超聲所充滿的空間）傳播時(shí)，如果超聲波的波長與聲場的尺度相比，遠(yuǎn)小于聲場的尺度，超聲波就像處在一種無限介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由地向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中產(chǎn)生如下特性和作用。超聲波傳感器

能將（交流）電信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動而向介質(zhì)中輻射（發(fā)射）超聲波，或?qū)⒊晥鲋械臋C(jī)械振動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的裝置稱為超聲波換能器（或稱為探測器、傳感器、探頭）。超聲波傳感器一般都是可逆的，既能發(fā)射也能接收發(fā)射超聲波。超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)可分為直探頭、斜探頭、雙探頭、液浸探頭和聚焦探頭等。超聲波探頭按其工作原理又可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。最常用的是壓電式探頭。1.普通型超聲波傳感器⑴直探頭壓電式直探頭主要由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護(hù)膜組等成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電晶片多為圓板形，其厚度與超聲波頻率成反比。例如，厚度為1mm晶片的自然頻率約為1.89MHz；厚度為0.7mm晶片的自然頻率約為2.5MHz。壓電晶片的兩面鍍有銀層，作導(dǎo)電的極扳，阻尼塊的作用是降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。如果沒有阻尼塊，當(dāng)激勵(lì)的電脈沖信號停止時(shí)，晶片將會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使分辨率變差。B型超聲波診斷儀B型超聲波診斷儀(簡稱為B超，其成像方式稱為B型成像方式)是在M型診斷儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的輝度調(diào)制(BrightnessModulation)式診斷儀。B型成像方式所得到的是與聲束傳播方向垂直的物體斷面的圖像，聲束沿z方向傳播，沿x方向掃描，逐次照射物體的不同區(qū)域，并接收聲B超的電子扇形掃描手動移動掃描位置束所達(dá)區(qū)域內(nèi)物體的散射聲信號，將聲信號幅度調(diào)制成熒光屏上相應(yīng)位置的光點(diǎn)亮度,從而獲得聲束掃描斷面內(nèi)與聲散射信號幅度對應(yīng)的圖像。掃描方式主要有線掃描和扇形掃描兩種。B超所使用的換能器多為線陣聚焦/掃描型，典型陣元數(shù)為256，外形如作下圖所示。B超換能器外形圖腎臟的B超圖像右下圖是腎臟的B超圖像返回五、數(shù)字式傳感器隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用泛應(yīng)用，信號的檢測、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化時(shí)代。通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用微機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理進(jìn)行處理，這種方法簡便亦行，但系統(tǒng)的構(gòu)成也很復(fù)雜。數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問題而出現(xiàn)的，它能把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。目前，常用的數(shù)字式傳感器有四大類：(1)柵式數(shù)字傳感器；(2)編碼器；(3)頻率/數(shù)字輸出式數(shù)字傳感器；(4)感應(yīng)同步器式的數(shù)字傳感器。5.1柵式數(shù)字傳感器一、柵式數(shù)字傳感器的分類根據(jù)柵式數(shù)字傳感器的工作原理，可分為光柵和磁柵兩種。光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光電器件。按其原理和用途，它又可分為物理光柵都計(jì)量光柵。物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長等量的測量。計(jì)量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測量位移、速度、加速度、振動等物現(xiàn)量。計(jì)量光柵又有透射光柵相反射光柵之分，具體制作時(shí)又可制作成線位移的長光柵和角位移的圓光柵。5.2編碼器編碼器主要分為脈沖盤式和碼盤式兩大類：

脈沖盤式編碼器不能直接輸出數(shù)字編碼，需要增加有關(guān)數(shù)字電路才可能得到數(shù)字編碼。而碼盤式編碼器能直接輸出某種碼制的數(shù)碼(后面將詳細(xì)說明)。這兩種形式的數(shù)字傳感器，由于它們具有高精度、高分辨率和高可靠性，已被廣泛應(yīng)用于各種位移量的測量。目前，使用最多的是光電編碼器，本節(jié)將重點(diǎn)予以介紹。碼盤式編碼器也稱為絕對編碼器，它將角度或直線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼，能方便地與數(shù)字系統(tǒng)(如微機(jī))聯(lián)接。編碼器按其結(jié)構(gòu)可分為接觸式、光電式和電磁式三種，后兩種為非接觸式編碼5.3感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器時(shí)20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的一種高精度位移（直線位移、角位移）傳感器。按其用途可分為兩大類：①測量直線位移的線位移感應(yīng)同步器；②測量角位移的圓盤感應(yīng)同步器。一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)定律把位移量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器。它的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)平面形的矩形線圈，它們相當(dāng)于變壓器的初、次級繞組，通過兩個(gè)繞組間的互感量隨位置變化來檢測位移量的。返回六、光纖傳感器光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一定的優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。光纖傳感器能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等70多個(gè)物理量的測量，在自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報(bào)警等方面具有極為廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理1.光纖結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱光纖，它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，結(jié)構(gòu)如圖8-33所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料，以增加機(jī)械強(qiáng)度。圖光纖的基本結(jié)構(gòu)2.光纖傳光原理眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。設(shè)有一段圓柱形光纖，如圖所示，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。圖光纖的傳光原理光纖傳感器1.光纖傳感器的工作原理及組成光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。外界信號可能引起光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（FunctionalFiber，縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化，這類傳感器稱為非功能型（NonFunctionalFiber，縮寫為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖所示。圖光纖傳感器組成示意圖醫(yī)用內(nèi)窺鏡通過手柄控制光纖偏轉(zhuǎn)，傳輸圖像失真小診斷人體各部位疾病、進(jìn)行外科手術(shù)的重要儀器光纖位移傳感器光電轉(zhuǎn)換放大器A/D單片機(jī)顯示光纖風(fēng)速計(jì)檢測電路空氣流動→風(fēng)輪轉(zhuǎn)動→齒輪傳動→凸輪轉(zhuǎn)動→遮光→光脈沖→電信號→風(fēng)速避免受雷電干擾返回七、生物分子傳感器人們把用固定化的生物體成分：酶、抗原、抗體、激素等，或生物體本身：細(xì)胞、細(xì)胞體（器）、組織作為敏感元件的傳感器稱為生物分子傳感器或簡稱生物傳感器。（p267)返回八、仿生傳感器仿生學(xué)就是利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)把生物體或人的行為和思維進(jìn)行部分模擬的科學(xué)。機(jī)器人是一個(gè)典型的仿生裝置?？茖W(xué)家和工程技術(shù)人員對人的種種行為如視覺、聽覺、嗅覺和思維等進(jìn)行模擬，研制了自動捕獲信息、處理信息、模仿人類的行為裝置-----仿生傳感器。仿生傳感器的典型代表就是機(jī)器人所用的傳感器，一般可以分為機(jī)器外部傳感器（感覺傳感器）和內(nèi)部傳感器兩大類。其內(nèi)部傳感器的功能是測量運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)，以使機(jī)器人按規(guī)定的位置、軌跡、速度、加速度和受力大小進(jìn)行工作。機(jī)器人的外部傳感器的功能是識別工作環(huán)境，為機(jī)器人信息，其目的是檢查對象物體、控制操作、應(yīng)付環(huán)境和修改程序。（p292)返回九、超導(dǎo)傳感器(p304)返回十、智能傳感器智能式傳感器（Intelligentsensor或Smartsensor）自20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)以來，隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。另外，為制造高性能的傳感器，光靠改進(jìn)材料工藝也很困難，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合來彌補(bǔ)其性能的不足。計(jì)算機(jī)技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大的變革，微處理器(或微計(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合，產(chǎn)生了功能強(qiáng)大的智能式傳感器。所謂智能式傳感器，就是一種帶有微處理機(jī)的，兼有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。傳感器與微處理機(jī)結(jié)合可以通過以下兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)：一是采用微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，即傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這就是我們指的一般意義上的智能傳感器,又稱傳感器的智能化。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。集成智能傳感器具有多功能、一體化、精度高、適宜于大批量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點(diǎn)，它是傳感器發(fā)展的必然趨勢，它的實(shí)現(xiàn)將取決于半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。傳感器與微處理機(jī)結(jié)合可以通過以下兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)：一是采用微處理機(jī)或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以強(qiáng)化和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，即傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這就是我們指的一般意義上的智能傳感器,又稱傳感器的智能化。二是借助于半導(dǎo)體技術(shù)把傳感器部分與信號預(yù)處理電路、輸入輸出接口、微處理器等制作在同一塊芯片上，即成為大規(guī)模集成電路智能傳感器，簡稱集成智能傳感器。集成智能傳感器具有多功能、一體化、精度高、適宜于大批量生產(chǎn)、體積小和便于使用等優(yōu)點(diǎn)，它是傳感器發(fā)展的必然趨勢，它的實(shí)現(xiàn)將取決于半導(dǎo)體集成化工藝水平的提高與發(fā)展。

就目前來看，已有少數(shù)以組合形式出現(xiàn)的智能傳感器作為產(chǎn)品投入市場，如美國Honeywell公司推出的DSTJ-3000型硅壓阻式智能傳感器,ParScientific公司的1000系列數(shù)字式石英智能傳感器。我國也著手智能傳感器的開發(fā)與研究，主要是在現(xiàn)有使用的傳感器中，采用先進(jìn)的微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使之完成第一類途徑的智能化。智能傳感器因其在功能、精度、可靠性上較普通傳感器有很大提高，已經(jīng)成為傳感器研究開發(fā)的熱點(diǎn)。近年來，隨著傳感器技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也發(fā)展很快。發(fā)展高性能的以硅材料為主的各種智能傳感器已成為必然。智能傳感器的功能和構(gòu)成無論是傳感器的智能化，還是集成智能化傳感器，都是帶有微機(jī)的兼具檢測信息和處理信息功能的傳感器，可統(tǒng)稱為智能式傳感器。和傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下功能：①具有邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能。可對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時(shí)間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測量準(zhǔn)確度。②具有自診斷、自校準(zhǔn)功能?？稍诮油娫磿r(shí)進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時(shí)自行診斷測試，以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。

③具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能?？筛鶕?jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。④具有組態(tài)功能。可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測與使用范圍。⑤具有記憶、存儲功能?？蛇M(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的隨時(shí)存取，加快了信息的處理速度。⑥具有數(shù)據(jù)通訊功能。智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)軟件在智能傳感器中起著舉足輕重的作用。由于“電腦”的加入，智能傳感器可通過各種軟件對信息檢測過程進(jìn)行管理和調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài)，從而增強(qiáng)了傳感器的功能，提升了傳感器的性能。此外，利用計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)橐攒浖娌糠钟布?，可降低傳感器的制作難度。智能式傳感器系統(tǒng)一般構(gòu)成框圖如圖所示。其中作為系統(tǒng)“大腦”的微型計(jì)算機(jī)，可以是單片機(jī)、單板機(jī)，也可以是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖傳感器的智能化

傳感器的智能化概念傳感器的智能化指傳感器與微處理機(jī)可分為兩個(gè)獨(dú)立部分，傳感器的輸出信號經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送入微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。這類智能傳感器主要由傳感器、微處理器及其相關(guān)電路組成。傳感器將被測的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,送到信號調(diào)理電路中,進(jìn)行濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換后,送到微處理機(jī)中。微處理機(jī)是智能傳感器的核心,它不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲、數(shù)據(jù)處理,還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于微處理機(jī)充分發(fā)揮各種軟件的功能,可以完成硬件難以完成的任務(wù),從而大大降低了傳感器制造的難度,提高了傳感器的性能,降低了成本。

微型計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)是智能式傳感器的核心。傳感器的信號經(jīng)一定的硬件電路處理后，以數(shù)字信號的形式進(jìn)入計(jì)算機(jī)，于是計(jì)算機(jī)即可根據(jù)其內(nèi)存中駐留的軟件實(shí)現(xiàn)對測量過程的各種控制、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理以及信息輸送等功能，從而使傳感器獲得智能。在智能傳感器中，其控制功能、數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)傳輸功能尤為重要。實(shí)際上，為了使智能式傳感器真正具有智能，控制功能就應(yīng)該包括：鍵盤控制功能、量程自動切換功能、多路與多路通道切換功能、數(shù)據(jù)極限判斷與越限報(bào)警功能、自診斷與自校正功能。例如為使智能式傳感器具有自校正功能，在傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮預(yù)留一路模擬量輸入通道作自校正用，然后通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)自校正。

該程序執(zhí)行步驟為：所用微機(jī)先向Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換口輸出一個(gè)定值(固定代碼)，經(jīng)DAC變換為對應(yīng)的模擬電壓值，再送到Ａ/Ｄ通路的自校正輸入端。此后，由微機(jī)啟動ADC，待Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)束，再取回轉(zhuǎn)換結(jié)果值，并與原送出的代碼進(jìn)行比較。如結(jié)果相符或誤差在允許范圍內(nèi)，則認(rèn)為自校正功能正常。若感覺僅在一點(diǎn)上進(jìn)行自校正還不能說明問題，可以設(shè)置2～3個(gè)自校正點(diǎn)，如可設(shè)置其零點(diǎn)、中點(diǎn)及滿刻度點(diǎn)為自校正點(diǎn)，并分三次比較。通過比較和判斷，確定輸入、輸出以及接口等是否正常。

在數(shù)據(jù)處理功能方面，智能式傳感器須具備標(biāo)度變換功能、函數(shù)運(yùn)算功能、系統(tǒng)誤差消除功能、隨機(jī)誤差處理功能以及信號合理性判斷功能。在數(shù)據(jù)傳輸功能方面，智能式傳感器應(yīng)實(shí)現(xiàn)各傳感器之間或與其它微機(jī)系統(tǒng)的信息交換及傳輸。數(shù)據(jù)傳輸可采用并行和串行兩種方式，無論采用哪種傳輸方式，都要在傳送的雙方配置相同的標(biāo)準(zhǔn)接口。IEEE-48總線和RS232總線在并行和串行兩種數(shù)據(jù)傳送方式中，分別可起重要作用。傳感器的智能化實(shí)例圖是智能式應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖。智能式應(yīng)力傳感器用于測量飛機(jī)機(jī)翼上各個(gè)關(guān)鍵部位的應(yīng)力大小，并判斷機(jī)翼的工作狀態(tài)是否正常以及故障情況。它共有6路應(yīng)力傳感器和1路溫度傳感器，其中每一路應(yīng)力傳感器由4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路和前級放大器組成，用于測量應(yīng)力大小。溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，從而對應(yīng)力傳感器進(jìn)行誤差修正。采用8031單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開關(guān)根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的命令輪流選通各個(gè)傳感器通道，0通道作為溫度傳感器通道，1～6通道分別為6個(gè)應(yīng)力傳感器通道。程控放大器則在單片機(jī)的命令下分別選擇不同的放大倍數(shù)對各路信號進(jìn)行放大。該智能式傳感器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，它可以判斷工作環(huán)境因素的變化，進(jìn)行必要的修正，以保證測量的準(zhǔn)確性。圖智能式應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖

智能式應(yīng)力傳感器具有測量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印鍵盤監(jiān)控及通過串口與計(jì)算機(jī)通信的功能。其軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，軟件結(jié)構(gòu)如圖所示。主程序模塊完成自檢、初始化、通道選擇以及各個(gè)功能模塊調(diào)用的功能。其中信號采集模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性補(bǔ)償、信號處理、誤差修正以及檢索查表等功能。故障診斷模塊的任務(wù)是對各個(gè)應(yīng)力傳感器的信號進(jìn)行分析，判斷飛機(jī)機(jī)翼的工作狀態(tài)及是否存在損傷或故障。鍵盤輸入及顯示模塊具有以下任務(wù)：

①查詢是否有鍵按下，若有鍵按下則反饋給主程序模塊，主程序模塊根據(jù)鍵意執(zhí)行或調(diào)用相應(yīng)的功能模塊；②顯示各路傳感器的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。輸出打印模塊主要控制模擬量輸出以及控制打印機(jī)完成打印任務(wù)。通信模塊主要控制RS232串行通信口和上位微機(jī)發(fā)通信。圖智能式應(yīng)力傳感器的軟件結(jié)構(gòu)圖集成智能傳感器集成智能傳感器的發(fā)展方向集成電路和微機(jī)械工藝促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展，改變了傳感器作為單純物理量轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)概念。目前，傳感器的發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個(gè)方面。

傳感器的集成化是指將多個(gè)功能相同或不同的敏感器件制作在同一個(gè)芯片上構(gòu)成傳感器陣列。集成化主要有三個(gè)方面的含義：一是將多個(gè)功能完全相同的敏感單元集成在同一個(gè)芯片上，用來測量被測量的空間分布信息，例如壓力傳感器陣列或我們熟知的CCD器件；二是對多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、功能相近的敏感單元進(jìn)行集成，例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成“電子鼻”，利用各種敏感元對不同氣體的交叉敏感效應(yīng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以對組成混合氣體的各種成分同時(shí)監(jiān)測，得到混合氣體的組成信息，同時(shí)提高氣敏傳感器的測量精度;這層含義上的集成還有一種情況是將不同量程的傳感元集成在一起，可以根據(jù)待測量的大小在各個(gè)傳感元之間切換，在保證測量精度的同時(shí)，擴(kuò)大傳感器的測量范圍；三是指對不同類型的傳感器進(jìn)行集成，例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元的傳感器，能同時(shí)測到環(huán)境中的物理特性或化學(xué)參量，用來對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。

集成電路和各種傳感器的特征尺寸已達(dá)到亞微米和深亞微米量級，由于非電子元件接口未能做到同等尺寸而限制了其體積、重量、價(jià)格等的減小。智能化是將傳感器(或傳感器陣列)與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上。系統(tǒng)能夠通過電路進(jìn)行信號提取和信號處理，根據(jù)具體情況自主地對整個(gè)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診斷，并能根據(jù)待測物理量的大小及變化情況自動選擇量程和測量工作方式。和經(jīng)典的傳感器相比，集成智能傳感器能夠減小系統(tǒng)的體積，降低制造成本，提高測量精度，增強(qiáng)傳感器功能，是目前國際上傳感器研究的熱點(diǎn)，也是未來傳感器發(fā)展的主流。智能傳感器的研究熱點(diǎn)1.物理轉(zhuǎn)化機(jī)理理論上講，有很多種物理效應(yīng)可以將待測物理量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量。在智能傳感器出現(xiàn)之前，為了數(shù)據(jù)讀取的方便，人們選擇物理轉(zhuǎn)化機(jī)理時(shí)，被迫優(yōu)先選擇那些輸入—輸出傳遞函數(shù)為線性的轉(zhuǎn)化機(jī)理，而舍棄掉其它傳遞函數(shù)為非線性，但具有長期穩(wěn)定性、精確性等性質(zhì)的轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料。由于智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個(gè)線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞函數(shù)對傳感器應(yīng)用的制約，因此一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的轉(zhuǎn)換機(jī)理或材料重新進(jìn)行研究。例如，諧振式傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、準(zhǔn)數(shù)字化輸出等許多優(yōu)點(diǎn)，但以前頻率信號檢測需要較復(fù)雜的設(shè)備，限制了諧振式傳感器的應(yīng)用和發(fā)展，現(xiàn)在利用同一硅片上集成的檢測電路，可以迅速提取頻率信號，使得諧振式微機(jī)械傳感器成為國際上傳感器領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2.數(shù)據(jù)融合理論數(shù)據(jù)融合是智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國研究的熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)融合通過分析各個(gè)傳感器的信息，來獲得更可靠、更有效、更完整的信息，并依據(jù)一定的原則進(jìn)行判斷，作出正確的結(jié)論。對于由多個(gè)傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統(tǒng)的使用壽命，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)識別、判斷和決策。

多傳感器系統(tǒng)的融合中心接受各傳感器的輸入信息，得到一個(gè)基于多傳感器決策的聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定的準(zhǔn)則作出最后決策。融合中心常用的融合方法有錯(cuò)誤率最小化法、NP法、自適應(yīng)增強(qiáng)學(xué)習(xí)法、廣義證據(jù)處理法等等。傳感器數(shù)據(jù)融合是傳感器技術(shù)、模式識別、人工智能、模糊理論、概率統(tǒng)計(jì)等交叉的新興學(xué)科，目前還有許多問題沒有解決，如最優(yōu)的分布檢測方法、數(shù)據(jù)融合的分布式處理結(jié)構(gòu)、基于模糊理論的融合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多傳感器系統(tǒng)、多傳感器信號之間的相互耦合、系統(tǒng)功能配置及冗余優(yōu)化設(shè)計(jì)等，這些問題也是當(dāng)今數(shù)據(jù)融合理論的研究熱點(diǎn)。CMOS工藝兼容的傳感器制造與集成封裝技術(shù)集成式微型智能傳感器是受集成電路制作工藝的牽引而發(fā)展起來的，如何充分利用已經(jīng)行之有效的大規(guī)模集成電路制作技術(shù)，是智能傳感器降低成本，提高質(zhì)量，增加效益，批量生產(chǎn)的最可行，最有效的途徑。但傳統(tǒng)的微機(jī)械傳感器制作工藝與CMOS工藝兼容性較差。為了保證加工應(yīng)力能完全松弛，微機(jī)械結(jié)構(gòu)需要長時(shí)間的高溫退火；而為了成功地實(shí)施必要的曝光，CMOS技術(shù)需要非常平整的表面，這就造成了矛盾。因?yàn)槿绻韧瓿蓹C(jī)械加工工序，基底的平面性將會有所犧牲；如果先完成CMOS工序，基底將經(jīng)受高溫退火。這使得傳感器敏感單元與大規(guī)模集成電路進(jìn)行單片集成時(shí)產(chǎn)生困難，限制了智能傳感器向體積縮小、成本降低與生產(chǎn)效率提高的方向發(fā)展。為了解決這個(gè)“瓶頸”問題，目前在研究二次集成技術(shù)的同時(shí)，智能傳感器的工藝研究熱點(diǎn)集中在研制與CMOS工藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及其制造工藝流程上。

如前所述，由于非電子元件接口未能做到同等尺寸縮微，因而限制了其體積、重量等的減小。當(dāng)前，集成式微型智能傳感器正朝著更高功效及輕、薄、短、小的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的封裝技術(shù)將無法滿足這些需求。對于新的集成式微型智能傳感器來說，有關(guān)分離和封裝問題可能是其商品化的最大障礙?，F(xiàn)階段，制造微機(jī)械的加工設(shè)備和工藝與制造IC的設(shè)備和工藝是緊密匹配的，但是，封裝技術(shù)還未能達(dá)到同樣高的匹配水準(zhǔn)。雖然單片集成式微型智能傳感器商品化的成功已能對傳統(tǒng)的封裝技術(shù)產(chǎn)生一定程度的影響，但仍需要進(jìn)行廣泛的改進(jìn)和提高。因此，一些新封裝技術(shù)的研究和開發(fā)已越來越得到人們的重視，開發(fā)更先進(jìn)的封裝形式及其技術(shù)也成為集成式微型智能傳感器制造相關(guān)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。集成智能傳感器系統(tǒng)舉例從前面討論可知，智能傳感器是“電五官”與“微電腦”的有機(jī)結(jié)合，對外界信息具有檢測、判斷、自診斷、數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)能力的集成一體化的多功能傳感器。這種傳感器還具有與主機(jī)自動對話、自行選擇最佳方案的能力。它還能將已取得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速度、高精度的傳輸。目前，這類傳感器雖然尚處于研究開發(fā)階段，但是已出現(xiàn)不少實(shí)用的智能傳感器。

1.混合集成壓力智能傳感器混合集成壓力智能傳感器是采用二次集成技術(shù)制造的混合智能傳感器，圖是混合智能傳感器的組成框圖，即在同一個(gè)管殼內(nèi)封裝了微控制器、檢測環(huán)境參數(shù)的各種傳感元件、連接傳感元件和控制器的各種接口/讀出電路、電源管理器、晶振、電池、無線發(fā)送器等電路及器件，具有數(shù)據(jù)處理功能，并且可以根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化情況，自主地開始測量或者改變測試頻率，具有了智能化的特點(diǎn)。智能傳感器系統(tǒng)的核心是Motorola公司的68HC11微控制器(MCU)，其中包含有內(nèi)存、八位Ａ/Ｄ、時(shí)序電路、串行通信電路。MCU與前臺傳感器間內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞通過內(nèi)部總線進(jìn)行。傳感系統(tǒng)包括了溫度傳感器、壓力傳感器陣列、加速度傳感器陣列、啟動加速度計(jì)陣列、濕度傳感器等多種傳感器或傳感器陣列。MCU將傳感器的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，然后通過系統(tǒng)內(nèi)的無線發(fā)送器或RS-232接口傳送出去。傳感器由6Ｖ電池供電，功耗小于700μＷ，至少能夠連續(xù)工作180天。整個(gè)智能傳感器微系統(tǒng)的體積僅僅為5cm3，相當(dāng)于一個(gè)火柴盒那么大。美國Honeywell公司研制的DSTJ—3000智能壓差壓力傳感器，能在同一塊半導(dǎo)體基片上用離子注入法配置擴(kuò)散了壓差、靜壓和溫度三個(gè)敏感元件。整個(gè)傳感器還包含轉(zhuǎn)換器，多路轉(zhuǎn)換器，脈沖調(diào)制器，微處理器和數(shù)字量輸出接口等，并在EPROM中裝有該傳感器的特性數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。其結(jié)構(gòu)也類同上述框架。圖混合智能傳感器組成框圖

2.多路光譜分析傳感器多路光譜分析傳感器是目前投入使用的微電腦型傳感器。這種傳感器利用CCD(電荷耦合器件)二維陣列攝像儀，將檢測圖像轉(zhuǎn)換成時(shí)序的視頻信號，在電子電路中產(chǎn)生與空間濾波器相應(yīng)的同步信號，再與視頻信號相乘后積分，改變空間濾波器參數(shù)，移動濾波器光柵以提高靈敏度，來實(shí)現(xiàn)二維自適應(yīng)圖像傳感的目的。它由光學(xué)系統(tǒng)和微型計(jì)算機(jī)的CPU構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖14-5所示。它可以裝在人造衛(wèi)星上，對地面進(jìn)行多路光譜分析。測量獲得的數(shù)據(jù)直接由CPU進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)處理，然后輸送出有關(guān)地質(zhì)、氣象等各種情報(bào)。圖多路光譜分析傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

3.三維多功能單片智能傳感器目前已開發(fā)的三維多功能的單片智能傳感器，是把傳感器、數(shù)據(jù)傳送、存儲及運(yùn)算模塊集成為以硅片為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路的智能傳感器。它已將平面集成發(fā)展成三維集成，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)，如圖所示。在硅片上分層集成了敏感元件、電源、記憶、傳輸?shù)榷鄠€(gè)部分，日本的3DIC研制計(jì)劃中設(shè)計(jì)的視覺傳感器就是一例。它將光電轉(zhuǎn)換等檢測功能和特征抽取等信息處理功能集成在一硅基片上。其基本工藝過程是先在硅襯底上制成二維集成電路，然后在上面依次用CDV法淀積SiO2層，腐蝕SiO2后再用CDV法淀積多晶硅,再用激光退火晶化形成第二層硅片，在第二層硅片上制成二維集成電路，依次一層一層地做成3DIC。

目前用這種技術(shù)已制成兩層10bit線性圖像傳感器，上面一層是PN結(jié)光敏二極管，下面一層是信號處理電路，其光譜效應(yīng)線寬為400～700mm。這種將二維集成發(fā)展成三維集成的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，將傳感器功能、邏輯功能和記憶功能等集成在一個(gè)硅片上，這是智能傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。圖三維多功能單片智能傳感器

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微波是波長為1mm～1m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段：