【正文】 感謝我的爸媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。衷心感謝馬文龍老師在我完成論文期間給予的熱情關(guān)心和悉心指導(dǎo) .馬老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度和謙遜的性格，務(wù)實高效的工作作風(fēng)使我受益匪淺。三年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。為了使自動檢測裝 置適應(yīng)在各種復(fù)雜條件下可靠工作，要求研制的檢測系統(tǒng)，具有較高的抗干擾能力和適應(yīng)生產(chǎn)要求的較長的使用壽命。例如超精度的在線檢測，要求＜ μ m。如今的檢測領(lǐng)域，正向著社會需要各 方面擴(kuò)展，不僅用于工業(yè)部門，而且也涉及到工程、海洋開發(fā)、宇宙航行等尖端科學(xué)技術(shù)和新興工業(yè)領(lǐng)域，生物、醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測、危險品和毒品的偵察、安全監(jiān)測方面，同時也滲透到人類的日常生活當(dāng)中。 應(yīng)用新技術(shù)和新的物理效應(yīng)，擴(kuò)大檢測領(lǐng)域的應(yīng)用 檢測原理大多以各種物理效應(yīng)為基礎(chǔ)。美國 NRC公司已開發(fā)出納米 ZrO2 氣體傳感器 ,控制機動車輛尾氣的排放 ,對凈化環(huán)境效果很好 ,應(yīng)用前景比較廣闊。此外 ,高分子有機敏感材料 ,是近幾年人們極為關(guān)注的具有應(yīng)用潛力的新型敏感材料 ,可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。例如 ,根據(jù)以硅為基體的許多半導(dǎo)體材料易于微型化、集成化、 多功能化、智能化 ,以及半導(dǎo)體光熱探測器具有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點 ,發(fā)展紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器 。傳感器技術(shù)今后的發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下方面： 新材料開發(fā) 傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ) , 是傳感器技術(shù)升級的重要支撐。 雖然我國傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還不能適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，產(chǎn)品技術(shù)水平與國 外相比還有較大差距，但是從統(tǒng)一市場的觀點看，我國具有傳感器的廣闊市場，所以我國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前途還是光明的。隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種傳感器網(wǎng)絡(luò)將遍布我們生活環(huán)境，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究 傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是將對 21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。如果我們把傳感器網(wǎng)絡(luò)按其功能抽象成五個層次的話，將會包括基礎(chǔ)層 (傳感器集合 )、網(wǎng)絡(luò)層 (通信網(wǎng)絡(luò) )、中間件層、數(shù)據(jù)處理和管理層以及應(yīng)用開發(fā)層。 傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點問題和關(guān)鍵技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)用為目標(biāo)，其構(gòu)建是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及到的研究工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究采用系統(tǒng)發(fā)展模式，因而必須將現(xiàn)代的先進(jìn)微電子技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、系統(tǒng) SOC(systemonchip)芯片設(shè)計技術(shù)、納米材料與技術(shù)、現(xiàn)代信息通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融合，以實現(xiàn)其微型化、集成化、多功能化及系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，特別是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特有的超低功耗系統(tǒng)設(shè)計。傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。這些節(jié)點可以感受溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。這個網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分就是一個個可愛的傳感器節(jié)點。傳感器對我們來說也不陌生，比如溫度傳感器、壓力傳感器， 還有比較新穎的氣味傳感器。陣列響應(yīng)模式采用關(guān)聯(lián)法、最小二乘法、群集法以及主要元素分析法等方法對所測氣體進(jìn)行定性和定量鑒別。 總之，“電子鼻”系統(tǒng)是氣體傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合的高科技產(chǎn)物，其氣體傳感器的體積很小，功耗也很低，能夠方便地捕獲并處理氣味信號。“電子鼻”系統(tǒng)通常由一個交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)組成，并配以恰當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)，具有識別簡單和復(fù)雜氣味的能力，主要用來解決一般情況下的氣味探測問題。由于嗅覺元件接收到的判別信號是非常復(fù)雜的，其中總是混合著成千上萬種化學(xué)物質(zhì)，這就使得嗅覺系統(tǒng)處理起這些信號來異常錯綜復(fù)雜。據(jù)悉，美國 MERRITT公司研制開發(fā)的無觸點皮膚敏感系統(tǒng)獲得了較大的成功，其無觸點超聲波傳感器、紅外輻射引導(dǎo)傳感器、薄膜式電容傳感器、以及溫度、氣體傳感器等在美國本土應(yīng)用甚廣。 從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，最熱門的研究領(lǐng)域也許是各種類型的仿生傳感器了，而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新研究成果問世。又如，為了能夠以較高的靈敏度和較小的粒度同時探測多種信號，微型數(shù)字式三端口傳感器可以同時采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件 。 多功能傳感器的研制與應(yīng)用現(xiàn)狀 多功能傳感器無疑是當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展中一個全新的研究方向，日前有許多學(xué)者正在積極從事于該領(lǐng)域的研究工作 。 (4) 在不同的激勵條件下，同一個敏感元件將表現(xiàn)出來不同的特征。 (3) 借助于同 一個傳感器的不同效應(yīng)可以獲得不同的信息。 (2) 將若干種不同的敏感元件精巧地制作在單獨的一塊硅片中，從而構(gòu)成一種高度綜合化和小型化的多功能傳感器。 多功能傳感器的執(zhí)行規(guī)則和結(jié)構(gòu)模式 概括來講，多功能傳感器系統(tǒng)主要的執(zhí)行規(guī)則和結(jié)構(gòu)模式包括 : (1) 多功能傳感器系統(tǒng)由若干種各不相同的敏感元件組成，可以用來同時測量多種參數(shù)。由若干種敏感元件組成的多功能傳感器則是一種體積小巧而多種功能兼?zhèn)涞男乱淮綔y系統(tǒng)，它可以借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式，用單獨一個傳感器系統(tǒng)來同時實現(xiàn)多種傳感器的功能?？梢灶A(yù)見，新興的智能化傳感器將會在關(guān)系到全人類國民生的各個領(lǐng)域發(fā)揮越來越大作用。另外，智能化傳感器在空間技術(shù)研究領(lǐng)域亦有比較成功的應(yīng)用實例。這是一種適用于智能化傳感器的通信協(xié)議，與目前使用 4~20mA 模擬信號的系統(tǒng)完全兼容，模擬信號和數(shù)字信號可以同時進(jìn)行通信，從而使不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品具有通用性。一些國際性標(biāo)準(zhǔn)化研究機構(gòu)目前正在積極研究推出相關(guān)的通用現(xiàn)場總線數(shù)字信號傳輸標(biāo)準(zhǔn) 。與此同時，基于模糊理論的新型智能傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能化傳感器系統(tǒng)的研究和發(fā)展中的重要作用也日益受到了相關(guān)研究人員的極大重視。此外，智能化傳感器的信息管理程序也非常簡單方便，譬如，可以對探測系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制或者在鎖定方式下工作， 也可以將所測的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶等。存儲大量信息的目的主要是以備事后查詢，這一類信息包括設(shè)備的歷史信息以及有關(guān)探測分析結(jié)果的索引等 。 此外，其靈活的配置功能既能夠使相同類型的傳感器實現(xiàn)最佳的工作性能，也能夠使它們適合于各不相同的工作環(huán)境。當(dāng)智能化傳感器由于某些內(nèi)部故障而不能正常工作時，它能夠借助其內(nèi)部檢測鏈路找出異常現(xiàn)象或出了故障的部件。 ⑵ 智能化傳感器具有自診斷和自校準(zhǔn)功能，可以用來檢測工作環(huán)境。與傳統(tǒng)的傳感器相比，智能化傳感器具有以下優(yōu)： ⑴ 智能化傳感器不但能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，能夠?qū)λ鶞y的數(shù)值及其誤差進(jìn)行補償，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷，能夠借助于一覽表對非線性信號進(jìn)行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波 數(shù)字信號。 通常情況下，一個通用的檢測儀器只能用來探測一種物理量，其信號調(diào)節(jié)是由那些與主探測部件相連接著的模擬電路來完成的 。采用這種技術(shù)時可以方便地調(diào)節(jié)和校正由于溫度的變化而導(dǎo)致的測量誤差，而環(huán)境壓力傳感器測量工作環(huán)境的壓力變化并對測定結(jié)果進(jìn)行校正 。這一類傳感器就相當(dāng)于是微型機與傳感器的綜合體一樣，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設(shè)備。此類傳感器系統(tǒng)一經(jīng)問世即刻受到科研界的普遍重視，尤其在探測器應(yīng)用領(lǐng)域，如分布式實時探測、網(wǎng)絡(luò)探測和多信號探測方面一直頗受歡迎，產(chǎn)生的影響較大。目前開發(fā)并進(jìn)入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學(xué)量和生物量，如位移、速度 /加速度、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、聲、光、電、磁、熱、 PH 值、離子濃度及生物分子濃度等。由計算機輔助設(shè)計 (CAD)技術(shù)和微機電系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)引發(fā)的傳感器研發(fā)制造已經(jīng)進(jìn)入微型化時代。 在當(dāng)前技術(shù)水平下，微切削加工技術(shù)已經(jīng)可以生產(chǎn)出來具有不同層次的 3D微型結(jié)構(gòu)，從而可以生產(chǎn)出體積非常微小的微型傳感器敏感元件，象毒氣傳感器、離子傳感器、光電探測器這樣的以硅為主要構(gòu)成材料的傳感 /探測器都裝有極好的敏感元件。 MEMS 的核心技術(shù)是研究微電子與微機械加工與封裝技術(shù)的巧妙結(jié)合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強大的新型系統(tǒng)。 微型傳感器研發(fā)現(xiàn)狀 目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)設(shè)計向基于計算機輔助設(shè)計 (CAD)的模擬式工程化設(shè)計轉(zhuǎn)變，從而使設(shè)計者們能夠在較短的時間內(nèi)設(shè)計出低成本、高性能的新型系統(tǒng)，這種設(shè)計手段的巨大轉(zhuǎn)變在很大程度上推動著傳感器系統(tǒng)以更快的速度向著 能夠滿足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展。而傳統(tǒng)的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，所以它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代 。 微型化 為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術(shù)發(fā)展趨勢保持一致，對于傳感器性能指標(biāo) (包括精確性、可靠性、靈敏性等 )的要求越來越嚴(yán)格 。 第五章 傳感器技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 傳感器技術(shù)是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是機電一體化系統(tǒng)不可缺少的 關(guān)鍵技術(shù)之一，其水平的高低，在很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的功能；其水平越高，系統(tǒng)的自動化程度就越高。功率變化到一定程度，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出報警信號，機車停止運轉(zhuǎn)，此時，應(yīng)及時進(jìn)行刀具調(diào)整或更換。 刀具磨損的監(jiān)控 刀具磨損到一定程度會影響到工件的尺寸精度和表面粗糙度，因此，對刀具磨損要進(jìn)行監(jiān)控。 在加工過程中，電動機的旋轉(zhuǎn)、移動部件的移動、切削等都會產(chǎn)生熱量，且溫度分布不均勻，造成溫差，使數(shù)控機床產(chǎn)生熱變形，影響零件加工精度，為了避免溫度產(chǎn)生的影響，可在數(shù)控機床上某些部位裝設(shè)溫度傳感器，感受溫度信號并轉(zhuǎn)換成電信號送給數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫度補償。常見的有以鉑、銅為主的熱電阻傳感器、以半導(dǎo)體材料為主的熱敏電阻傳感器和熱電偶傳感器等。再者，它還在潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)被用來檢測油路或氣路中的壓力，當(dāng)油路或氣路中的壓力低于設(shè)定值時，其觸點會動作，將故障信號送給數(shù)控系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，可用它對工件夾緊力進(jìn)行檢測，當(dāng)夾緊力小于設(shè)定值時，會導(dǎo)致工件松動，系統(tǒng)發(fā)出報警，停止走刀。它是檢測氣體、液體、固體等所有物質(zhì)間作用力能量的總稱，也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓的真空計。 壓力的檢測 壓力傳感器是一種將壓力轉(zhuǎn)變成電信號的傳感器。 脈沖編碼器在經(jīng)過一個單位角位移時，便產(chǎn)生一個脈沖，配以定時器便可檢測出角速度。 測速發(fā)電機具有的特點是： (1)輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成線性關(guān)系； (2)輸出電壓與轉(zhuǎn)速比的 斜率大。將小磁體固定在運動部件上，當(dāng)部件靠近霍爾元件時，便產(chǎn)生霍爾現(xiàn)象，從而判斷物體是否到位。 霍爾傳感器是利用霍爾現(xiàn)象制成的傳感器。接近開關(guān)有很多種類，主要有自感式、差動變壓器式、電渦流式、電容式、干簧管、霍爾式等。二維矩陣式位置傳感器安裝于機械手掌內(nèi)側(cè)，用于檢測自身與某個物體的接觸位置。行程開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉。位置傳感器有接觸式和接近式兩種。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器則被廣泛地用于機床和儀器的轉(zhuǎn)臺以及各種回轉(zhuǎn)伺服控制系統(tǒng)中。感應(yīng)同步器具有較高的精度與分辨力、抗干擾能力強、使用壽命長、維護(hù)簡單、長距離位移測量、工藝性