主讲主讲-骆德汉骆德汉联络联络-39322256ext.713、50992518广东工业大学信息工程学院广东工业大学信息工程学院-luodehanustc.edu；dehanluogdut.edu现代传感新技术现代传感新技术一、课程目的一、课程目的掌握掌握现代代传感新技感新技术核新思想核新思想了解了解现代代传感新技感新技术最新最新进展展学学习现代代传感新技感新技术最新最新实际运用运用现代代传感最新技感最新技术二、教学内容及考核要求二、教学内容及考核要求教材上下册教材上下册成果：成果：10%听听课+20%报告告+70%考考试内容：以下册内容：以下册为主上册自学主上册自学考核：学考核：学习报告告+卷面考卷面考试学学习习报报告告-2人人一一个个标标题题，综综述述某某种种传传感感器器根根本本原原理理及及最最新新开开展展动动态态国国际际前前沿沿第第0章章现代代传感新技感新技术综述述现现代代传传感感新新技技术术-指指最最近近十十几几年年内内研研讨讨开开发发出出来来的的、曾经曾经或正在走向适用化的传感器或正在走向适用化的传感器现现代代传传感感新新技技术术中中心心-新新效效应应机机理理、新新资资料料发发现现、新新加加工工工工艺艺现代新型传感器现代新型传感器-智能传感器智能传感器-IntelligentSensor-SmartSensor-IntelligentSensorSystem-IntelligentInstrumentation现现代代传传感感新新技技术术运运用用-仿仿生生传传感感与与运运用用、生生物物医医学学、食食品品平平安安等等 0.1 0.1 新型新型传感效感效应光效应、磁效应、力效应、声效应、化学效应、生物效应光效应、磁效应、力效应、声效应、化学效应、生物效应一、新型光效应一、新型光效应光光电电效效应应-光光电电导导效效应应、光光生生伏伏特特效效应应电电光光效效应应-克克尔尔效效应应、光光弹弹效效应应光多普勒效应光多普勒效应 0.1 0.1 新型新型传感效感效应一、新型光效应一、新型光效应1、光电导效应、光电导效应内内光光电电效效应应-在在光光辐辐射射作作用用下下，资资料料的的电电导导率率发发生生变变化化在材在材质均匀的光均匀的光电资料两端料两端加上一定加上一定电压，当光照射到当光照射到资料上料上时，由光，由光照照产生的光生生的光生载流子在外流子在外加加电场作用下沿一定方向作用下沿一定方向运运动，在回路中，在回路中产生生电流流Ip电流流Ip的大小受光照的大小受光照强度的控制，度的控制，用用这种光种光电导效效应制造的典型器件就是光敏制造的典型器件就是光敏电阻阻 0.1 0.1 新型新型传感效感效应一、新型光效应一、新型光效应2、P-N结光伏效应结光伏效应当光照射当光照射PN结时，只需，只需入射光子能量大于入射光子能量大于资料禁料禁带宽度，就会在度，就会在结区区产生生电子一空穴子一空穴对这些非平衡些非平衡载流子在内建流子在内建电场的作用下，按一定方向运的作用下，按一定方向运动，在开，在开路形状下构成路形状下构成电荷荷积累，累，产生了一个与内建生了一个与内建电场方向相反的光生方向相反的光生电场，即光生，即光生电压假假设P-N结两两边外外接接一一负载电阻阻RL，光光激激发产生生的的电子子一一空空穴穴对形形成的光生成的光生电流流I。它与光照有关，其方向与。它与光照有关，其方向与P-N结反向反向饱和和电流流一一样 0.1 0.1 新型新型传感效感效应一、新型光效应一、新型光效应3、科顿、科顿(Cotton)效应效应科科顿顿效效应应-能能使使左左、右右旋旋圆圆偏偏振振光光传传输输速速度度相相异异的的旋旋光光性性物物质质，在在直直线线偏偏振振光光入入射射并并透透过过时时，会会产产生生a角角的的偏偏转转景景象象称称为为 0.1 0.1 新型新型传感效感效应二、磁效效应二、磁效效应磁光效应磁光效应-法拉第效应、克尔效应等法拉第效应、克尔效应等磁电效应磁电效应-霍耳霍耳(Hall)效应、磁阻效应等效应、磁阻效应等压磁效应压磁效应-磁致伸缩、威德曼效应等磁致伸缩、威德曼效应等约瑟夫效应、核磁共振等约瑟夫效应、核磁共振等 0.1 0.1 新型新型传感效感效应二、磁光效应二、磁光效应1、法拉第效应、法拉第效应-又称磁致旋光效应又称磁致旋光效应当当线偏偏振振光光经过处于于磁磁场下下的的透透明明介介质时，光光线的的偏偏振振面面(光光矢矢量量振振动方方向向)将将发生生偏偏转，其其偏偏转角角与与磁磁感感应强度度B以以及及介介质的的长度度L成比例关系成比例关系K-是物质的特性常数，与光波波长和温度有关。是物质的特性常数，与光波波长和温度有关。 0.1 0.1 新型新型传感效感效应二、磁效效应二、磁效效应2、霍耳效应、霍耳效应霍耳效霍耳效应实践上是基于洛践上是基于洛伦兹力的效力的效应；KH-霍尔常数霍尔常数当当电流流经过半半导体薄片体薄片时，垂直于，垂直于电流方向的磁流方向的磁场B使使电子向薄片子向薄片的一的一侧偏偏转，从而使薄片的两，从而使薄片的两侧产生生电位差位差UH， 0.1 0.1 新型新型传感效感效应三、力效应三、力效应压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、压阻效应压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、压阻效应1、压电效应、压电效应当具有当具有压电效效应的的资料遭到沿料遭到沿一定方向的外力作用而一定方向的外力作用而变形形时，在某两个外表上将在某两个外表上将产生极性相生极性相反的反的电荷。荷。 石英晶体石英晶体 压电陶瓷陶瓷(PZT)(PZT)， 高分子高分子压电薄膜薄膜 压电半半导体体常常见压电资料料 0.1 0.1 新型新型传感效感效应三、力效应三、力效应2、磁致伸缩效应、磁致伸缩效应1磁致伸缩效应磁致伸缩效应-铁磁体在磁场作用下，产活力械变形，其尺寸、铁磁体在磁场作用下，产活力械变形，其尺寸、大小会作相应的伸缩。大小会作相应的伸缩。 当遭到外磁当遭到外磁场作用作用时，体内各磁畴，体内各磁畴转动并使它并使它们的磁化方向尽量与的磁化方向尽量与 外磁外磁场相一致，相一致，导致磁性体沿外磁致磁性体沿外磁场方向的方向的长度度发生生变化。化。2磁致伸缩机理磁致伸缩机理 从宏从宏观的角度了解，磁性的角度了解，磁性资料料产生的生的长度度变化可以看作磁性化可以看作磁性资料在料在 外磁外磁场作用下作用下产生了自在生了自在应变E E。 无外磁无外磁场作用作用时，磁性物，磁性物质体内的磁畴体内的磁畴陈列列杂乱无章，磁化平衡；乱无章，磁化平衡； 0.1 0.1 新型新型传感效感效应三、力效应三、力效应3、饱和效应、饱和效应1在高分子核磁共振吸收过程中，随入射电磁波振幅的添加，高分子在高分子核磁共振吸收过程中，随入射电磁波振幅的添加，高分子吸收电磁波能量逐渐减少而趋于饱和吸收电磁波能量逐渐减少而趋于饱和2饱和效应机理饱和效应机理 高分子核自旋吸收能量高分子核自旋吸收能量较多多时，来不及，来不及转移而移而产生生饱和效和效应。 核自旋因磁核自旋因磁场作用而能作用而能级分分别，吸收外加，吸收外加电磁波能量使其能磁波能量使其能级上升上升发 生核磁共振生核磁共振 0.1 0.1 新型新型传感效感效应四、化学效应四、化学效应 外表吸附效应、可顿效应、饱和效应、电泳效应、彼德效应等外表吸附效应、可顿效应、饱和效应、电泳效应、彼德效应等 1、吸附效应、吸附效应金属氧化物的半金属氧化物的半导体陶瓷体陶瓷资料接触气体料接触气体时，在特定温度下，在特定温度下，资料吸附料吸附气体分子，分子外表和气体分子之气体分子，分子外表和气体分子之间发生生电子交子交换，使得半，使得半导体体资料料的外表的外表电位、功函数及位、功函数及电导率率发生生变化，化，这种景象称种景象称为吸附效吸附效应氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半型半导体上，或复原型气体吸附到体上，或复原型气体吸附到P型半型半导体上，将使其体上，将使其载流子减小，流子减小，电阻增大。阻增大。吸附效吸附效应机理复机理复杂，解，解释实际较多，在探求中多，在探求中复原型气体吸附到复原型气体吸附到N型半型半导体上，或氧化型气体吸附到体上，或氧化型气体吸附到P型半型半导体上，那么其体上，那么其载流子增多，流子增多，电阻减小阻减小 0.1 0.1 新型新型传感效感效应四、化学效应四、化学效应 2、半导体外表场效应、半导体外表场效应外表外表场效效应-利用利用电压所所产生的生的电场控制半控制半导体外表体外表电流的效流的效应外表外表场效效应作用随作用随环境气体、溶液离子境气体、溶液离子浓度等化学物度等化学物质而而变化化利用外表利用外表场效效应可构成气敏、离子敏、生物敏等半可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体体场效效应化学化学传感器。感器。 0.1 0.1 新型新型传感效感效应五、光多普勒效应五、光多普勒效应 2、与信号源的本身频率、与信号源的本身频率f0不一样，并且，假设两者相对运动，传感器所不一样，并且，假设两者相对运动，传感器所接受的信号频率接受的信号频率ff0，假设两者相向运动，那么，假设两者相向运动，那么，ff0光多普勒效光多普勒效应声多普勒效声多普勒效应1、具有一定频率、具有一定频率f0的信号源与传感器之间以速度的信号源与传感器之间以速度V相对运动，传感器相对运动，传感器所接受的信号频率所接受的信号频率f与信号源的本身频率与信号源的本身频率f0不一样。不一样。 0.2 0.2 新型敏感新型敏感资料料 按按结晶形状分晶形状分类-单晶、多晶、非晶和微晶等晶、多晶、非晶和微晶等敏敏感感资资料料-指指能能利利用用物物理理效效应应或或化化学学、生生物物反反响响原原理理做做成成敏敏感感元元件件的基体资料的基体资料按按电子构造和化学子构造和化学键分分类-金属、陶瓷和聚合物等金属、陶瓷和聚合物等按物理性按物理性质分分-超超导体、体、导电体、半体、半导体、介体、介电体、体、铁血体、血体、压电体、体、铁磁体、磁体、铁弹体、磁体、磁弹体等等体等等按形状分按形状分-掺杂、微粉、薄膜、微粉、薄膜、块状、状、纤维等等按功能可分按功能可分-力敏、力敏、压敏、光敏、色敏。声敏、磁敏、气敏、湿敏等敏、光敏、色敏。声敏、磁敏、气敏、湿敏等 0.2 0.2 新型敏感新型敏感资料料 一、半导体敏感资料一、半导体敏感资料半半导体体资料可以将多种非料可以将多种非电量量转换为电量量光、声、光、声、热、磁、气、湿等都可利用相、磁、气、湿等都可利用相应的半的半导体体资料料进展展传感感光光纤作作为远间隔隔传输光波信号的媒光波信号的媒质，最早用于光通，最早用于光通讯技技术光光纤的外界的外界环境境变化化压力、温度、力、温度、电场、磁、磁场，将引起在光，将引起在光纤中中传输光波的某些物理量光光波的某些物理量光强、相位、相位、频率、偏振率、偏振态等等发生生变化。化。二、光导纤维二、光导纤维测出光波物理量出光波物理量变化，就知道化，就知道导致致这些光波特性些光波特性变化的化的压力、温度、力、温度、电场、磁、磁场等物理量的大小，等物理量的大小，光光导纤维由三由三层构成构成-纤芯、包芯、包层，维护层 0.2 0.2 新型敏感新型敏感资料料 三、高分子资料三、高分子资料高分子集合体固体的特征是非晶构造，高分子高分子集合体固体的特征是非晶构造，高分子资料在料在电气特性上主要气特性上主要表表现为绝缘性性高分子敏感高分子敏感资料料-主要用于主要用于压电、热释电、光、光电资料等。料等。石石英英晶晶体体化化学学成成分分为Si02，理想外形理想外形为六角六角锥体体在在电轴和机械和机械轴方向，石英方向，石英晶体具有晶体具有压电效效应和逆和逆压电效效应；四、石英晶体四、石英晶体 在光在光轴方向，具有光双折射效方向，具有光双折射效应。 0.3 0.3 新加工工新加工工艺 薄膜成膜薄膜成膜-主要方法蒸主要方法蒸发、溅射、化学气相淀射、化学气相淀积。化学气相淀化学气相淀积-运用加运用加热、等离子体和紫外、等离子体和紫外线等各种能源，等各种能源，使气使气态物物质经化学反响构成固化学反响构成固态物物质淀淀积在在衬底上底上一、薄膜加工工艺一、薄膜加工工艺 蒸蒸发和和溅射需求在真空中射需求在真空中进展，主要展，主要设备是真空是真空镀膜机膜机微细加工方法微细加工方法-腐蚀、键合、光刻、薄膜、刻蚀、拉丝、激光、超声腐蚀、键合、光刻、薄膜、刻蚀、拉丝、激光、超声微微细细加加工工技技术术-已已进进入入纳纳米米量量级级。并并向向0.1nm方方向向及及原原子子或或分分子子尺尺寸寸挺挺进进 0.3 0.3 新加工工新加工工艺 曝光微细加工曝光微细加工-光学曝光微细加工工艺；光学曝光微细加工工艺；电子束曝光微细加工工艺；电子束曝光微细加工工艺；离子束曝光微细加工工艺，离子束曝光微细加工工艺，在微在微电子、光子、光电子、集成光学、光子、集成光学、光电集成集成电路等路等领域都能域都能发扬广泛的作用。广泛的作用。二、光学曝光微加工工艺二、光学曝光微加工工艺 三、激光徽细加工三、激光徽细加工 激光微激光微细加工技加工技术-激光激光辅助气相淀助气相淀积、激光、激光辅助固相淀助固相淀积、光、光辅助液相淀助液相淀积、激光激光辅助分散、激光退火等助分散、激光退火等 0.4 0.4 运用运用举例例一一 智能智能传感器系感器系统 Block of intelligent sensors systemBlock of intelligent sensors system Intelligent Sensors System Intelligent Sensors System School of Information EngineeringSchool of Information Engineering 0.4 运用运用举例例二、二、 智能智能传感器系感器系统-电子鼻子鼻 Block of intelligent sensor system-electronic nose (智能智能传感器感器-电子鼻框子鼻框图) Intelligent Sensors System School of Information Engineering传感器阵列传感器阵列气味传送气味传送 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system (a) A sensor (b) A preprocessing mechanism(预处置安装置安装 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例 三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system (c) A feature extraction mechanism (manual or automated)特征提取安装手特征提取安装手动或自或自动 (d) A classification or description algorithm分分类或运算或运算 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例 三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system (e) A set of examples (training set) already classified or described一一组曾曾经被分被分类或被描画的或被描画的样本本 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system Consider the following scenario*(思索如下假定思索如下假定 1A fish processing plan wants to automate the process of sorting incoming fish according to species (salmon 鲑鱼or sea bass黑黑鲈鱼) Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例 三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system2The automation system consists of a conveyor belt for incoming products 一条用于一条用于输入入产品的品的传送送带 two conveyor belts for sorted products 二条用二条用于分于分类产品的品的传送送带 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system a pick-and-place robotic arm一个用于挑一个用于挑选和放置和放置产品的机械手品的机械手 a vision system with an overhead CCD camera一一个个CCD摄像像视觉系系统 a computer to analyze images and control the robot arm一台用于分析一台用于分析图象和控制机械手的象和控制机械手的计算机算机 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system) 1 PreprocessingAdjustments for average intensity levelsSegmentation to separate fish from background 调整平均密度，将整平均密度，将鱼从平从平台分散台分散 2 Sensor The camera captures an image as a new fish enters the sorting area摄像机捕捉像机捕捉进入存入存储区的区的鱼3 Feature ExtractionSuppose we know that, on the average, sea bass is larger than salmon假假设知黑知黑鲈鱼平均体平均体积大于大于鲑鱼 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system) 1SensorThe camera captures an image as a new fish enters the sorting area摄像机捕捉像机捕捉进入存入存储区的区的鱼2PreprocessingAdjustments for average intensity levelsSegmentation to separate fish from background 调整平均密度，将整平均密度，将鱼从平从平台分散台分散3 Feature ExtractionSuppose we know that, on the average, sea bass is larger than salmon假假设知黑知黑鲈鱼平均体平均体积大于大于鲑鱼 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system) 4 Classification (A) Collect a set of examples from both species从两种从两种鱼中采集一中采集一组样本本Plot a distribution of lengths for both classes 两两种种鱼长度分布形状度分布形状图 (B) Determine a decision boundary (threshold) that minimizes the classification error.以最以最小小误差确定决策差确定决策边境限境限 (C) We estimate the systems probability of error and obtain a discouraging result of 40%(估估计系系统的概率的概率误差，得到差，得到40%分分类结果果What is next? Intelligent Sensors System 6-11 School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system) D Improving the performance of our PR system (a) Committed to achieve a recognition rate of 95%, we try a number of features Width, Area, Position of the eyes and mouth(为到达到达95%识别率，率，尝试许多特征，如多特征，如宽度，面度，面积、眼睛和嘴巴的位置等眼睛和嘴巴的位置等 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 运用运用举例例三、三、 仿生仿生视觉检测系系统A typical visual pattern recognition system) D Improving the performance of our PR system (b) only to find out that these features contain no discriminatory information找出找出这些不同特征些不同特征区区别的信息的信息 (c) Finally we find a “good feature: average intensity of the scales(最后找到最后找到“好的特征：好的特征：识别范范围内的平均密度内的平均密度 Intelligent Sensors System School of Information Engineering 0.4 0.4 运用运用举例例四、仿生嗅觉检测系统A typical olfactory pattern recognition system) 0.4 0.4 运用运用举例例四、仿生嗅觉检测系统A typical olfactory pattern recognition system)1、生物嗅觉系统构造 0.4 0.4 运用运用举例例2 2、 生物嗅觉信号的仿生处置方法生物嗅觉信号的仿生处置方法四、仿生嗅觉检测系统A typical olfactory pattern recognition system) 0.4 0.4 运用运用举例例3 3、 仿生嗅觉信号处置硬件构造仿生嗅觉信号处置硬件构造四、仿生嗅觉检测系统A typical olfactory pattern recognition system) 0.4 0.4 运用运用举例例4 4、仿生嗅觉信号处置过程、仿生嗅觉信号处置过程四、仿生嗅觉检测系统A typical olfactory pattern recognition system) 0.4 0.4 运用运用举例例5 5、生物与仿生嗅觉信号处置结果比较、生物与仿生嗅觉信号处置结果比较四、仿生嗅觉检测系统A typical olfactory pattern recognition system)本人目前研本人目前研讨方向方向二、工业控制系统集成二、工业控制系统集成-基于基于PLCPLC、变频器、组态软件等、变频器、组态软件等三、计算机嗅觉三、计算机嗅觉/味觉味觉-食品质量检、测控制等食品质量检、测控制等一一、智智能能仪仪器器开开发发-基基于于单单片片机机和和嵌嵌入入式式系系统仪统仪器仪表设计开发器仪表设计开发四、绿色电子产品开发四、绿色电子产品开发 6 Contact Me Name : Dehan Luo Office: Room 713, Engineering Building 1 Phone: 39322256 Ext. 713 Mobile: 50992518 : dehanluogdut.edu luodehanustc.edu