新型传感器原理提纲修改Word文件下载.docx

1、仪器是一种信息工具，起着不可或缺的信息源的作用。仪器科学与技术在国民经济建设中起着十分重要的作用。近年来，我国仪器仪表工业面临严峻形势，振兴我国仪器仪表工业刻不容缓。科学技术是第一生产力，首先要靠仪器仪表去认识世界。先进的科学仪器设备是知识创新的前提，也是创新研究的主体内容之一和创新成就的重要体现形式。仪器的创新是知识创新和技术创新的组成部分。从设立诺贝尔奖百年以来，在物理和化学奖中有大约四分之一是属于测试方法和仪器的创新成就。有数据显示，在包括物理、化学、生物在内的自然科学领域，有接近60%的诺贝尔奖与仪器仪表有直接的或间接的关系。例如1901年诺贝尔物理学奖获得者W.C.伦琴发现了X射线，

2、在物理学界引起了巨大的震动，宣布了现代物理学时代的到来，使诊断医学发生了革命，至今人们仍在享用着他的伟大发现，并利用X射线做了多种多样的工作，如X射线透视仪、X射线断层扫描仪（简称CT扫描仪）等等。比如发明了显微镜后，人们知道世界是由很小的微观粒子组成的。在科学技术的重大成就和科学研究新领域的开辟方面往往是以检测仪器和技术方法的突破为技术先导。发展科学仪器已成为国家的发展战略。仪器也是国家科技发展水平的标志。特别是在当今高新技术发展的信息时代，仪器更是现代化的综合因素之一。现代仪器发展的一个趋势是集成化，仪器中的信息处理、转换、存储、显示等都与信息技术相同。当代没有现代仪器就不能获取工农业生产

3、建设、国防、科研、生活、社会、海关等诸多领域中全方面的信息，进入信息时代是不可能的。仪器仪表在试验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广泛应用，需求遍及“农轻重、海陆空、吃穿用”无所不在。现代仪器仪表在当今社会经济活动中还发挥“物化法官”的重要作用。 仪器仪表是工业生产的“倍增器”,科学研究的“先行官”,军事上的“战斗力”,以及现代社会活动的“物化法官”没有高水平、高质量的测控设备，大型化、高参数化、工况复杂化的现代工业重大装备将无法运行。仪器仪表在代表我们国家命脉的重化工业、大能源工业中发挥的作用，不但是正常运行的保障，而且是最后的安全屏障，因为任何安

4、全隐患的异常反应都首先出现在仪器仪表上。二、仪器仪表和测量控制的领域划分按照应用领域的不同，习惯地把仪器仪表和测量控制划分为六个大类，即工业自动化仪表与控制系统、科学仪器、医疗仪器、电子与电工测量仪器、各类专用仪器、传感器和仪器仪表元器件及功能材料。这是一个大致的分类，其间存在着许多交叉和渗透。 工业自动化仪表与控制系统，主要应用在工业生产流程中的检测和控制； 科学仪器应用面极广，包括科学研究、教学实验、物质分析、安全监测等各种领域； 医疗仪器应用于生命科学研究和临床诊断治疗； 电子与电工测量仪器用于对各种电子和电工参数进行测量； 各类专用仪器应用于各种专门的领域，如农业、环保、气象、水文、地

5、质、海洋等，这类仪器除了应用领域的特殊要求具备某些特殊性外，它们的基本原理和应用方法跟科学仪器等其他类仪器并无本质的区别； 传感器、元器件和功能材料主要用于获取信号、仪器制作和使用材料上。传感器已经成为影响到仪器仪表与测量控制发展和应用的关键所在。各类仪器的基础理论和技术，构成了仪器仪表与测量控制学科体系的基本内容，它们的产业成为仪器仪表与测量控制产业体系的重要组成，而它们的发展决定着仪器仪表与测量控制的未来。三、我国仪器行业的基本情况1产业谈到我国仪器仪表与测量控制产业的基本概况,先让我们了解一些统计数据。2007年我国仪器仪表产业规模以上企业为3954家，实现总产值3078亿元，销售收入达

6、到3005亿元，双双突破3000亿元。同比2004年1000亿元，2006年2000亿元，4年间年增长率超过30%。3000亿元的销售额中，出口商品达到88亿美元，同比上一年度增长了36%。目前，我国仪器仪表与测量控制产业已经形成门类品种比较齐全、布局比较合理、具有相当技术基础和生产规模的产业体系，在亚洲我国是除日本以外第二大仪器仪表生产国，是发展中国家综合实力最强的仪器仪表生产国。从产品的技术水平分析，目前绝大多数国产仪器仪表还处于发达国家20世纪90年代中后期水平。中低档产品品种基本齐全，能够规模生产，质量基本稳定，可以满足国内市场要求，且有批量出口。比如电工仪器仪表在国内市场占有率达到9

7、5%，并有13%产品出口。深圳市每年生产数字万用表700万台，销售世界90多个国家。国产仪器仪表，也有少数中高档产品接近国际技术水平。2科学研究在国家重点科技攻关项目中，特别是必须自主创新发展的航天航空领域和国防安全领域，已经有部分仪器仪表技术上取得了新的突破。我国嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器都是我国科技人员自主研制设计的，不仅在技术上总体达到了国际先进水平，而且有自己的特点和创新。在工程应用技术方面，已经能够承担一部分国家重大工程仪器仪表系统成套。3人才培养围绕着仪器仪表与测量控制学科现定名为“仪器科学与技术”学科，全国近250所高校设置了相应的专业，3万多名本科生和1万多名研究生在校学习

8、。已经为仪器仪表与测量控制领域培养了几十万学科技术人才。4存在的问题在先进装备制造领域，测试装备的投入占1/3在高端装备制造领域，测试装备的投入占1/2在尖端和高可靠性装备领域，测试装备的投入大于1/2我国高端仪器现状高端科学仪器95%以上靠进口大型超精密仪器95%以上靠进口国防专用精密仪器：国外技术封锁涉及战略高技术的高端仪器： 国外技术封锁因缺乏标准装置，大部分工程参量的量值溯源和传递能力至今没有形成工业发达国家高新技术仪器仪表产品品种约占总品种的75%，而国内还不到20%。工业自动化仪表和控制系统的仪表品种国内满足率，一般性工程项目达80%，大型工程项目还不到50%，主要缺少智能化和高精

9、度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。具有自主知识产权的科学仪器设备匮乏。“十五”期间，国家主体科技计划用于“科学仪器设备研制与开发”项目的经费只有0.85亿元，仅占三大科技计划经费的千分之二和科学仪器购置经费的1%；科学仪器水平与发达国家存在明显差距，高档科学仪器基本处于空白，中档科学仪器、国产设备稳定性和重现性不高，软件配套性较差，占有率小；科学研究“空芯化”现象严重，每年科学仪器固定资产投资中的60%用于进口设备，其中，精密仪器、生命科学仪器、大型科学仪器等高技术含量的产品更是90%以上依靠进口。5我国仪器科学与技术学科的总体目标是至2020年，必须充分

10、利用我国经济高速发展和巨大的市场优势，结合测控技术的深化研究，大力推进新技术、新工艺在仪器仪表中的应用研究，掌握各类仪器仪表的设计、生产工艺等关键技术，满足国民经济、人民健康和国防安全在生产、科研、应用各个方面对测量控制与仪器仪表的需求，减少进口，扩大出口，使我国仪器科学与技术学科领域科技和产业总体水平与国际水平差距普遍缩短到35年；工业自动化仪表和控制系统、科学仪器、医疗仪器、电测和计量仪器、各类专用仪器仪表、相关传感器和元器件及材料等领域约30%的产品达到国际同期先进水平，国内生产的仪器仪表在大工程的配套能力达到80%以上。四、仪器科学的发展方向从仪器科学与技术学科领域个组成部分相互关系、

11、共性问题以及我国国民经济、科学研究、国防建设、社会发展全局进行战略研究，建议学科领域科技研究方向为：1新型传感器及信息获取技术；2与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术；3精确制造中的测量控制技术及仪器仪表；4微分析仪器及其关键技术；5数字化医疗仪器及其关键技术；6基于量子物理的计量标准系统。1.新型传感器及信息获取、传感技术 传感技术不仅是检测的基础，它也是控制的基础。这不仅是因为控制必须以检测输入的信息为基础；并且为了知道控制达到的精度和状态，必需感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的。信息获取、传感技术是仪器科学与技术学科的基础技术；新型传感器是发展高水平测量控

12、制仪器仪表的基础。传感技术已成为制约测量控制仪器仪表发展的瓶颈。新型传感器及信息获取、传感技术主要是对客观世界有用信息的检测，它包括有用量测量敏感技术、涉及各学科工作原理、遥感遥控、新材料等技术、信息融合技术；传感器制造技术等。信息融合技术设计传感器分布、微弱信号提取（增强）、传感信息融合、成像等技术、传感器制造技术涉及微加工、生物芯片、新工艺等技术。2.与重大工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术 与重大工程相配套的过程控制系统和测控装备主要解决智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。主要包括符合现场要求的各类传感器及检测仪表，实时流程

13、分析仪器及在线分析技术，新型现场控制系统，e网控制系统，以工业控制计算机、可编程控制为基础的开放式控制系统及先进控制技术，特种测控装备和测控技术，系统成套集成技术等。系统集成技术直接影响测量控制仪器仪表的应用广度和水平，特别是对大工程、大系统、大型装置的自动化程度和效益有决定性影响，它是系统级层次上的信息融合控制技术没包括系统的需求分析和建模技术、物理层装置技术、系统各部分信息通信转换技术、应用层控制策略实时技术等。在操作人员为多种不同岗位的操作群体情况下，还应包括各近最佳方式监控智能化工具、装备、系统以达到既定目标的技术，是直接涉及测控系统效益发挥的技术，是从信息技术向知识经济技术发展的关键

14、。智能控制技术可以说是测控系统中最重要和最关键的软件资源。从目前发展趋势看，在企业信息化ERS/MES/PCS三级节后的计算机测控系统中，软件的价格已超过硬件的3倍。而有关石化、冶金、电力、制药行业中自动化测控系统的先进控制软件价格就超过系统硬件价格。智能控制技术包括仿人的特征提取技术、目标自动化辨识技术、知识的自学习技术、环境的自适应技术、最佳决策技术等。3.科学仪器中的微分析仪器及其关键技术 分析仪器是科学仪器中最重要和发展最快的组成部分，而为分析仪器包含的微量检测、微型化、高灵敏度、高分辨率和高智能化内涵，则代表了分析仪器的一个重要发展趋势和技术水平，在生命科学、食品安全、环境保护、公共

15、安全（包括反恐、反毒）、临床医学、医药科学和化工等领域得到越来越多的应用。微分析仪器及其关键技术的研究方向包括：（1）开展高灵敏度、高分辨率、高性能水平的微结构型传感器研究，将生物芯片技术、新型化学传感器技术、多组分（多参数）集成传感器技术应用于分析仪器的研制和开发。（2）开展分析仪器微型化和相关微根系技术的研究，重点进行微分析仪器使用的共性技术和新技术的研究、如微流控技术、微加工技术、微检测技术、微光源、全电子分光系统、微分光仪、新型芯片等的研究。（3）过程分析、在线分析使用的微分析仪器及其关键技术研究。（4）不同类别分析器联用技术的研究。当复杂基体的微量、痕量物质的含量及结构分析对分析对象

16、的分辨能力提出极高的要求，且单一的分离技术甚至质谱分离技术均已无法从复杂的信息中分离出所需要的有用信息时，需要通过相关不同类别分析器的联用技术对物质的成分、结构、形态甚至是综合形态进行分析，以便同时获得原子和分子的信息。-我国科技创新工作中，在方法上存在五大问题。一是科学思维培育不够。创新思维与创新精神培养缺位，目前应试式的教育体系、灌输式的教学方法抑制了学生的创新思维和创新精神；科研活动创新思维不足，自主创新研究成果少；以跟踪模仿为主，自主创新较少；多数学科发展滞后，属于世界领先的学科很少；中国申请人在世界知识产权组织的PCT专利申请只占总量的0.96%；尊重科学、崇尚科学的氛围不够，科学精

17、神与科学氛围仍然不足，不按照科学规律办事的问题仍普遍存在。二是科学方法研究与应用不够。科技界关于科学方法的意识薄弱，科研活动中，忽视研究方法的规范性、创新性；国内学术期刊很少发表关于研究方法和哲学思考类的理论性论文；对科学方法的研究不够，仅限于对国际科学方法的跟踪、了解，缺乏对前沿方法的前瞻性研究；科学方法的研究与应用严重脱节；企业技术创新能力不足，缺乏科学创新方法。三是具有自主知识产权的科学仪器设备匮乏。四是创新政策环境还不完善。虽然近年来我国科学研究与发展（R&D）经费投入不断增加，但与发达国家以及同等发展水平的发展中国家相比，我国科技投入水平还不高。以2004年为例，我国研发经费仅相当于

18、美国的8%；全国研发人员年平均经费分别只有韩国的14%和日本的8%，而在发达国家，公共财政支持科技发展的经费中有40%用于支持科学方法和科学仪器。在我国，国家主体科技计划对这方面研究项目的支持几乎为零。五是评价方法有待改进。目前，我国科技成果评价方式也不利于创新方法的发展。科研院所对科研人员研究能力的评价标准不全面，过分重视SCI，而忽视一些基础性或方法上的重要问题。以诺贝尔奖为例，诺贝尔奖有1/3是通过科学发现、理论推导得奖；有1/3是通过方法上的创新、方法思路上的创新得奖；还有1/3是通过科学仪器、科学手段、科学工具上的创新得奖。而在我们的科技布局上，更多瞄准了第一个1/3 ，把后两个1/

19、3基本忽略了。随着整个装备工业的大型化、复杂化、信息化和集成化，仪器仪表在现代工业中的重要性，已经从过去所说的“五官”，上升到现在的“神经中枢”。随着大装置越来越复杂，坐在控制室里就能够看到整个现场。经济全球化的结果，很有可能会造成一些国家是头脑国家产生并输出知识，另外一些国家是躯干国家只引进和应用知识。中国作为一个发展中的大国，必须既有躯干又有头脑。而仪器仪表，恰恰是头脑的“神经中枢”，因为信息化是和控制系统连在一起的。以发电设备为例，如果电机、锅炉和汽轮机是国内的，而测控设备是国外的，那么企业就不知道用什么参数控制主设备的运行，人家卖给企业的这个软件等于“黑软件”。现代流程工业的工艺参数、

20、技术特点、Know-how专利，绝大部分都由主设备与测控设备软硬件紧密结合予以实施。仪器仪表在代表我们国家命脉的重化工业、大能源工业中发挥的作用，不但是正常运行的“神经中枢”，而且是最后的安全屏障，因为任何安全隐患的异常反应都首先出现在仪器仪表上。从科研的角度强调中国的仪器仪表要自立于世界民族之林。如果高等级、高档次的仪器仪表不能自立，中国就不能成为科技大国，就不能成为创新型国家。我国仪器科学与技术学科的总体目标是：我国仪器科学与技术学科领域科技研究方向建议 新型传感器及信息获取技术；与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术；精确制造中的测量控制技术及仪器仪表；微分析仪器及

21、其关键技术；数字化医疗仪器及其关键技术；基于量子物理的计量标准系统。并且是犹豫控制达到的精度和状态，必需感知，否则不明确控制效果的控制仍然是盲目的。新型传感器及信息获取、传感技术主要是对客观世界有用信息的检测，它包括有用呗测量敏感技术、涉及各学科工作原理、遥感遥控、新材料等技术、信息融合技术；2.与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备及其系统集成技术 与国家重点工程相配套的过程控制系统和测控装备主要解决智能化和高精度、高可靠性、大量程、耐腐蚀、全密封、防爆等有特殊要求的自动化仪表品种。当复杂基体的微量、痕量物质的含量及结构分析对分析对象的分辨能力提出极高的要求，且单一的分离技术甚至质谱分

22、离技术均已无法从复杂的信息中分离出所需要的有用信息时，需要通过相关不同类别分析器的联用技术对物质的成分、结构、形态甚至是综合形态进行分析，以便同时获得原子和分子的信息第1章 现代传感技术及新型传感器的概念一、 传感器的定义和传感器的组成部分1. 传感器的定义：能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。含义：1） 传感器是某种测量装置或测量装置的一部分，能完成部分检测任务2） 它的输入量是某一被测量3） 输出是某种物理量，这种量要便于转换、处理等，可以是气、光电等，主要是电参量4） 输出输入有对应关系，且有一定的精度2. 组成及部分的作用二、 传感器的分类1. 按工作原办理

23、分类1） 物理型：是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料特殊物理性能制成的传感器。电阻式传感器：金属、半导体材料电感式传感器：差动变压器压电效应特殊物理性质：半导体材料的压阻效应、光电效应、霍尔效应 分为物性型传感器和结构型传感器物性型：是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换成电参数的传感器结构型：是以结构为基础（形状、尺寸），利用物理学中某些场的定律（运动定律、电磁场定律）实现把被测量转换成电量的。是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础。2） 化学型：是利用电化学原理，把无机物和有机物的成分、浓度等转换成电信号的传感器。较常用的是离子选择性电极，测量溶液的pH值，某些离子的浓度等。3） 生物型：是利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。活性物质：酶、抗原、抗体、微生物等生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称为功能识别能力，利用这种单一的识别能力来判断某种物质是否存在，其浓度是多少，进而用电化学的方法