智能傳感與檢測技術

傳感器技術與通信技術、電腦技術共同構成了信息產業的三大支柱，是信息獲取的源頭，而智能傳感器是未來十年甚至二十年傳感器產業的主流形態。作為數字時代的感知層，智能傳感器是集成傳感芯片、通信芯片、微處理器、軟件算法等於一體的系統級產品，緊密銜接互聯網、大數據、人工智能與實體經濟，已成為支撐萬物互聯、萬事智聯的重要基礎產業。2020年，智能傳感器市場規模已達到358.1億美元，占總體規模的22.3%；隨著智能製造、物聯網、車聯網等相關行業的發展，全球對智能傳感器產品的需求呈現快速增長態勢，預計2023年市場規模將達487億美元。我國在智能硬件、消費電子、汽車電子、物聯網、儀器儀表、工業自動化、生物醫療、航空航天等領域擁有廣闊的智能傳感器應用市場，國家高度重視智能傳感器為代表的電子元器件產業發展。2021年1月，工業和信息化部印發了《基礎電子元器件產業發展行動計劃（2021-2023年）》，針對新型 MEMS 傳感器重點向小型化、低功耗、集成化發展，支持產、學、研合作，完善 MEMS 傳感器行業配套，優化發展環境；2021年11月，工信部發布《"十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃》，明確提出大力發展智能傳感器。智能傳感器產業發展已處於重要戰略機遇期，對相關高等教育單位教學科研工作，以及研究型和應用型人才培養提出了更加迫切的需求。本教材首先分別概述了傳感技術與檢測技術，以及傳感器的選用原則；其次，從功能材料、加工工藝、器件類別的全新角度，介紹了傳統傳感器；再次，深入討論了智能傳感器及其信號處理、網絡通信和抗乾擾技術，以及智能檢測系統的結構、特點、理論、方法、可靠性等；最後，落腳智能無人系統應用需求，以無人機、智能製造、元宇宙等應用場景為例，探討了智能傳感與監測系統的主要發展瓶頸、未來技術發展趨勢並預測產業市場。

目 錄
第1章 概述 1
1.1 傳感技術 3
1.1.1 傳感器的定義與分類 3
1.1.2 傳感器的基本特性 4
1.1.3 傳感器的標定與校準 10
1.1.4 傳感器的選用原則 13
1.2 檢測技術 13
1.2.1 檢測技術的發展背景 13
1.2.2 檢測技術的基本概念 15
1.2.3 檢測系統的結構 15
1.2.4 傳感器的測量誤差 16
1.3 檢測數據的處理 18
1.3.1 檢測數據的表示 18
1.3.2 數據誤差的處理方法 21
1.4 傳感器與檢測技術的發展趨勢 26
1.4.1 傳感器的發展趨勢 26
1.4.2 檢測技術的發展趨勢 27
第2章 傳統傳感器 29
2.1 傳感器的功能材料 29
2.1.1 功能材料的分類與作用 30
2.1.2 半導體材料 31
2.1.3 功能陶瓷材料 33
2.1.4 功能高分子材料 34
2.1.5 納米材料 34
2.1.6 智能材料 35
2.2 傳感器的加工工藝 37
2.2.1 結構型傳感器的加工工藝 38
2.2.2 厚膜工藝 38
2.2.3 薄膜工藝 39
2.2.4 微機械工藝 40
2.3 物理傳感器 40
2.3.1 電阻式傳感器 41
2.3.2 電感式傳感器 42
2.3.3 電容式傳感器 46
2.3.4 壓電式傳感器 49
2.3.5 磁電式傳感器 53
2.3.6 光電式傳感器 57
2.4 化學傳感器 65
2.4.1 氣體傳感器 65
2.4.2 濕度傳感器 69
2.5 生物傳感器 74
2.5.1 酶傳感器 77
2.5.2 微生物傳感器 78
2.5.3 免疫傳感器 79
2.5.4 核酸傳感器 81
2.5.5 細胞傳感器 84
2.5.6 生物芯片 85
2.5.7 生物傳感器的應用 91
第3章 智能傳感器 95
3.1 智能傳感器概述 95
3.1.1 智能傳感器的基本功能與特點 96
3.1.2 智能傳感器的架構 99
3.1.3 智能化實現方法 102
3.1.4 典型的智能傳感器 111
3.2 智能傳感器的標準 115
3.2.1 智能傳感器的標準概述 115
3.2.2 IEEE 1451網絡化智能傳感器標準 116
3.2.3 GB/T 33905 119
3.3 智能傳感器的可靠性 123
3.3.1 智能傳感器的可靠性概述 123
3.3.2 智能傳感器的可靠性設計方法 124
3.3.3 智能傳感器的可靠性試驗方法 126
3.3.4 智能傳感器的可靠性試驗標準 131
3.3.5 智能傳感器的可靠性提高方法 132
3.4 智能傳感器的信號調理技術 133
3.4.1 模擬式傳感器的信號調理 133
3.4.2 數字式傳感器的信號調理 139
3.5 智能傳感器核心電路 149
3.5.1 常用CPU 149
3.5.2 外圍電路模塊一：模數轉換器 154
3.5.3 外圍電路模塊二：數模轉換器 156
3.5.4 外圍電路模塊三：存儲器 158
第4章 智能傳感器的信號處理、通信和抗乾擾技術 163
4.1 智能傳感器的信號處理技術 163
4.1.1 濾波技術 163
4.1.2 採樣技術 177
4.1.3 數據融合技術 180
4.2 智能傳感器的通信技術 197
4.2.1 現場總線通信技術 197
4.2.2 以太網通信技術 206
4.2.3 無線通信技術 211
4.2.4 其他通信技術 219
4.3 智能傳感器的抗乾擾技術 221
4.3.1 乾擾的種類 222
4.3.2 乾擾的耦合方式 223
4.3.3 共模乾擾與差模乾擾 225
4.3.4 典型的抗乾擾技術 227
第5章 智能檢測系統 234
5.1 智能檢測系統概述 234
5.1.1 智能檢測系統的典型結構 235
5.1.2 智能檢測系統的特點 236
5.1.3 智能檢測系統的硬件結構 237
5.1.4 智能檢測系統的軟件結構 238
5.2 智能檢測系統的典型算法 240
5.2.1 基於支持向量機的智能檢測 240
5.2.2 基於神經網絡的智能檢測 244
5.2.3 基於深度學習的智能檢測 247
5.3 智能檢測系統領域的前沿技術 255
5.3.1 傳感器網絡 255
5.3.2 MEMS傳感器 264
5.3.3 微能源技術 274
5.4 智能檢測系統實例 285
5.4.1 物理傳感器的智能化——智能壓力傳感器 285
5.4.2 化學傳感器的智能化——智能化學傳感器陣列 293
5.4.3 生物傳感器的智能化——微流控芯片 299
第6章 無人系統領域的智能傳感與檢測應用 306
6.1 面向無人機的智能傳感與檢測 306
6.1.1 無人機使用的傳感器 309
6.1.2 愛生無人機——“靈鵲”系列垂直起降無人機 309
6.1.3 “魅影”太陽能Wi-Fi無人機——移動的空中基站 311
6.1.4 “光動無人機”——永不著陸的飛行器 313
6.2 面向無人駕駛汽車的智能傳感與檢測 316
6.2.1 無人駕駛汽車的發展 316
6.2.2 自動駕駛分級 317
6.2.3 無人駕駛汽車的關鍵技術 318
6.2.4 無人駕駛汽車的測試方法 320
6.2.5 無人駕駛與智能傳感 322
6.3 面向無人水下航行器的智能傳感與檢測 323
6.3.1 單體系列化水下航行器 324
6.3.2 集群化水下航行器 329
6.3.3 體系化水下航行器 332
6.3.4 大型水下航行器 334
6.3.5 水下航行器的導航與定位技術 335
6.3.6 水下航行器的探測與通信技術 338
6.4 面向智能製造的智能傳感與檢測 339
6.4.1 智能製造概述 339
6.4.2 智能製造中的智能傳感器 340
6.5 面向元宇宙的智能傳感與檢測 344
6.5.1 元宇宙概述 344
6.5.2 元宇宙中的VR和AR設備 345
6.5.3 元宇宙中的感知交互技術 347
6.5.4 元宇宙與智能傳感器行業的發展關系 352
參考文獻 354