傳感器技術(shù)及其工程應(yīng)用智能傳感器

1、第11章 智能傳感器 11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述 11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器 11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器 11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器 11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例 11.6 多傳感器融合系統(tǒng)多傳感器融合系統(tǒng) 11.7 模糊傳感器模糊傳感器 11.8 微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS） 11.9 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn)11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述v11.1 智能傳感器概述智能傳感器概述v 國際電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即v “除產(chǎn)生一個(gè)被測量或被控量的正確表示之外，還同時(shí)具有

2、簡化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。v智能傳感器的功能v 先看一個(gè)智能傳感器的例子，v 圖11-1所示為智能紅外線測溫儀原理框圖。 目目標(biāo)標(biāo)紅紅外外傳傳感感器器溫溫度度傳傳感感器器A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器單單片片機(jī)機(jī)顯示儀表顯示儀表記錄儀表記錄儀表存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器RS-232接口接口微微型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器圖11-1 智能紅外線測溫儀原理框圖 環(huán)環(huán)境境v 紅外傳感器將被檢測目標(biāo)的溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。v 溫度傳感器將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD變換后輸入單片機(jī)。v 單片機(jī)中存放有紅外傳感器的非線性校正數(shù)據(jù)。v 紅外傳感器檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理，消除非

3、線性誤差和環(huán)境溫度影響后，v 供記錄、顯示、存儲(chǔ)備用。v 可見，智能傳感器是具備了記憶、分析和思考能力，輸出期望值的傳感器。v（1）能提供更全面、更真實(shí)的信息，消除異常值、例外值。v（2）具有信號(hào)處理包括溫度補(bǔ)償、線性化等功能。v（3）隨機(jī)調(diào)整和自適應(yīng)。v（4）一定程度的存儲(chǔ)、識(shí)別和自診斷。v（5）含有特定算法并可根據(jù)需要改變算法。 v 智能傳感器不僅在物理層面上檢測信號(hào)，而且在邏輯層面上對信號(hào)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和通信。v 相當(dāng)于具備了人類的記憶、分析、思考和交流的能力，即具備了人類的智能。v 所以稱之為智能傳感器。 v智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)v 人類的智能是怎么構(gòu)成的呢？v

4、 人類的智能是基于即時(shí)獲得的信息和原先掌握的知識(shí)。v 人類的智能是實(shí)現(xiàn)了多重傳感信息的融合并且把它與人類積累的知識(shí)結(jié)合了起來，如圖11-2所示。 大腦大腦積累的積累的知識(shí)知識(shí)判斷判斷人的大腦歸納人的大腦歸納皮膚皮膚傳感傳感耳朵耳朵傳感傳感鼻子鼻子傳感傳感眼睛眼睛傳感傳感圖11-2 人類智能的構(gòu)成 v 1智能傳感器也應(yīng)該由多重傳感器或不同類型傳感器從外部目標(biāo)以分布和并行的方式收集信息；v 2通過信號(hào)處理過程把多重傳感器的輸出或不同類型傳感器的輸出結(jié)合起來或集成在一起，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)融合或集成；v 3最后，根據(jù)先前擁有的關(guān)于被測目標(biāo)的有關(guān)知識(shí)，進(jìn)行最高級(jí)的智能信息處理過程。v 4將信息轉(zhuǎn)換為知識(shí)和

5、概念提供使用。 v 理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)應(yīng)是三層：v 1底層，分布并行傳感過程，實(shí)現(xiàn)被測信號(hào)的收集。v 2中間層，將收集到的信號(hào)融合或集成，實(shí)現(xiàn)信息處理。v 3頂層，中央集中抽象過程，實(shí)現(xiàn)融合或集成后的信息的知識(shí)處理。 v智能傳感器的實(shí)現(xiàn)智能傳感器的實(shí)現(xiàn)v 實(shí)現(xiàn)傳感器智能化，讓傳感器具備理想智能傳感器的層次結(jié)構(gòu)。v 就目前發(fā)展?fàn)顩r看，有3條不同的途徑：v（1）利用計(jì)算機(jī)合成（智能合成）； v（2）利用特殊功能的材料（智能材料）； v（3）利用功能化幾何結(jié)構(gòu)（智能結(jié)構(gòu)）； 11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器v11.2 計(jì)算型智能傳感器計(jì)算型智能傳感器v計(jì)算型智能傳感器構(gòu)成方式計(jì)算型智

6、能傳感器構(gòu)成方式v 計(jì)算型智能傳感器最常見，其底層、中間層和頂層分別由v 基本傳感器、v 信號(hào)處理電路和v 微處理器構(gòu)成。v 它們可以集成在一起，形成一個(gè)整體，封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，稱為集成化方式。v 也可以互相遠(yuǎn)離，分開放置在不同的位置或區(qū)域，稱為非集成化方式。v 介于兩種方式之間的混合集成化方式。 v1非集成化方式v 非集成化傳感器是把基本傳感器、信號(hào)處理電路和帶數(shù)字總線接口的微處理器相隔一定距離組合在一起，構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)。v 此類智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式方便快捷，熟悉自動(dòng)化儀表與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人都能入手。v 目前國內(nèi)外已有不少此類產(chǎn)品。 v2集成化方式v 集成化方式是采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和

7、大規(guī)模集成電路工藝，v 把傳感元件、信號(hào)處理電路、微處理器集成在一個(gè)硅材料芯片上制成獨(dú)立的智能傳感器功能塊。v 作為商品已有多種集成化智能傳感器，如單片智能壓力傳感器和智能溫度傳感器等。 v3混合集成方式v 混合集成方式是將智能傳感器的v 傳感元件、v 信號(hào)處理電路、v 微處理器等各個(gè)部分v 以不同的組合方式分別集成在幾個(gè)芯片上，然后封裝在同一個(gè)外殼里。 v計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)v 通常表現(xiàn)為并行的多個(gè)基本傳感器（也可以是一個(gè)）與期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件結(jié)合的傳感功能組件，v 如圖113所示。v 期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件是v 安裝有專用程序，可以有效的改善測量質(zhì)量，增加準(zhǔn)

8、確性，可以為傳感器加入診斷功能和其它形式的智能。 傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3模模數(shù)數(shù)變變換換數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)處理處理硬件硬件電源電源數(shù)數(shù)模模變變換換輸出輸出圖11-3 計(jì)算型智能傳感器基本結(jié)構(gòu)圖 v 現(xiàn)今已有硅芯片等多種半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理硬件的開發(fā)。v 典型的數(shù)字信號(hào)處理硬件有如下幾種：v 1.微控制器MCUv 微控制器MCU實(shí)際上是專用的單片機(jī)。其包括微處理器、ROM和RAM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和片內(nèi)輸入輸出端口I/O等。v 其結(jié)構(gòu)如圖11-4所示。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器I/O接口接口中央處理器單元（中央處理器單元（CPU）時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生

9、器時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器晶振晶振數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)總總線線地地址址總總線線數(shù)數(shù)字字輸輸入入數(shù)數(shù)字字輸輸出出置置位位電電源源接地接地圖11-4 微控制器MCU結(jié)構(gòu)框圖 v 微控制器MCU為智能傳感器提供了靈活、快速、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)一體控制的捷徑。v MCU編程較容易，邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)，可與各種不同類型的外設(shè)連接，這為MCU增加了設(shè)計(jì)中的選擇能力。v 大批量的硅芯片集成生產(chǎn)能力可使系統(tǒng)獲得更低成本、更高質(zhì)量和更高的可靠性。v 2.數(shù)字信號(hào)處理器DSPv DSP比一般單片機(jī)或MCU運(yùn)算速度快，可供實(shí)時(shí)信號(hào)處理用。v 典型的DSP可在不到100ns（10-9秒）的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行數(shù)條指令。v 這種能力使其可獲得最高達(dá)20MIPS（

10、百萬條指令每秒）的運(yùn)行速度，是通常MCU的1020倍。v 例如DSP56L811：v（1）可在2.73.6V電壓范圍內(nèi)工作，在40MHz時(shí)鐘頻率下、最高達(dá)20MIPS速度；v（2）單循環(huán)、多重累加位移計(jì)算方式；v（3）16位指令和16位數(shù)據(jù)字長；v（4）兩個(gè)36位累加器；v（5）三個(gè)串行I/O口；v（6）16位并行I/O口，兩個(gè)外部中斷；v（7）40MHz時(shí)鐘頻率下，功率損耗為120mW。 v 汽車的接近障礙探測系統(tǒng)和減噪系統(tǒng)就使用了DSP與傳感器的結(jié)合；v 檢查電機(jī)框架上螺栓孔傾斜度的智能傳感器就是用DSP代替原先的一臺(tái)主計(jì)算機(jī)，速度由原來的一分鐘檢查一個(gè)孔，提高到一分鐘檢查100個(gè)孔，v

11、用來處理傳感器信號(hào)的DSP設(shè)計(jì)工具只有一張名片大。 v 3. 專用集成電路ASICv ASIC技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，v 將可編程邏輯裝置（PLD）用于小于5000只邏輯門的低密度集成電路上，設(shè)計(jì)成可編程的低、中密度集成的用戶電路，v 作為數(shù)字信號(hào)處理硬件使用。v ASIC具有相對低的成本和更短的更新周期。v 用戶電路上附加的邏輯功能可以實(shí)現(xiàn)某些特殊傳感要求的尋址。v 混合信號(hào)的ASIC則可同時(shí)用于模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理。 v 4.場編程邏輯門陣列FPGAv 場編程邏輯門陣列FPGA以標(biāo)準(zhǔn)單元用于中密度（小于100000只邏輯門）高端電路，設(shè)計(jì)成可編程的高密度集成的用戶電路，v 作為數(shù)字信號(hào)

12、處理硬件使用。v FPGA和v 用于模擬量處理的同系列裝置場編程模擬陣列FPAA，v 作為傳感器接口具有特殊的吸引力。v 它們具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，v 它們能減小開發(fā)周期，在投入使用后還可以再次重新設(shè)計(jì)信號(hào)處理程序，調(diào)整傳感功能。 v 5.微型計(jì)算機(jī)v 當(dāng)然，期望的數(shù)字信號(hào)處理硬件也可以用微型計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。v 這樣組合成的計(jì)算型智能傳感器就不是一個(gè)集成單片傳感功能裝置，而是一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)了。v 今后，計(jì)算型智能傳感器還將進(jìn)一步利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、多重信息融合等技術(shù)，v 從而具備分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)能力，v 完成圖像識(shí)別、特征檢測和多維檢測等更為復(fù)雜的任務(wù)。11.3 特殊材料型智

13、能傳感器特殊材料型智能傳感器v11.3 特殊材料型智能傳感器特殊材料型智能傳感器v 特殊材料型智能傳感器利用了特殊功能材料對傳感信號(hào)的選擇性能。v 例如，在生物傳感器一節(jié)中曾提到過酶和微生物對特殊物質(zhì)具有高選擇性，有時(shí)甚至能辨別出一個(gè)特殊分子。 v 另一種化學(xué)智能傳感器是用具有不同特性和非完全選擇性的多重傳感器組成。v 例如“電子鼻”的嗅覺系統(tǒng) v 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有幾種對有機(jī)或無機(jī)氣體具有不同敏感性或傳導(dǎo)性的材料，都已經(jīng)或者正在獲得應(yīng)用。 11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器v11.4 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器v 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器的信號(hào)處理是以傳感器本身的幾何或

14、機(jī)械結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)的，這使得信號(hào)處理可以大大簡化，響應(yīng)很迅速。v 前面所述的凸透鏡和凹透鏡就是一個(gè)幾何結(jié)構(gòu)型光智能傳感器的例子。 v 幾何結(jié)構(gòu)型智能傳感器的最重要特點(diǎn)是：v 傳感器和信號(hào)處理、v 傳感和執(zhí)行、v 信號(hào)處理和信號(hào)傳輸?shù)葀 多重功能的合成。 11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例v11.5 智能傳感器實(shí)例智能傳感器實(shí)例v智能壓力傳感器智能壓力傳感器v 智能壓力傳感器是計(jì)算型智能傳感器，它由主傳感器、v 輔助傳感器、v 微機(jī)硬件系統(tǒng)（數(shù)字信號(hào)處理器）三部分構(gòu)成。v 如圖115所示。 圖115 智能壓力傳感器構(gòu)成框圖 v 主傳感器為壓力傳感器，由它來測量被測壓力參數(shù)。v 輔助傳感器為溫度

15、傳感器和環(huán)境壓力傳感器。v 微機(jī)硬件系統(tǒng)（數(shù)字信號(hào)處理器），用于對傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、處理、存儲(chǔ)和與計(jì)算機(jī)通信。 v氣象參數(shù)測試儀氣象參數(shù)測試儀v 氣象參數(shù)測試儀也是一臺(tái)計(jì)算型智能傳感器，如圖11-6所示。v（1）實(shí)現(xiàn)風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓的傳感器信號(hào)采集；v（2）對采集的信號(hào)進(jìn)行處理、顯示；v（3）實(shí)現(xiàn)與微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，傳送儀器的工作狀態(tài)、氣象參數(shù)數(shù)據(jù)。 風(fēng)向傳感器風(fēng)向傳感器風(fēng)速傳感器風(fēng)速傳感器溫濕傳感器溫濕傳感器1溫濕傳感器溫濕傳感器N擴(kuò)展數(shù)字接口擴(kuò)展數(shù)字接口氣壓傳感器氣壓傳感器擴(kuò)展模擬接口擴(kuò)展模擬接口數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)處理處理接口接口電路電路模擬信號(hào)模擬信號(hào)處理處理接

16、口電路接口電路單片機(jī)單片機(jī)89C52LCD液晶液晶顯示顯示看門狗看門狗電路電路上上位位機(jī)機(jī)按鍵接口電路按鍵接口電路RS-485RS-232圖11-6 氣象參數(shù)測試儀結(jié)構(gòu)框圖 v汽車制動(dòng)性能檢測儀汽車制動(dòng)性能檢測儀v 制動(dòng)性能的檢測有路試法和臺(tái)試法。v 臺(tái)試法用得較多，v 它是通過在制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對汽車進(jìn)行制動(dòng)力的測量，并以車輪制動(dòng)力的大小和左右車輪制動(dòng)力的差值來綜合評(píng)價(jià)汽車的制動(dòng)性能。v 汽車制動(dòng)性能檢測儀由v 左輪、右輪制動(dòng)力傳感器、v 數(shù)據(jù)采集、v 處理與輸出系統(tǒng)組成，v 其總體框圖如圖117所示。 左輪左輪制動(dòng)力制動(dòng)力傳感器傳感器右輪右輪制動(dòng)力制動(dòng)力傳感器傳感器鍵盤鍵盤打印機(jī)打印機(jī)信號(hào)信號(hào)

17、處理處理模塊模塊12位位A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換左輪左輪滾筒滾筒電機(jī)電機(jī)右輪右輪滾筒滾筒電機(jī)電機(jī)單片機(jī)單片機(jī)AT89C52微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)串行驅(qū)動(dòng)串行驅(qū)動(dòng)耦合驅(qū)動(dòng)耦合驅(qū)動(dòng)左輪力左輪力右輪力右輪力LCD顯示器顯示器圖117 汽車制動(dòng)性能檢測儀總體框圖 v輪速智能傳感器輪速智能傳感器v 輪速智能傳感器的硬件結(jié)構(gòu)以單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展8KBRAM和8KBEPROM，v 外圍電路有信號(hào)處理電路、v 總線通信控制、v 總線接口等，v 如圖11-8所示。 輪速傳感器輪速傳感器信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路光電隔離光電隔離SJA1000光光電電隔隔離離82C25082C250儀表盤智能儀表盤智能測控節(jié)點(diǎn)測控節(jié)點(diǎn)80C

18、31單單片片機(jī)機(jī)看門狗電路看門狗電路8KBEPROM8KBRAMCAN總線總線車輪車輪儀器儀器儀表儀表圖11-8 輪速智能傳感器 v 輪速智能傳感器檢測到的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度信號(hào)經(jīng)濾波、整形變換為脈沖數(shù)字信號(hào)后，v 由光電隔離耦合輸入到80C31單片機(jī)端口。v 輪速和其他測控?cái)?shù)據(jù)v 由儀表盤上的儀器儀表顯示和使用。 v車載信息系統(tǒng)車載信息系統(tǒng)v 對汽車的各種信息狀態(tài)，如燃油的液位、電池電壓、水溫、機(jī)油壓力、車速等進(jìn)行采集、處理、顯示和報(bào)警，v 同時(shí)接收全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）信息進(jìn)行顯示。v 駕駛員可根據(jù)顯示和報(bào)警提示進(jìn)行相應(yīng)的操作和處理，以保證汽車安全正常行駛。 v 車載信息系統(tǒng)如圖11-9所示

19、，由v 多種傳感器、v 數(shù)據(jù)采集卡（A/D轉(zhuǎn)換接口）、v 計(jì)數(shù)器卡（數(shù)據(jù)輸入接口）、v 總線、v 聲光顯示和報(bào)警器、v GPS、v 工控機(jī)和管理控制軟件等組成。圖11-9 車載信息系統(tǒng)工作原理框圖 v 燃油的液位、電池電壓、水溫、機(jī)油壓力、車速等各種信息由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測，通過數(shù)據(jù)采集接口卡轉(zhuǎn)換為調(diào)制在不同頻率上的數(shù)字信號(hào)。v 計(jì)數(shù)接口卡由多路計(jì)數(shù)器組成，將這些調(diào)制在不同頻率上的數(shù)字信號(hào)分別存儲(chǔ)在各路計(jì)數(shù)器里。v 工控機(jī)在軟件的控制下，巡回檢取各路計(jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)，運(yùn)算處理后，以圖形方式顯示在液晶顯示屏上，以便駕駛員觀察。 v GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)根據(jù)三顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)，v 實(shí)時(shí)

20、計(jì)算和在液晶顯示屏上顯示汽車所處的地理位置（經(jīng)度和緯度）。v 當(dāng)某物理量超出安全值范圍時(shí)，即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，v 警示駕駛員盡快采取措施，以保證安全行車。11.6 多傳感器融合系統(tǒng)多傳感器融合系統(tǒng)v11.6 多傳感器融合系統(tǒng)多傳感器融合系統(tǒng)v 多傳感器融合系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)對多個(gè)基本傳感器的檢測數(shù)據(jù)，在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合、支配和使用，獲得對被測對象的一致性解釋與描述，形成相應(yīng)的決策和估計(jì)的智能傳感器系統(tǒng)。v 多傳感器融合系統(tǒng)包含v 多傳感器融合v 數(shù)據(jù)融合。 v多傳感器融合多傳感器融合v 多傳感器融合指多個(gè)基本傳感器空間和時(shí)間上的復(fù)合應(yīng)用和設(shè)計(jì)，v 常稱為多傳感器復(fù)合。v 多傳感器融合能在

21、最短的時(shí)間內(nèi)獲得大量的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。v 多傳感器融合有4個(gè)級(jí)別： 級(jí)別復(fù)合類型特 征實(shí) 例0同等式1各個(gè)分離的傳感器集成在一個(gè)平臺(tái)上；2每個(gè)傳感器的功能獨(dú)立；3各傳感器的數(shù)據(jù)不相互利用1導(dǎo)航雷達(dá)；2夜視鏡1信號(hào)式1各個(gè)分離的傳感器集成在一個(gè)平臺(tái)上；2各傳感器的數(shù)據(jù)可用來控制其他傳感器工作1遙控和遙測，2炮瞄雷達(dá)2物理式1多傳感器組合為一個(gè)整體；2多傳感器位置明確；3共口徑輸出數(shù)據(jù)；4各傳感器的數(shù)據(jù)可用來控制其他傳感器工作1交通管制；2工業(yè)過程監(jiān)視3融合式1各傳感器數(shù)據(jù)的分析互相影響；2處理后的整體性能好于各傳感器的簡單相加；3結(jié)構(gòu)合成是必須的1機(jī)械手

22、；2機(jī)器人v數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合v 數(shù)據(jù)融合也稱信息融合，是把分布在不同位置的，多個(gè)同類或不同類基本傳感器所提供的局部不完整觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行合并或綜合，v 消除可能存在的冗余和矛盾，降低不確定性，形成相對完整一致的感知描述，提供給決策和執(zhí)行系統(tǒng)。v 多傳感器數(shù)據(jù)融合目前有數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層融合3種融合層次。 v多傳感器融合系統(tǒng)的應(yīng)用多傳感器融合系統(tǒng)的應(yīng)用v 多傳感器融合系統(tǒng)可用于工業(yè)過程監(jiān)視、機(jī)器人、空中交通管制、遙感檢測、水上船舶航行安全、海上監(jiān)視和環(huán)境保護(hù)等系統(tǒng)。v 圖11-10所示為空中交通管制系統(tǒng)框圖，它是一個(gè)典型的多傳感器（雷達(dá)）、多因素、多層次的信息融合系統(tǒng)。 飛機(jī)上的雷達(dá)、

23、信標(biāo)機(jī)、通信機(jī)計(jì)算機(jī)、雷達(dá)顯示器、飛行數(shù)據(jù)顯示器地形地貌、地理位置特征航管通信設(shè)備調(diào) 度 人員多部一次、二次地面雷達(dá)氣象站圖11-10 空中交通管制系統(tǒng)框圖v 飛機(jī)在飛行的過程中，使用機(jī)載雷達(dá)識(shí)別出地面預(yù)先精心設(shè)置的某些地理位置，再用信標(biāo)機(jī)把飛越每個(gè)地理位置的時(shí)間和高度向雷達(dá)信標(biāo)應(yīng)答。v 計(jì)算機(jī)和顯示器等監(jiān)視和控制設(shè)備，接收到飛機(jī)上和地面多部各種類型雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合v 得到飛機(jī)位置、航向、速度和屬性等信息，利用這些信息修正飛機(jī)對指定航線的偏離，防止相撞并調(diào)度飛機(jī)流量。 11.7 模糊傳感器模糊傳感器v11.7 模糊傳感器模糊傳感器v 模糊傳感器是智能傳感器的一種，是以數(shù)值量為基礎(chǔ)，能

24、產(chǎn)生和處理被測量狀態(tài)的模糊符號(hào)信息的傳感器。v模糊語言和模糊傳感器模糊語言和模糊傳感器 v 人們生活、生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)踐需要一種在傳統(tǒng)傳感器進(jìn)行數(shù)值測量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理與知識(shí)集成，以“自然語言符號(hào)” 形式輸出的模糊傳感器，如圖11-11所示。 傳統(tǒng)傳感器測量數(shù)值 進(jìn)行模糊推理與知識(shí)集成 輸出自然語言符號(hào)圖11-11 模糊傳感器組成原理v 人們對自然界事物的認(rèn)識(shí)存在著一定的模糊性，用模糊語言符號(hào)來表述信息具有較為簡單、方便，且易于進(jìn)行高層邏輯推理等優(yōu)點(diǎn)，更加接近人類的思維方式。v 傳感器測量結(jié)果的模糊語言符號(hào)表示，就是利用模糊數(shù)學(xué)的理論和方法，v 借助于專門的技術(shù)工具，v 把測量得到的信息，用

25、適合人們模糊概念的模糊語言符號(hào)加以描述。 v模糊傳感器的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法模糊傳感器的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法v1. 模糊傳感器的結(jié)構(gòu)v 如圖11-12所示，主要由v “傳統(tǒng)的數(shù)值測量單元”和v “數(shù)值符號(hào)轉(zhuǎn)換單元”兩部分組成。v 數(shù)值模糊化為符號(hào)的工作必須在“專家”的指導(dǎo)下進(jìn)行。 v 數(shù)值模糊化為符號(hào)的過程是v 1. 在測量集上對實(shí)數(shù)集合選取適當(dāng)多個(gè)“特征表示”；v 2. 將這些“特征表示”進(jìn)行對應(yīng)模糊語言符號(hào)映射，生成模糊語言符號(hào)集合；v 3. 再把被測量的數(shù)值量轉(zhuǎn)換為最合適的模糊語言符號(hào)描述。被測對象數(shù)值測量單元數(shù)值符號(hào)轉(zhuǎn)換單元符號(hào)處理專家信號(hào)管理被測量數(shù)值量符號(hào)輸出圖11-12 模糊傳感器的結(jié)構(gòu) v

26、2. 模糊傳感器的實(shí)現(xiàn)方法v 模糊傳感器需要定義一個(gè)模糊語言映射，也就是數(shù)值域到符號(hào)域的模糊轉(zhuǎn)換關(guān)系，v 才能將測量所得的數(shù)值域中的數(shù)值量映射到符號(hào)域，進(jìn)行數(shù)值的模糊化，v 生成相應(yīng)的模糊語言符號(hào)。v 圖11-13所示為模糊語言映射的過程。 圖11-13 數(shù)值到符號(hào)的映射 v 圖中Q為數(shù)值域，S為符號(hào)域。v M（qi）si為映射，稱si是qi的一個(gè)符號(hào)。v si的含義是qi從數(shù)值域向符號(hào)域映射的投影，符號(hào)si成為測量值qi的模糊描述。v 數(shù)值元素qi大多數(shù)情況下不只是一個(gè)數(shù)值點(diǎn)，而是一個(gè)數(shù)值子域（子集）。v M-1（si）qi為逆映射，由符號(hào)向數(shù)值逆轉(zhuǎn)換，獲得定量測量數(shù)據(jù)。 v 與定量數(shù)值無限

27、可分相比，模糊符號(hào)描述細(xì)節(jié)的程度和范圍不夠。v 為此，采用多級(jí)映射，把符號(hào)分得細(xì)一些，以擴(kuò)大符號(hào)表示的細(xì)致程度和范圍。v 圖11-14所示為數(shù)值到符號(hào)的多級(jí)映射。 圖11-14 數(shù)值到符號(hào)的多級(jí)映射 v 首先是由數(shù)值域Q中的元素qi經(jīng)過映射M的第一級(jí)M1映射到符號(hào)域S的子集Si，v 如果子集Si描述細(xì)致程度不夠，則可以進(jìn)行第二級(jí)映射M2，將qi映射到次子集Sj，v 經(jīng)過若干級(jí)映射可以得到描述qi信息的更為細(xì)致的符號(hào)Sy。v 多級(jí)映射通常不超過3級(jí)。v 多級(jí)映射得到的符號(hào)Sy可通過多級(jí)逆映射M-1得到數(shù)值qi，供定量測量數(shù)據(jù)輸出用。v模糊傳感器的應(yīng)用模糊傳感器的應(yīng)用v 模糊傳感器的應(yīng)用已進(jìn)入日用

28、家電領(lǐng)域，如v 模糊控制洗衣機(jī)中布量檢測、水位檢測、水的渾濁度檢測；v 電飯煲中的水、飯量檢測；v 模糊手機(jī)充電器等。v 另外，模糊距離傳感器、模糊溫度傳感器、模糊色彩傳感器等也由國內(nèi)外專家們研制，并已經(jīng)獲得了成果。v 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科分支的相互融合，模糊傳感器也應(yīng)用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別等體系中。v 模糊傳感器的出現(xiàn)，不僅拓寬了經(jīng)典測量學(xué)科，而且使測量科學(xué)向人類的自然語言理解方面邁出了重要的一步。 11.8 微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）v11.8 微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）v 微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是在一個(gè)硅基板上集成了機(jī)械零件和電子元器件，v 可對聲、光、熱、磁、運(yùn)動(dòng)

29、等自然信息進(jìn)行檢測，v 并且具有信號(hào)處理器和執(zhí)行器功能的v 微機(jī)械加工型智能傳感器。v 組成如圖11-15所示，外形毫米量級(jí)，機(jī)械零件和電子元器件微米納米量級(jí)。微傳感器被 測量微處理器微執(zhí)行器輸出信號(hào)圖11-15 三位一體的微機(jī)電系統(tǒng) v微機(jī)電系統(tǒng)（微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的特點(diǎn)）的特點(diǎn)v 微機(jī)電系統(tǒng)的制作主要基于兩大技術(shù)，即集成電路（IC）技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)。v 其中集成電路技術(shù)主要用于制造電子部分，即信號(hào)處理和控制系統(tǒng)部分，與傳統(tǒng)的IC生產(chǎn)過程基本相同； v 微機(jī)械加工技術(shù)用于制造機(jī)械部分，將機(jī)械部分直接蝕刻到一片晶圓（wafer 單晶硅圓片）中，v 或者增加新的結(jié)構(gòu)層來制作MEMS產(chǎn)品。

30、v 微機(jī)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：v 1）體積小，重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短，v 可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可以嵌入大尺寸系統(tǒng)中使用。v 2）以硅為主要材料，硅的強(qiáng)度、硬度和彈性模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢，v 可利用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝進(jìn)行生產(chǎn)； v3）用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)MEMS，再切割封裝成產(chǎn)品，v 批量生產(chǎn)可大大降低成本；v4）可把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微機(jī)電系統(tǒng)。v 微機(jī)電系統(tǒng)中的傳感器有v 微熱傳感器、v 微輻射傳感器、v 微力學(xué)量傳感器、v 微磁傳感器、v 微生物（化學(xué)）傳感器等

31、種類。 v聲表面波叉指換能器聲表面波叉指換能器v 其工作原理源自某些晶體，例如單晶硅、多晶硅和鈮酸鋰等，具有壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)和表面波傳播的物理特性。v 如圖11-16（a）所示。v 當(dāng)左邊的叉指換能器上施加交變的電信號(hào)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，基體材料將產(chǎn)生彈性變形, 從而產(chǎn)生聲波振動(dòng)。v 向基片內(nèi)部傳送的體波會(huì)很快衰減, 而表面波則向左、右兩個(gè)方向傳播。 圖11-16 叉指換能器聲表面波濾波器（a）聲表面波濾波器 （b）叉指換能器結(jié)構(gòu) v 叉指換能器的幾何尺寸包括v 叉指對數(shù)、 指條寬度a、 指條間隔b、 指條有效長度B和叉指對之間的距離M等。v 叉指換能器有自己的彈性波的諧振頻率，稱為同步頻

32、率f0。同步頻率f0的倒數(shù)為彈性波長，即聲表面波波長。v 其等于兩個(gè)相鄰叉指對之間的距離M的兩倍。v 聲表面波的速度v取決于材料，一般為3490m/s（鈮酸鋰的值），v 對于石英和鈮酸鋰晶體襯底，叉指換能器通常采用的同步頻率為10MHz幾GHz，v 若為1GHz，則聲表面波的波長為34901093.5m。v 而1GHz的交流電信號(hào)或電磁波的波長為c/109，0.3m，c3108m/s，與光速相同。v 這樣，在壓電材料襯底上外加電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲表面波時(shí)，波長減小了大約105倍。v 這使器件的物理尺寸能和IC工藝兼容，v 用作傳感器，使傳感器的微型化成為可能。 v叉指換能器振蕩器式微傳感器叉指換能

33、器振蕩器式微傳感器v 圖11-17所示為利用聲表面波叉指換能器和環(huán)路放大器做成的叉指換能器式微溫度傳感器。v 叉指換能器和聲表面波傳播通道形成了選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，與同相放大器組成了振蕩器，v 振蕩頻率等于相鄰叉指對之間的距離M的兩倍的倒數(shù)。 圖11-17 叉指換能器微溫度傳感器 v 用頻率計(jì)可測振蕩頻率。v 若環(huán)境溫度改變，則M值會(huì)隨之改變，振蕩信號(hào)頻率就會(huì)改變。v 用頻率計(jì)測得頻率的變化f，由計(jì)算機(jī)計(jì)算可獲得溫度的變化T。v Tkff0 v 若在兩個(gè)叉指換能器之間的聲表面波傳播通道上鋪設(shè)待測化學(xué)敏感膜，v 在測量的過程中，膜的質(zhì)量的變化也會(huì)引起聲表面波振蕩頻率改變。v 計(jì)算得到化學(xué)敏感膜質(zhì)量的變化m。v Bf0mff0 v B是與壓電晶體襯底材料有關(guān)的參量。v 聲表面波叉指換能器與膜技術(shù)結(jié)合，可以開發(fā)出叉指換能器微型生物傳感器。v反射波陣列式微加速度傳感器反射波陣列式微加速度傳感器v 圖11-18所示，v 壓電薄膜上做有叉指換能器，同時(shí)做有多晶硅質(zhì)量塊。v 質(zhì)量塊下方有反射體，質(zhì)量塊緊緊貼近壓電薄膜（距離小于一個(gè)聲波波長），由支撐體支撐。吸收體做在最左邊。圖11-18 叉指換能器式微加速度傳感器v 天線接收空中的電磁波信號(hào)，轉(zhuǎn)換為高頻振蕩信號(hào)激勵(lì)叉指換能器，v 在叉指換能器的叉指之間產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)頻率的電場，v 由于逆壓