《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》第2章

第2章現(xiàn)代傳感技術(shù)概述學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)能力：熟悉各種現(xiàn)代傳感技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用。技能能力：初步掌握智能傳感技術(shù)的開(kāi)發(fā)方法。綜合能力：提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，加強(qiáng)學(xué)生溝通能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)?！?.1

幾種新型傳感技術(shù)【知識(shí)能力】

智能傳感器是基于人工智能、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具有分析、判斷、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，漂移、非線性和頻率響應(yīng)等自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)環(huán)境影響量的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)，以及超限報(bào)警、故障診斷等功能的傳感器。

智能傳感技術(shù)已成為現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。目前，智能傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通、智能家居等領(lǐng)域。§2.1.1智能傳感器一、智能傳感器的概念

智能傳感器已具備了人類(lèi)的某些智能思維與行為。人類(lèi)通過(guò)眼睛、鼻子、耳朵和皮膚感知獲得外部環(huán)境多重傳感信息，這些傳感信息在人類(lèi)大腦中歸納、推理并積累形成知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)；當(dāng)再次遇到相似外部環(huán)境時(shí)，人類(lèi)大腦根據(jù)積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行推理判斷，做出相應(yīng)反應(yīng)。智能傳感器與人類(lèi)智能相類(lèi)似，其傳感器相當(dāng)于人類(lèi)的感知器官，其微處理器相當(dāng)于人類(lèi)大腦，可進(jìn)行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)“知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)”與采集的有用數(shù)據(jù)。一、智能傳感器的概念§2.1.1智能傳感器智能傳感器主要由傳感器、微處理器及相關(guān)電路組成，如下圖所示。傳感器將被測(cè)的物理、化學(xué)量等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)理電路中，經(jīng)過(guò)濾波、放大、模-數(shù)轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理處理后送到微處理器。微處理器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和處理后，一方面通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制，另一方面將處理后的結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)過(guò)接口電路的處理后按照輸出格式輸出數(shù)字化的測(cè)量結(jié)果。智能傳感器中微處理器是智能化的核心，用于實(shí)現(xiàn)信息處理、邏輯思維、推理判斷等智能化功能。二、智能傳感器的基本結(jié)構(gòu)§2.1.1智能傳感器由于智能傳感器引入了微處理器進(jìn)行信息處理、邏輯思維、推理判斷，使其除了傳統(tǒng)傳感器的檢測(cè)功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能，其功能已經(jīng)延伸至儀器的領(lǐng)域。具體功能包括：(1)自校零、自標(biāo)定、自校正、自適應(yīng)量程功能；(2)自補(bǔ)償功能；(3)自診斷（自檢）功能；(4)信息處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記憶功能；(5)雙向通信和數(shù)字輸出功能；(6)組態(tài)功能。三、智能傳感器的功能§2.1.1智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有如下特點(diǎn)：(1)測(cè)量精度高：智能傳感器具有自校零、自校正、自適應(yīng)量程、自補(bǔ)償和數(shù)字濾波等多項(xiàng)新技術(shù)，可以有效修正各種確定性系統(tǒng)誤差和一定程度補(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲，大大提高測(cè)量精度。(2)可靠性和穩(wěn)定性高：集成式智能傳感器消除了傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的某些不可靠因素，提高了抗干擾性能；同時(shí)，智能傳感器能定時(shí)或不定時(shí)對(duì)軟硬件資源進(jìn)行自診斷，對(duì)于異常情況或故障能及時(shí)報(bào)警或處理，甚至自恢復(fù)，這些都大大提高了器可靠性和穩(wěn)定性。(3)性?xún)r(jià)比高：與普通傳感器相比，智能傳感器可使用低價(jià)的微處理器、集成電路工藝和編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其具有更高的性能價(jià)格比。(4)智能化、多功能化：智能傳感器由于采用微處理器及相關(guān)算法，使其具有某些與人類(lèi)相似的智能思維與行為，實(shí)現(xiàn)多種提高測(cè)量性能、簡(jiǎn)化操作的功能。四、智能傳感器的特點(diǎn)§2.1.1智能傳感器(1)模塊化方式模塊化智能傳感器是將基本傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器相互分離連接，組合成一整體而構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)，這種模塊化智能傳感器是在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)下迅速發(fā)展起來(lái)的。這是一種在傳統(tǒng)普通傳感器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)的最快途徑與方式，易于實(shí)現(xiàn)，具有較高的實(shí)用性。五、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)§2.1.1智能傳感器(1)模塊化方式目前，國(guó)內(nèi)外已有不少此類(lèi)產(chǎn)品。此類(lèi)智能傳感器各部件可以封裝在一個(gè)外殼中，也可分開(kāi)設(shè)置，其集成度不高、體積較大。智能傳感器的模塊化實(shí)現(xiàn)方式一般采用SMBus總線、RS-232、RS-422、RS-485、USB、CAN等總線，目前ZigBee、WiFi、藍(lán)牙等無(wú)線傳輸方式也廣泛應(yīng)用于智能傳感器。五、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)§2.1.1智能傳感器(2)集成化方式集成化的智能傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，以半導(dǎo)體材料硅為基本材料來(lái)制作敏感元件，將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路以及微處理器等集成在一塊芯片上構(gòu)成的。此類(lèi)智能傳感器具有小型化、性能可靠、易于批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而被認(rèn)為是智能傳感器的主要發(fā)展方向。下圖是三維多功能單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)圖，該智能傳感器將敏感元件、數(shù)據(jù)傳輸線、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、電源和驅(qū)動(dòng)等集成在一塊硅基片上。集成化智能傳感器一般采用1-Wire總線、I2C總線、SPI總線等。三、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)1—敏感元件；2—傳輸線；3—存儲(chǔ)器；4—運(yùn)算器；5—電源和驅(qū)動(dòng)；6—硅基片§2.1.1智能傳感器(3)混合方式根據(jù)具體需要和技術(shù)，混合式智能傳感器將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路和微處理器、數(shù)字總線接口等部分以不同的組合方式集成在兩個(gè)或三個(gè)芯片上，然后裝配在同一殼體中。三、智能傳感器的實(shí)現(xiàn)§2.1.1智能傳感器傳統(tǒng)傳感器是數(shù)值傳感器，它將被測(cè)量映射到實(shí)數(shù)集中，用數(shù)據(jù)描述被測(cè)量的狀態(tài)，即對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定量描述。但由于被測(cè)對(duì)象的多樣式、被分析問(wèn)題的復(fù)雜性和信息的直接獲取困難性等原因，有些信息無(wú)法用數(shù)值符號(hào)描述、或者用數(shù)值描述很困難。近年迅速發(fā)展起來(lái)的模糊傳感器在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)模糊推理和知識(shí)合成，以模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)描述的形式輸出測(cè)量結(jié)果的一類(lèi)智能傳感器。顯然，模糊傳感器的核心部分就是模擬人類(lèi)自然語(yǔ)言符號(hào)的產(chǎn)生及其處理。模糊傳感器的“智能”之處在于：它可以模擬人類(lèi)感知的全過(guò)程，核心在于知識(shí)性，知識(shí)的最大特點(diǎn)在于其模糊性。它不僅具有智能傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)和功能，而且還具有學(xué)習(xí)推理的能力，具有適應(yīng)測(cè)量環(huán)境變化的能力，并且能夠根據(jù)測(cè)量任務(wù)的要求進(jìn)行學(xué)習(xí)推理。另外，模糊傳感器還具有與上級(jí)系統(tǒng)交換信息的能力，以及自我管理和調(diào)節(jié)的功能。模糊理論應(yīng)用于測(cè)量中的主要思想是將人們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中積累的對(duì)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量環(huán)境的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)融合到測(cè)量結(jié)果中，使測(cè)量結(jié)果更加接近人的思維?！?.1.2模糊傳感器一、模糊傳感器概述§2.1

幾種新型傳感技術(shù)模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測(cè)量的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)模糊推理與知識(shí)集成，以自然語(yǔ)言符號(hào)的描述形式輸出的傳感器。具體地說(shuō)，將被測(cè)量值范圍劃分為若干個(gè)區(qū)間，利用模糊集理論判斷被測(cè)量值的區(qū)間，并用區(qū)間中值或相應(yīng)符號(hào)進(jìn)行表示，這一過(guò)程稱(chēng)為模糊化。對(duì)多參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)測(cè)試時(shí)，需要將多個(gè)被測(cè)量值的相應(yīng)符號(hào)進(jìn)行組合模糊判斷，最終得出測(cè)量結(jié)果。模糊傳感器的一般結(jié)構(gòu)下圖所示。信息的符號(hào)表示與符號(hào)信息系統(tǒng)是研究模糊傳感器的核心與基石。一、模糊傳感器概述§2.1.2模糊傳感器模糊傳感器作為一種智能傳感器，具有智能傳感器的基本功能，即學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想、感知和通信功能。（1）學(xué)習(xí)功能：人類(lèi)知識(shí)集成的實(shí)現(xiàn)、測(cè)量結(jié)果高級(jí)邏輯表達(dá)等都是通過(guò)學(xué)習(xí)功能完成的。能夠根據(jù)測(cè)量任務(wù)的要求學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)是模糊傳感器與傳統(tǒng)傳感器的重要差別。模糊傳感器的學(xué)習(xí)功能是能過(guò)導(dǎo)師學(xué)習(xí)算法和無(wú)導(dǎo)師自學(xué)習(xí)算法完成的。（2）推理聯(lián)想功能：模糊傳感器可分為一維傳感器和多維傳感器。一維傳感器當(dāng)接受外界刺激時(shí)，可以通過(guò)訓(xùn)練時(shí)記憶聯(lián)想得到符號(hào)化測(cè)量結(jié)果。多維傳感器接受多個(gè)外界刺激時(shí)，可以通過(guò)人類(lèi)知識(shí)的集成進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息整合與多傳感器信息融合以及復(fù)合概念的符號(hào)化表示結(jié)果。推理聯(lián)想功能需要通過(guò)推理機(jī)構(gòu)和知識(shí)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（3）感知功能：模糊傳感器與一般傳感器一樣可以感知由傳感元件確定的被測(cè)量，但根本區(qū)別在于前者不僅可輸出數(shù)值，而且可以輸出語(yǔ)言符號(hào)量。因此，模糊傳感器必須具有數(shù)值-符號(hào)轉(zhuǎn)換能力。（4）通信功能：傳感器通常作為大系統(tǒng)中的子系統(tǒng)工作，因此模糊傳感器應(yīng)該能與上級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，因而通信功能是模糊傳感器的基本功能。二、模糊傳感器的基本功能§2.1.2模糊傳感器微傳感器的誕生依賴(lài)于微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystemm，MEMS）技術(shù)的發(fā)展。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件或系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。MEMS系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是其微型化，涉及電子、機(jī)械、材料、制造、控制、物理、化學(xué)、生物等多學(xué)科技術(shù)，其中大量應(yīng)用的各種材料的特性和加工制作方法在微米或納米尺度下具有特殊性，不能完全照搬傳統(tǒng)的材料理論和研究方法，在器件制作工藝和技術(shù)上也與傳統(tǒng)大器件（宏傳感器）的制作存在許多不同。一、MEMS與微加工§2.1.3微傳感器§2.1

幾種新型傳感技術(shù)與一般傳感器（即宏傳感器）比較，微傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）空間占有率小對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響少，能在不擾亂周?chē)h(huán)境、接近自然的狀態(tài)下獲取信息。（2）靈敏度高，響應(yīng)速度快由于慣性、熱容量極小，僅用極少能量即可產(chǎn)生動(dòng)作或溫度變化，分辯率高，響應(yīng)快，靈敏度高，能實(shí)時(shí)把握局部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（3）便于集成化和多功能化能提高系統(tǒng)的集成密度，可以用多種傳感器的集合體把握微小部位的綜合狀態(tài)量；也可把信號(hào)處理電路和驅(qū)動(dòng)電路與傳感元件集成于一體，提高系統(tǒng)的性能，并實(shí)現(xiàn)智能化和多功能化。（4）可靠性高可能過(guò)集成構(gòu)成伺服系統(tǒng)，用零位法檢測(cè)，還能實(shí)現(xiàn)自診、自校正功能。（5）消耗電力小，節(jié)省資源和能量。（6）價(jià)格低廉能多個(gè)傳感器集成在一起且無(wú)須組裝，可以在一塊晶片上集成多個(gè)傳感器，從而大幅度降低材料和制造成本。。二、微傳感器特點(diǎn)§2.1.3微傳感器（1）壓阻式微傳感器壓阻式微傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，即單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力作用時(shí)，原子點(diǎn)陣列排列規(guī)律將發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度發(fā)生變化，使材料的電阻率隨之了生變化的現(xiàn)象。壓阻式微傳感器主要有壓阻式微壓力傳感器、壓阻式微加速度傳感器、壓阻式微型流量傳感器幾種。三、典型微傳感器§2.1.3微傳感器（1）壓阻式微傳感器壓阻式微壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)及其截面分別如右圖所示。在硅基框架上形成有硅薄膜層，通過(guò)擴(kuò)散工藝在該膜層上形成半導(dǎo)體壓敏電阻，并用蒸鍍法制成電極，構(gòu)成電橋。根據(jù)所采用蝕刻工藝不同，壓阻式微壓力傳感器中的硅膜片可做成圓形或方形結(jié)構(gòu)。膜片一側(cè)與被測(cè)系統(tǒng)相連接，稱(chēng)為“高壓腔”，另一側(cè)為“低壓腔”，低壓腔可與大氣相連，可以參考?xì)鈮?，也可抽成真空。根?jù)壓阻效應(yīng)，膜片受壓力作用時(shí)，在膜片兩側(cè)形成壓差，導(dǎo)致膜片變形，引起壓敏電阻的阻值變化，經(jīng)與之相聯(lián)的電橋電路可將這種阻值變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓的變化（一般為幾個(gè)毫伏）。§2.1.3微傳感器三、典型微傳感器（2）電容式微傳感器電容式硅微傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是耗能少、靈敏度高以及輸出信號(hào)受溫度影響小，包括電容式微壓力傳感器、電容式微加速度傳感器、電容式微流量傳感器幾種。電容式微流量傳感器利用液體流動(dòng)過(guò)程中形成的壓力差促使電容傳感器極板間距的改變來(lái)達(dá)到測(cè)量流量的目的。其工作原理是在傳感器殼體的基底和上膜片上分別有一金屬電極，兩者形成電容器的兩極板。當(dāng)液體流入時(shí)，入流和出流端會(huì)形成壓力差，該壓力差將促使膜片電極相對(duì)于固定電極的間距改變，從而改變電容器的電容，通過(guò)測(cè)量電容量可極板間距的變化即可測(cè)得液體的流速和流量。§2.1.3微傳感器三、典型微傳感器（3）電感式微傳感器電感式微傳感器的典型應(yīng)用是微型磁通門(mén)式磁強(qiáng)計(jì)，原理圖如右圖所示。其主要由繞向相反的一對(duì)激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈組成，磁心工作在飽和狀態(tài)。當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)，在激勵(lì)線圈中通以正弦交變電流信號(hào)，由于兩磁心上的線圈繞向相向，則在磁心中的磁通量大小相等增，方向相反，在檢測(cè)線圈中無(wú)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。當(dāng)放入磁場(chǎng)中，由于磁場(chǎng)疊加的結(jié)果，使兩個(gè)磁心對(duì)稱(chēng)性受到破壞，從而在檢測(cè)線圈中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)測(cè)量該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可得到磁場(chǎng)的強(qiáng)弱?！?.1.3微傳感器三、典型微傳感器（4）熱敏電阻式微傳感器下圖為利用熱敏電阻式傳感器器測(cè)量氣體的流速和流量工作原理結(jié)構(gòu)示意圖。其主要是由薄膜片、加熱電阻和測(cè)量電阻等組成。其中，薄膜片是由導(dǎo)熱性差的材料（如氮化硅或二氧化硅等）構(gòu)成。同時(shí)，在薄膜片配置兩個(gè)加熱電阻和兩個(gè)測(cè)量電阻（熱敏電阻）。其工作原理：當(dāng)被測(cè)氣體介質(zhì)流經(jīng)膜片的測(cè)量電阻時(shí)，將會(huì)給這兩個(gè)電阻帶來(lái)熱量（加熱）或帶走熱量（冷卻），通過(guò)檢測(cè)測(cè)量電阻的溫度差即可得到氣體流速或流量。§2.1.3微傳感器三、典型微傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器是指?jìng)鞲衅髟诂F(xiàn)場(chǎng)級(jí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)能夠就近進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時(shí)發(fā)布和共享。簡(jiǎn)單地說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)傳感器就是能與網(wǎng)絡(luò)連接或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使其與微處理器、計(jì)算機(jī)或儀器系統(tǒng)連接的傳感器。一、網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念§2.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器§2.1

幾種新型傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)傳感器的核心是使傳感器本身實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。目前，可以通過(guò)軟件方式或硬件方式實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。軟件方式是指將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議嵌入到傳感器系統(tǒng)的ROM中；硬件方式是指采用具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片直接用做網(wǎng)絡(luò)接口。§2.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器一、網(wǎng)絡(luò)傳感器的概念網(wǎng)絡(luò)傳感器的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，因此也隨之發(fā)展起來(lái)了多種網(wǎng)絡(luò)傳感器，具有各自不同的網(wǎng)絡(luò)接口單元類(lèi)型。目前，主要有基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器和基于以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳感器兩大類(lèi)。（1）基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)傳感器現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)。它可以把所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（儀表、傳感器與執(zhí)行器）與控制器通過(guò)一根線纜相連，形成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)、車(chē)間級(jí)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，可完成現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制、信息遠(yuǎn)傳等功能。傳感器等儀表智能化的目標(biāo)是信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化。由于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)互不兼容，不同廠家采用各自的總線標(biāo)準(zhǔn)，因此，目前智能傳感器和控制系統(tǒng)之間的通信主要以模擬信號(hào)為主或在模擬信號(hào)上疊加數(shù)字信號(hào)，很大程度降低通信速度，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)總線式智能傳感器的應(yīng)用。二、網(wǎng)絡(luò)傳感器的類(lèi)型§2.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器（2）基于以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳感器隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，將以太網(wǎng)直接引入測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)成為一種新的趨勢(shì)。由于以太網(wǎng)技術(shù)開(kāi)放性好、通信速度快和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，人們開(kāi)始研究基于以太網(wǎng)（即基于TCP/IP）的網(wǎng)絡(luò)傳感器。該類(lèi)傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)可以直接接入Internet或Internat，還可以做到“即插即用”。在傳感器嵌入TCP/IP協(xié)議，使傳感器成為Internet或Internat上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。目前，測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)明顯受到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，基于網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、開(kāi)放性等原則，測(cè)控網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的集中模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植寄Ｊ?，成為具有開(kāi)放性、可互操作性、分散性、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控網(wǎng)絡(luò)具有與信息網(wǎng)絡(luò)相似的體系結(jié)構(gòu)和通信模型。TCP/IP協(xié)議和Internet網(wǎng)絡(luò)成為組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的信息采集、信息發(fā)布、系統(tǒng)集成的基本技術(shù)依托?！?.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器二、網(wǎng)絡(luò)傳感器的類(lèi)型（3）基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器為了解決智能傳感器總線標(biāo)準(zhǔn)兼容性、通用性差的問(wèn)題，統(tǒng)一不同智能傳感器接口與組網(wǎng)協(xié)議，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)和國(guó)際電子電氣工程師協(xié)會(huì)IEEE組織制定了IEEE1451智能變換器(包括傳感器與執(zhí)行器)接口系列標(biāo)準(zhǔn)，使智能傳感器具有互換性、互操作性及即插即用。IEEE1451網(wǎng)絡(luò)化智能傳感技術(shù)已經(jīng)是智能傳感技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。§2.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器二、網(wǎng)絡(luò)傳感器的類(lèi)型（3）基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器劃分為網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP和智能變送器接口模塊TIM，兩者通過(guò)IEEE1451.x(x代表3-7)傳感器接口連接。NCAP主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、傳感數(shù)據(jù)校正等，網(wǎng)絡(luò)管理單元通過(guò)NCAP訪問(wèn)TIM。TIM是NCAP與傳感器之間實(shí)際連接部件，最多連接255個(gè)傳感器，完成信號(hào)調(diào)理、模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換(A/D、D/A)、TEDS定義等功能。二、網(wǎng)絡(luò)傳感器的類(lèi)型傳感器接口、TEDS是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器即插即用功能的核心技術(shù)，TEDS用于系統(tǒng)地描述STIM及各傳感通道的類(lèi)型、參數(shù)、操作方式和屬性?！?.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器（3）基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳感器IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)已有IEEE1451.0到IEEE1451.7共八個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)，分為軟件接口、硬件接口兩大類(lèi)。軟件接口部分由IEEE1451.0和IEEE1451.1組成，定義了通用功能、通信協(xié)議及電子數(shù)據(jù)表格式，以加強(qiáng)IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性；硬件接口部分由IEEE1451.x(x代表3-7)組成，針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象和傳感器接口。§2.1.4網(wǎng)絡(luò)傳感器機(jī)器視覺(jué)是利用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（即CMOS或CCD圖像攝取裝置）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，由圖像處理系統(tǒng)獲得被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，并根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算以抽取目標(biāo)的特征和判斷目標(biāo)狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)判斷的結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)作進(jìn)行控制。其運(yùn)用到了現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和控制技術(shù)。典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由光源、鏡頭、相機(jī)（包括CMOS相機(jī)和CCD相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等組成?！?.1.5機(jī)器視覺(jué)§2.1

幾種新型傳感技術(shù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以大大提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。因此，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域，特別是在大批量生產(chǎn)中產(chǎn)品缺陷的檢測(cè)方面，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，解決人工觀察檢測(cè)產(chǎn)品方式效率低且精度不高的問(wèn)題；機(jī)器視覺(jué)還可以很好地應(yīng)用在某些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合。根據(jù)檢測(cè)性質(zhì)分類(lèi)，機(jī)器視覺(jué)工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)分為定量和定性檢測(cè)兩大類(lèi)。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用在以下幾方面：(1)長(zhǎng)度、角度測(cè)量；(2)圓弧、半徑測(cè)量；(3)檢測(cè)，如物品有無(wú)、缺陷、殘次品等檢測(cè)和數(shù)量統(tǒng)計(jì)；(4)物品及局部部件定位；(5)識(shí)別，如顏色識(shí)別。下面以焊接機(jī)器人利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤為例介紹機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用?！?.1.5機(jī)器視覺(jué)機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)引焊接機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)圖。機(jī)器視覺(jué)由激光掃描器/攝像機(jī)、攝像機(jī)控制單元（CameraControlUnit，CCU）、信號(hào)處理計(jì)算機(jī)（SignalProcessingComputer，SPC）3個(gè)功能部件組成，如圖中虛線部分?！?.1.5機(jī)器視覺(jué)激光掃描器/攝像機(jī)安裝在機(jī)器人的操作手上，激光聚焦到伺服控制的反射鏡上，形成一個(gè)垂直于焊接的扇面激光束，線陣CCD攝像機(jī)獲取該光束在工件上形成的圖像，利用掃描的角度和成像的位置便可以計(jì)算出激光點(diǎn)的y-z坐標(biāo)位置，即得到工件的剖面輪廓圖像，并可在監(jiān)視器上顯示。剖面輪廓數(shù)據(jù)經(jīng)CCU傳送至SPC，將該剖面數(shù)據(jù)與操作手預(yù)先選定的焊接接頭板比較，一旦匹配成功即可確定焊接的有關(guān)位置數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口將有關(guān)位置數(shù)據(jù)送至機(jī)器人控制器?！?.1.5機(jī)器視覺(jué)人類(lèi)具有將自身的各種器官（如眼、耳、鼻和皮膚等）所感受的信息（景物、聲音、氣味和觸覺(jué)等）與先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行綜合的能力，以便對(duì)其周?chē)沫h(huán)境和正在發(fā)生的事件做出評(píng)估?，F(xiàn)代傳感技術(shù)中的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)能模擬上述人類(lèi)綜合處理復(fù)雜問(wèn)題的能力，該技術(shù)形成于20世紀(jì)80年代，目前已成為現(xiàn)代傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)。多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合、支配和使用，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，降低其不確實(shí)性，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，形成對(duì)應(yīng)的決策和估計(jì)的智能傳感器系統(tǒng)。一、多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)及特點(diǎn)§2.1.6多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)§2.1

幾種新型傳感技術(shù)與單一傳感器檢測(cè)系統(tǒng)相比，多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：(1) 擴(kuò)大了時(shí)間和空間的感知范圍。(2)提高了系統(tǒng)的精度和分辨能力。(3) 增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和健壯性。(4) 提高了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)效。(5) 提高了資源利用率?！?.1.6多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合包含多傳感器融合和數(shù)據(jù)融合。多傳感器融合是指多個(gè)基本傳感器在空間和時(shí)間上的復(fù)合設(shè)計(jì)和應(yīng)用，常稱(chēng)多傳感器復(fù)合。多傳感器融合能在極短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和健壯性。多傳感器融合有四個(gè)級(jí)別。數(shù)據(jù)融合也稱(chēng)信息融合，是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)獲得的多個(gè)信息源信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合，以完成所需的決策和評(píng)估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理技術(shù)。數(shù)據(jù)融合按層次由低到高分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合三個(gè)融合層次。二、多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)§2.1.6多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalIntrument，NI）提出了虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）的概念，目前虛擬儀器是儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。虛擬儀器是指利用通用計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和相應(yīng)高性能測(cè)試功能的測(cè)試硬件，結(jié)合高效、靈活的儀器軟件，來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。虛擬儀器在計(jì)算機(jī)屏幕上虛擬儀器面板及按鍵、旋鈕等交互功能，操作者可通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)來(lái)操作虛擬化的儀器。一、虛擬儀器§2.2

網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器“軟件即是儀器”是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)結(jié)合，將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大減少儀器硬件成本和減小儀器體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和處理分析。一、虛擬儀器§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器虛擬儀器由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和測(cè)量硬件組成，如下圖所示。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量信號(hào)的分析和處理，是整個(gè)虛擬儀器硬件的核心。一、虛擬儀器§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)與傳統(tǒng)儀器技術(shù)的對(duì)比一、虛擬儀器比較項(xiàng)目傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能廠家定義用戶(hù)自定義可連接設(shè)備廠家定義可與任何標(biāo)準(zhǔn)總線外設(shè)連接維護(hù)費(fèi)用高低技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5~10年）周期短（0.5~1年）價(jià)格較高較低架構(gòu)固定開(kāi)放、靈活、可重復(fù)配置使用二次開(kāi)發(fā)不可以可以顯示廠家定義用戶(hù)自定義記錄廠家定義用戶(hù)自定義測(cè)試過(guò)程手動(dòng)設(shè)置編程設(shè)置§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器虛擬儀器技術(shù)具有如下四大優(yōu)勢(shì)：(1)性能高(2)展性強(qiáng)(3)節(jié)約時(shí)間(4)無(wú)縫集成一、虛擬儀器§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是指將測(cè)試中的計(jì)算機(jī)、測(cè)量硬件、被測(cè)試點(diǎn)、軟件資源以及測(cè)量數(shù)據(jù)等納入通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源共享，共同完成測(cè)試任務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量、控制功能。利用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡（NetworkInterfaceCard，NIC）將虛擬儀器接入網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)便的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化方法。通過(guò)指定IP地址和端口，任何一臺(tái)帶有NIC的計(jì)算機(jī)都能方便地與網(wǎng)絡(luò)上的其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交換。在測(cè)控領(lǐng)域，除了NIC外，還有GPIB-ENET/100、RS233-NET等轉(zhuǎn)換卡，將不具備聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備儀器連接到網(wǎng)絡(luò)上。二、網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器二、網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器§2.2.1網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）是NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言（Graphi