智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知

走進(jìn)智能制造IntoIntelligentManufacturing項(xiàng)目二智能制造核心技術(shù)及應(yīng)用任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知

智能檢測(cè)是包含測(cè)量、檢驗(yàn)、信息處理、判斷決策和故障診斷等多種內(nèi)容，是檢測(cè)設(shè)備模仿人類(lèi)智能的結(jié)果，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能等相結(jié)合而發(fā)展的檢測(cè)技術(shù)，具有測(cè)量過(guò)程的軟件化、測(cè)量速度快、精度高、靈活性高，含智能反饋和控制子系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)融合，智能化、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介傳感器的歷史可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，公元前1000年左右，中國(guó)的指南針、記里鼓車(chē)已開(kāi)始使用。埃及王朝時(shí)代開(kāi)始使用的天平，一直延用到現(xiàn)在。利用液體膨脹進(jìn)行溫度測(cè)量在16世紀(jì)前后就已出現(xiàn)。19世紀(jì)建立了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)建立的物理法則直到現(xiàn)在作為各種傳感器的工作原理仍在應(yīng)用著。1.傳感器的發(fā)展任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介目前提到的傳感器，一般是指具有電輸出的裝置。隨著集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。隨著電子設(shè)備水平不斷提高以及功能不斷加強(qiáng)，世界各國(guó)都將傳感器的發(fā)展視為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵?，F(xiàn)代傳感器的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）新材料的開(kāi)發(fā)（2）集成化技術(shù)的應(yīng)用（3）多維、多功能集成傳感器的開(kāi)發(fā)（4）智能化傳感器的開(kāi)發(fā)（5）網(wǎng)絡(luò)傳感器的開(kāi)發(fā)任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介微電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為檢測(cè)過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的智能化處理和檢測(cè)儀器功能的仿人化等提供了技術(shù)支持。人工智能技術(shù)和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，為智能檢測(cè)技術(shù)提供了強(qiáng)有力的工具和條件?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化的要求，這是導(dǎo)致智能檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的外在推動(dòng)力。2.智能檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是隨著社會(huì)歷史時(shí)代與生產(chǎn)方式的變化而不斷進(jìn)步的。人類(lèi)的每一個(gè)歷史時(shí)代、每一種生產(chǎn)方式都以相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)水平為基礎(chǔ)。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介3.傳感器技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)這些發(fā)展不是獨(dú)立的，往往相輔相成、彼此關(guān)聯(lián)、相互融合，從而推動(dòng)傳感器由分離器件向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成、功能復(fù)合和應(yīng)用創(chuàng)新方向發(fā)展。傳感器性能的改善傳感器的無(wú)線化傳感器的網(wǎng)絡(luò)化傳感器的安全化傳感器的虛擬化傳感器的微型化傳感器的集成化傳感器的智能化任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介（1）傳感器的無(wú)線化隨著微波、4G/5G、WiFi、Zigbee等無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及信息感知范圍的擴(kuò)大、網(wǎng)絡(luò)化感知需求的增長(zhǎng)，特別是深空探測(cè)、衛(wèi)星遙感、全球定位、無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)等新技術(shù)與應(yīng)用的推動(dòng)，傳感器的無(wú)線化發(fā)展趨勢(shì)明顯，相關(guān)無(wú)線產(chǎn)品所占比重越來(lái)越大。傳感器的無(wú)線化在檢測(cè)系統(tǒng)搭建、快速安裝與調(diào)整、覆蓋復(fù)雜地形或特殊分布區(qū)域（如水下、太空）等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。典型地，遙感技術(shù)作為目前人類(lèi)快速實(shí)現(xiàn)全球或大區(qū)域?qū)Φ赜^測(cè)的唯一手段，使用的傳感器在信息感知和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中都離不開(kāi)無(wú)線技術(shù)的支持。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介MEMS技術(shù)的應(yīng)用，微型傳感器發(fā)展起來(lái)將機(jī)械、電子元器件集成在一個(gè)基片上2）傳感器的微型化主要特征：體積小功耗低重量輕可靠性高任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介兩種情況：3）傳感器的集成化一是具有同樣功能的傳感器集成化，即將同一類(lèi)型的單個(gè)傳感元件用集成工藝在同一平面上排列起來(lái)，形成一維的線性傳感器，從而使一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量變成對(duì)一個(gè)面和空間的測(cè)量。二是不同功能的傳感器集成化，即將具有不同功能的傳感器與放大、運(yùn)算以及溫度補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個(gè)器件，從而使一個(gè)傳感器可以同時(shí)測(cè)量不同種類(lèi)的多個(gè)參數(shù)。PTH集成傳感器任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面4）傳感器的網(wǎng)絡(luò)化一是為了解決現(xiàn)場(chǎng)總線的多樣性問(wèn)題，IEEE1451.2工作組建立了智能傳感器接口模塊（STIM）標(biāo)準(zhǔn)二是以IEEE802.15.4（Zigbee）為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以迅速發(fā)展任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介5）傳感器的智能化傳感器與微處理器的結(jié)合：檢測(cè)、信息處理、邏輯判斷、自診斷等傳感器技術(shù)和智能信息處理技術(shù)的結(jié)合使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)對(duì)象向多功能和多變量檢測(cè)發(fā)展，由被動(dòng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換向主動(dòng)控制傳感器特性和主動(dòng)進(jìn)行信息處理發(fā)展，由孤立的元器件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展（反過(guò)來(lái)，傳感器逐漸發(fā)展為人工智能重要的元部件）任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介6）傳感器的安全化按需獲取被觀測(cè)對(duì)象的真實(shí)信息是傳感器作為感知單元最基本的功能需求。面臨著被非法利用或被攻擊者破壞的潛在風(fēng)險(xiǎn)。傳感器的安全化就是通過(guò)硬件和軟件兩方面的手段應(yīng)對(duì)攻擊者的破壞行為，有效抵御因傳感器無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化等以及由此形成工業(yè)大數(shù)據(jù)可能帶來(lái)的信息安全風(fēng)險(xiǎn)，確保通過(guò)傳感器所獲取的信息是可控的、保密的、新鮮的、真實(shí)的、可靠的。傳感器輸出的數(shù)據(jù)被稱(chēng)為“第一數(shù)據(jù)”，是一切依托傳感器的應(yīng)用的根基；如果傳感器所采集的基礎(chǔ)信息是虛假的、不可靠的，其后續(xù)的一系列處理與應(yīng)用都是毫無(wú)意義的，甚至是有害的。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介7）傳感器的虛擬化虛擬化是利用通用的硬件平臺(tái)，并充分利用軟件和算法實(shí)現(xiàn)傳感器的特定硬件功能。傳感器的虛擬化表現(xiàn)為：一是智能傳感器的運(yùn)用將越來(lái)越廣泛，且智能傳感器中軟件與算法的比重將越來(lái)越大；二是基于“軟件就是儀器”的理念和虛擬儀器的多種優(yōu)勢(shì)，以虛擬儀器為平臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)將大行其道；三是以大數(shù)據(jù)和人工智能等前沿技術(shù)為支撐，面向網(wǎng)絡(luò)或信息平臺(tái)的“純軟件式”傳感器將得到快速發(fā)展，這類(lèi)“軟件”突破了傳統(tǒng)意義上傳感器作為“器件或裝置”的定義，沒(méi)有“有形”的敏感元件或轉(zhuǎn)換元件，但它具有檢測(cè)的基本特征（廣義的傳感器、軟傳感器）。傳感器虛擬化可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高可靠性。信息技術(shù)正在推動(dòng)傳感器本身發(fā)生質(zhì)的飛躍，隨著測(cè)控系統(tǒng)信息化程度的加深，傳感器的虛擬化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，虛擬儀器、軟測(cè)量的內(nèi)涵將進(jìn)一步豐富。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介

隨著國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化與信息化、國(guó)防現(xiàn)代化等的快速發(fā)展，對(duì)各類(lèi)傳感器的年需求量持續(xù)增長(zhǎng)且需求旺盛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)傳感器企業(yè)多達(dá)2000余家，行業(yè)產(chǎn)值正以每年10%－15%的速率增長(zhǎng)。但與國(guó)外先進(jìn)水平相比，總體上目前我國(guó)的傳感器技術(shù)面臨創(chuàng)新能力和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力不強(qiáng)、核心技術(shù)缺失、產(chǎn)品有效供給不足、產(chǎn)業(yè)生態(tài)不健全、科研生產(chǎn)與應(yīng)用不協(xié)同等問(wèn)題。國(guó)外傳感器制造工藝技術(shù)嚴(yán)格保密，國(guó)內(nèi)制造工藝及設(shè)備落后，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性較差，精度不高，儀器儀表產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重；目前全球傳感器市場(chǎng)主要由美國(guó)、日本、德國(guó)的幾家龍頭公司主導(dǎo)，國(guó)產(chǎn)傳感器主要性能指標(biāo)與國(guó)外先進(jìn)水平差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)、可靠性差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，限制了國(guó)產(chǎn)傳感器使用范圍和可靠性，許多高性能傳感器仍依賴(lài)于進(jìn)口。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知一、檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)介企業(yè)的創(chuàng)新能力及自主開(kāi)發(fā)水平滯后于國(guó)外，導(dǎo)致我國(guó)擁有自主開(kāi)發(fā)和擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研成果不多，同時(shí)，在新型高端傳感器研究方面投入的資金相對(duì)不足，科研設(shè)備較為落后，制約了本領(lǐng)域高精技術(shù)的突破。由此帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)安全、信息安全挑戰(zhàn)不容忽視。

面對(duì)儀器儀表制造業(yè)的“短板”與“痛點(diǎn)”，國(guó)家發(fā)改委等規(guī)劃通過(guò)核心技術(shù)攻關(guān)工程推動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)向中高端升級(jí)，推動(dòng)技術(shù)、人才、工藝全面提升，啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)工程，完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)布局。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)

檢測(cè)系統(tǒng)是指由相關(guān)的器件、儀器和測(cè)試裝置有機(jī)組合而成的具有獲取某種信息之功能的整體。

為了準(zhǔn)確的獲得被測(cè)對(duì)象的信息，要求測(cè)試系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的輸出量與輸入量之間必須具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而且，其輸出的變化能夠準(zhǔn)確地反映出其輸入的變化，即實(shí)現(xiàn)不失真的檢測(cè)。被測(cè)對(duì)象傳感器信號(hào)調(diào)理信號(hào)處理數(shù)據(jù)顯示與記錄反饋、控制任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)1.傳感器

傳感器是感受被測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出，這種輸出量通常是電信號(hào)。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)2.調(diào)理環(huán)節(jié)信號(hào)的調(diào)理環(huán)節(jié)是把來(lái)自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成更適合于進(jìn)一步傳輸和處理的形式。這種信號(hào)的轉(zhuǎn)換，多數(shù)是電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。如幅值放大，將阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化或頻率的變化等等?；痉糯笃餍盘?hào)的調(diào)制與解調(diào)任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)3.信號(hào)處理環(huán)節(jié)信號(hào)處理環(huán)節(jié)對(duì)來(lái)自信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)的信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算、濾波和分析四種濾波器的幅頻特性任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)4.顯示記錄環(huán)節(jié)信號(hào)顯示、記錄環(huán)節(jié)是將來(lái)自信號(hào)處理環(huán)節(jié)的信號(hào)以觀察者易于觀察的形式來(lái)顯示或存貯測(cè)試的結(jié)果。光線示波器反饋控制環(huán)節(jié)主要應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中的檢測(cè)系統(tǒng)。5.反饋、控制環(huán)節(jié)任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)機(jī)床軸承故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警信息控制信息執(zhí)行裝置任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知二、智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成與分類(lèi)1.按被測(cè)對(duì)象分類(lèi)在線實(shí)時(shí)智能檢測(cè)系統(tǒng)離線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2.按采用的標(biāo)準(zhǔn)接口總線分類(lèi)計(jì)算機(jī)通用總線系統(tǒng)IEC-625系統(tǒng)CAMAC系統(tǒng)HP-IL系統(tǒng)等任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知三、測(cè)量的分類(lèi)根據(jù)被測(cè)量對(duì)是否隨時(shí)間而變化分為動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量。根據(jù)測(cè)量手段分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。根據(jù)是否與被測(cè)量對(duì)象接觸分為接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量。根據(jù)是否監(jiān)視生產(chǎn)流程分為在線測(cè)量與離線測(cè)量。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知三、測(cè)量的分類(lèi)1.根據(jù)被測(cè)量對(duì)是否隨時(shí)間而變化分為動(dòng)態(tài)測(cè)量和靜態(tài)測(cè)量。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知三、測(cè)量的分類(lèi)2.根據(jù)測(cè)量手段分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知三、測(cè)量的分類(lèi)3.根據(jù)是否與被測(cè)量對(duì)象接觸分為接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知三、測(cè)量的分類(lèi)4.根據(jù)是否監(jiān)視生產(chǎn)流程分為在線測(cè)量與離線測(cè)量。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知四、誤差產(chǎn)生的原因及分類(lèi)粗大誤差：主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量?jī)x器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。系統(tǒng)誤差：在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差，稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。

隨機(jī)誤差：測(cè)量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值之差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知四、誤差產(chǎn)生的原因及分類(lèi)

粗大誤差：粗大誤差主要是由于測(cè)量人員的粗心大意及電子測(cè)量?jī)x器受到突然而強(qiáng)大的干擾所引起的。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知四、誤差產(chǎn)生的原因及分類(lèi)系統(tǒng)誤差：在重復(fù)性條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值與被測(cè)量的真值之差，稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。夏天擺鐘變慢的原因是什么？任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知四、誤差產(chǎn)生的原因及分類(lèi)

隨機(jī)誤差：測(cè)量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行無(wú)限多次測(cè)量所得結(jié)果的平均值之差稱(chēng)為隨機(jī)誤差。次數(shù)統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度相對(duì)測(cè)量值任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知五、現(xiàn)代智能檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用（一）工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

1.機(jī)械手、機(jī)器人中的傳感器

密歇根大學(xué)的機(jī)械手裝配模型波士頓動(dòng)力機(jī)器狗

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)位置傳感器、力傳感器、視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、接近距離傳感器、觸覺(jué)傳感器、熱覺(jué)傳感器、嗅覺(jué)傳感器。任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知五、現(xiàn)代智能檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用2.AGV自動(dòng)送貨車(chē)

超聲波測(cè)距傳感器：判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線色彩傳感器：運(yùn)動(dòng)軌跡和AGV小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器：貨品識(shí)別。香港理工AGV模型任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知五、現(xiàn)代智能檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用切削力傳感器，加工噪聲傳感器，超聲波測(cè)距傳感器、紅外接近開(kāi)關(guān)傳感器等。密歇根大學(xué)數(shù)字化工廠3.生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知五、現(xiàn)代智能檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

在電力、冶金、石化、化工等流程工業(yè)中，生產(chǎn)線上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)線流程。通常建立24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油罐等壓力容器的破損和泄露檢測(cè)（二）流程工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)2.3智能檢測(cè)技術(shù)認(rèn)知五、