智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 課件 第10章智能傳感器

機(jī)械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS智能傳感器第10章智能傳感與檢測(cè)技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)智能傳感器概述10.1智能圖像傳感器10.2智能生物傳感器10.3模糊傳感器10.4多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.5MEMS傳感器10.6智能傳感器10

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)。

智能傳感器系統(tǒng)是一門(mén)現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)。智能傳感器的功能是通過(guò)模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)智能測(cè)試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來(lái)的。傳感器智能化的發(fā)展有兩個(gè)方向：一個(gè)方向是傳感器與微處理器相結(jié)合；另一個(gè)方向是傳感器與人工智能技術(shù)相結(jié)合。10.1智能傳感器概述10.1.1智能傳感器的概念智能傳感與檢測(cè)技術(shù)智能傳感器10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)。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.1.2智能傳感器的功能

我們通過(guò)智能稱(chēng)重傳感器來(lái)認(rèn)識(shí)智能傳感器的功能。智能稱(chēng)重傳感器將被測(cè)目標(biāo)的重量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入單片機(jī)，此時(shí)測(cè)量的目標(biāo)重量電信號(hào)受溫度、非線性等因素的影響，并不能較準(zhǔn)確地反映目標(biāo)的真正重量。所以，智能稱(chēng)重傳感器可以加入溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度，同樣通過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入單片機(jī)。智能傳感器10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連接，組合成一整體而構(gòu)成智能傳感器系統(tǒng)。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。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.1.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式1．模塊化方式普通傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換等調(diào)理后，送入微處理器進(jìn)行處理，再由微處理器的數(shù)字總線接口掛接到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字總線上。智能傳感器10集成化的智能傳感器采用了微機(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。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.1.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式2．集成化方式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)裝置等集成在一塊硅基片上，將平面集成發(fā)展成三維集成，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.1.3智能傳感器的實(shí)現(xiàn)方式3．混合方式混合式智能傳感器將敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器和數(shù)字總線接口等部分以不同的組合方式集成在2個(gè)或3個(gè)芯片上，然后裝配在同一殼體中。智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.1.4傳感器與智能檢測(cè)技術(shù)科學(xué)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展大大促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。智能檢測(cè)技術(shù)不僅是機(jī)電—體化中不可缺少的技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在很大程度上，基于傳感器的智能檢測(cè)技術(shù)影響著自動(dòng)化系統(tǒng)的質(zhì)量。在—個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，只有利用傳感器的智能檢測(cè)技術(shù)對(duì)各方面參數(shù)進(jìn)行檢查，才能使整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)正常的工作。智能傳感器10CCD工作過(guò)程中的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生（將光轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷）、存儲(chǔ)（存儲(chǔ)信號(hào)電荷）、傳輸（轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷）和檢測(cè)（將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.2智能圖像傳感器10.2.1CCD圖像傳感器1.CCD的工作原理

CCD圖像傳感器使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，并將電荷通過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”數(shù)字信號(hào)。CCD圖像傳感器具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳輸?shù)裙δ?，并且具有低照度效果好、信噪比高、通透感?qiáng)、色彩還原能力佳等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1.CCD的工作原理

CCD工作過(guò)程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD工作過(guò)程的第二步是信號(hào)電荷的存儲(chǔ)收集，是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來(lái)使其形成信號(hào)電荷包的過(guò)程。CCD工作過(guò)程的第三步是信號(hào)電荷包的傳輸轉(zhuǎn)移CCD工作過(guò)程的第四步是電荷的檢測(cè)，是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過(guò)程。智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)CCD工作過(guò)程示意圖科技界對(duì)人類(lèi)視覺(jué)進(jìn)行了全面研究，突破了傳統(tǒng)CCD的設(shè)計(jì)思路，改變CCD的結(jié)構(gòu)，從根本上提高了CCD的工作性能，滿足了現(xiàn)代攝像攝影對(duì)CCD更高的要求?；谶@種思路，研制出了超級(jí)CCD。智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.CCD的分類(lèi)

按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣（Linear）與面陣（Area）兩大類(lèi)。

智能傳感器10實(shí)用的線陣CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來(lái)光敏信號(hào)電荷的順序。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)1）線陣CCD智能傳感器10

圖10-13a所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。圖10-13b所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)。圖10-13c所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖10-13b中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列，即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2）面陣CCD3.CCD圖像傳感器的性能指標(biāo)1)像素?cái)?shù)2)幀率3）靶面尺寸4）感光度5）信噪比智能傳感器10

CNOS的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成。圖10-15所示的像敏單元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在X、Y方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇，輸出信號(hào)送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)輸出。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.2.2CMOS圖像傳感器1.CMOS的組成2.CMOS的技術(shù)參數(shù)1）像元尺寸2）靈敏度3）壞點(diǎn)數(shù)4）光譜響應(yīng)智能傳感器10CIS的組成部分都集中于外殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，其主要部件生產(chǎn)需要采用微制造工藝完成。當(dāng)CIS工作時(shí)，LED光源陣列發(fā)出的光線直射到待掃描物體表面（印刷品等），從其表面反射回的光線經(jīng)微自聚焦棒狀透鏡陣列聚焦，成像在光電傳感器陣列上（一般是MOS器件），被轉(zhuǎn)化為電荷存儲(chǔ)起來(lái)。掃描面上不同部位的光強(qiáng)不同，因而不同位置傳感器單元（即CIS的像素）接收到的光強(qiáng)不一樣。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.2.3CIS圖像傳感器2.CMOS的技術(shù)參數(shù)1）像元尺寸2）靈敏度3）壞點(diǎn)數(shù)4）光譜響應(yīng)

智能傳感器10CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機(jī)中電子掃描讀取原稿過(guò)程的示意圖如圖10-20所示。CMOS圖像傳感器的應(yīng)用如圖10-21所示。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.2.4圖像傳感器的應(yīng)用1.CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機(jī)的應(yīng)用2.CMOS圖像傳感器的應(yīng)用智能傳感器101967年，S．J．烏普迪克等制出了第一個(gè)生物傳感器——葡萄糖傳感器。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中加以固化，再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的尖端上，便制成了葡萄糖傳感器。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述1.葡萄糖傳感器葡萄糖是典型的單糖類(lèi)，是一切生物的能源。人體血液中都含有一定濃度的葡萄糖。正常人空腹血糖為800～1200mg/L，現(xiàn)已研究出對(duì)葡萄糖氧化反應(yīng)起一種特異催化作用的酶——葡萄糖氧化酶（GOD)，并研究出用它來(lái)測(cè)定葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述2.酶?jìng)鞲衅?.微生物傳感器微生物的種類(lèi)是非常多的，菌體中的復(fù)合酶、能量再生系統(tǒng)、輔助酶再生系統(tǒng)、微生物的呼吸及新陳代謝為代表的全部生理機(jī)能都可以加以利用。因此，用微生物代替酶，有可能獲得具有復(fù)雜及高功能的生物傳感器。智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述4.免疫傳感器5.半導(dǎo)體生物傳感器

免疫傳感器是利用抗體對(duì)抗原結(jié)合功能研制成功的，半導(dǎo)體生物傳感器是由半導(dǎo)體傳感器與生物分子功能膜、識(shí)別器件所組成。通常用的半導(dǎo)體器件是酶光敏二極管和酶場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

智能傳感器10生物芯片的模樣五花八門(mén)，外觀五彩斑斕。有的和計(jì)算機(jī)芯片一樣規(guī)矩、方正，有的是一排排微米級(jí)圓點(diǎn)或一條條的蛇形細(xì)槽，還有的是一些不同形狀頭發(fā)粗細(xì)的管道和針孔大小的腔體。

進(jìn)入21世紀(jì)，電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合，誕生了生物芯片。生物芯片由研究DNA分子或蛋白質(zhì)分子的識(shí)別技術(shù)開(kāi)始，已形成獨(dú)立學(xué)科，成為生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。生物芯片原名稱(chēng)為“核酸微陣列”，是通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)，在一塊1cm2大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構(gòu)建成密集排列的生物分子微陣列。10.3.2生物芯片智能傳感與檢測(cè)技術(shù)智能傳感器10

生物傳感器研究中的重要內(nèi)容之一就是研制能代替生物視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué)器官的生物傳感器，即仿生傳感器或稱(chēng)以生物系統(tǒng)為模型的智能生物傳感器。智能生物傳感器是軀感網(wǎng)的前端，它能搜集到很多人體特征數(shù)據(jù)。用于軀感網(wǎng)的智能生物傳感器一般可分為兩種：一種是可以移植到人體之內(nèi)的智能生物傳感器；一種是佩戴在體表的智能生物傳感器。1）智能生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用2）智能生物傳感器在環(huán)境測(cè)量中的應(yīng)用3）智能智能生物傳感器在發(fā)酵中的應(yīng)用4）智能生物傳感器在醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域中的應(yīng)用10.3.3智能生物傳感器1.智能生物傳感器概述智能傳感與檢測(cè)技術(shù)2.智能生物傳感器的應(yīng)用智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.4模糊傳感器10.4.1模糊傳感器概述

模糊傳感器是在20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的術(shù)語(yǔ)，當(dāng)時(shí)有學(xué)者提出一種超聲模糊傳感器，其描述距離測(cè)量結(jié)果為“遠(yuǎn)”、“近”等自然語(yǔ)言。傳統(tǒng)傳感器是數(shù)值傳感器，它以定量數(shù)值來(lái)描述被測(cè)量的狀態(tài)。隨著測(cè)量應(yīng)用的不斷擴(kuò)大與深化，傳統(tǒng)傳感器數(shù)值輸出形式已不能滿足某些應(yīng)用，例如，對(duì)于放進(jìn)洗衣機(jī)清洗的衣服，無(wú)需精確描述衣服的數(shù)量或重量，而是以“很多”、“多”、“不多”、“很少”來(lái)描述，并確定注水量及洗衣粉使用量；大多數(shù)人對(duì)于天氣描述中的氣溫、濕度、風(fēng)速、PM2.5濃度等指標(biāo)沒(méi)有清晰的概念，人們更習(xí)慣于用“舒適”、“較為舒適”、“不舒適”之類(lèi)的自然語(yǔ)言描述天氣舒適度狀況。由于這類(lèi)以自然語(yǔ)言輸出的測(cè)量需要不斷擴(kuò)大，模糊傳感器應(yīng)運(yùn)而生并快速發(fā)展起來(lái)。智能傳感器10智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.4模糊傳感器10.4.2模糊傳感器的結(jié)構(gòu)模糊傳感器的邏輯結(jié)構(gòu)如圖10-30所示，主要由信號(hào)檢測(cè)與處理單元、數(shù)值／符號(hào)轉(zhuǎn)換單元、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、模糊概念合成單元和符號(hào)／語(yǔ)言輸出單元組成。智能傳感器10

多傳感器融合是指多個(gè)基本傳感器空間和時(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)的可靠性和寬容性。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3個(gè)融合層次。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.5.1多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)智能傳感器10

利用多傳感器系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)各方面，之后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到有用信息，再進(jìn)行特征提取和融合計(jì)算，得到數(shù)據(jù)融合結(jié)果并輸出，其中，特征提取和融合計(jì)算是關(guān)鍵技術(shù)，多傳感器數(shù)據(jù)融合的常用方法基本上可分為隨機(jī)和人工智能兩大類(lèi)，隨機(jī)類(lèi)方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計(jì)法、Dempster-Shafer(D-S)證據(jù)推理、產(chǎn)生式規(guī)則等。人工智能類(lèi)則有模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粗集理論、專(zhuān)家系統(tǒng)等。智能傳感與檢測(cè)技術(shù)10.5多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)10.5.2多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的流程智能傳感器10

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）專(zhuān)指外形輪廓尺寸在毫米級(jí)以下，構(gòu)成它的機(jī)械零件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米至納米級(jí)，可對(duì)聲、光、熱、磁、壓力、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行感知、識(shí)別、控制和處理的微型機(jī)電裝置，是融合了硅微加工、光刻鑄造成形和精密機(jī)械加工等多種微加工