智能傳感與檢測技術 課件 第10章智能傳感器

機械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS智能傳感器第10章智能傳感與檢測技術徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6智能傳感器10智能傳感與檢測技術智能傳感器概述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的某些智能思維與行為。人類通過眼睛、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大腦中歸納、推理并積累形成知識與經(jīng)驗；當再次遇到相似外部環(huán)境時，人類大腦根據(jù)積累的知識、經(jīng)驗對環(huán)境進行推理判斷，做出相應反應。

智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術，是當今世界正在迅速發(fā)展的高新技術。智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動作，結合長期以來智能測試技術的研究和實際經(jīng)驗而提出來的。傳感器智能化的發(fā)展有兩個方向：一個方向是傳感器與微處理器相結合；另一個方向是傳感器與人工智能技術相結合。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技術智能傳感器10智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當于人類的感知器官，其微處理器相當于人類大腦，可進行信息處理、邏輯思維與推理判斷，存儲設備存儲“知識、經(jīng)驗”與采集的有用數(shù)據(jù)。智能傳感與檢測技術智能傳感器10智能傳感與檢測技術10.1.2智能傳感器的功能

我們通過智能稱重傳感器來認識智能傳感器的功能。智能稱重傳感器將被測目標的重量轉換為電信號，經(jīng)過模／數(shù)轉換為數(shù)字信號后輸入單片機，此時測量的目標重量電信號受溫度、非線性等因素的影響，并不能較準確地反映目標的真正重量。所以，智能稱重傳感器可以加入溫度傳感器測量環(huán)境溫度，同樣通過模／數(shù)轉換為電信號輸入單片機。智能傳感器10模塊化智能傳感器是將基本傳感器、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器相互連接，組合成一整體而構成智能傳感器系統(tǒng)。模塊化智能傳感器是在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展的推動下迅速發(fā)展起來的。智能傳感與檢測技術10.1.3智能傳感器的實現(xiàn)方式1．模塊化方式普通傳感器檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)理電路進行放大、模／數(shù)轉換等調(diào)理后，送入微處理器進行處理，再由微處理器的數(shù)字總線接口掛接到現(xiàn)場數(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械加工技術和大規(guī)模集成電路工藝技術，以半導體材料硅為基本材料來制作敏感元件，將敏感元件、信號調(diào)理電路以及微處理器等集成在一塊芯片上構成的。智能傳感與檢測技術10.1.3智能傳感器的實現(xiàn)方式2．集成化方式三維多功能單片智能傳感器的結構圖，該智能傳感器將敏感元件、數(shù)據(jù)傳輸線、存儲器、運算器、電源和驅動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，實現(xiàn)了多層結構智能傳感器10智能傳感與檢測技術10.1.3智能傳感器的實現(xiàn)方式3．混合方式混合式智能傳感器將敏感元件、信號調(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個或3個芯片上，然后裝配在同一殼體中。智能傳感器10智能傳感與檢測技術10.1.4傳感器與智能檢測技術科學和生產(chǎn)工藝的發(fā)展大大促進了傳感器技術的發(fā)展，傳感器技術、通信技術和計算機技術共同構成了現(xiàn)代信息技術的三大支柱。智能檢測技術不僅是機電—體化中不可缺少的技術，也是實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。在很大程度上，基于傳感器的智能檢測技術影響著自動化系統(tǒng)的質(zhì)量。在—個自動化系統(tǒng)中，只有利用傳感器的智能檢測技術對各方面參數(shù)進行檢查，才能使整個自動化系統(tǒng)正常的工作。智能傳感器10CCD工作過程中的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生（將光轉換成信號電荷）、存儲（存儲信號電荷）、傳輸（轉移信號電荷）和檢測（將信號電荷轉換成電信號）。智能傳感與檢測技術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體材料制成，能把光線轉變成電荷，并將電荷通過模／數(shù)轉換器芯片轉換成“0”或“1”數(shù)字信號。CCD圖像傳感器具有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳輸?shù)裙δ?，并且具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優(yōu)點，在科學、教育、醫(yī)學、商業(yè)、工業(yè)、軍事等領域得到廣泛應用。智能傳感器10智能傳感與檢測技術1.CCD的工作原理

CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD工作過程的第二步是信號電荷的存儲收集，是將入射光子激勵出的電荷收集起來使其形成信號電荷包的過程。CCD工作過程的第三步是信號電荷包的傳輸轉移CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。智能傳感器10智能傳感與檢測技術CCD工作過程示意圖科技界對人類視覺進行了全面研究，突破了傳統(tǒng)CCD的設計思路，改變CCD的結構，從根本上提高了CCD的工作性能，滿足了現(xiàn)代攝像攝影對CCD更高的要求?；谶@種思路，研制出了超級CCD。智能傳感器10智能傳感與檢測技術2.CCD的分類

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。

智能傳感器10實用的線陣CCD圖像傳感器為雙行結構。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、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，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。智能傳感與檢測技術1）線陣CCD智能傳感器10

圖10-13a所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。圖10-13b所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信號存儲區(qū)。圖10-13c所示結構是用得最多的一種結構形式。它將圖10-13b中感光元件與存儲元件相隔排列，即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。智能傳感與檢測技術2）面陣CCD3.CCD圖像傳感器的性能指標1)像素數(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，方陣中的每一個像敏單元都有它在X、Y方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進行選擇，輸出信號送A/D轉換器進行模／數(shù)轉換變成數(shù)字信號輸出。智能傳感與檢測技術10.2.2CMOS圖像傳感器1.CMOS的組成2.CMOS的技術參數(shù)1）像元尺寸2）靈敏度3）壞點數(shù)4）光譜響應智能傳感器10CIS的組成部分都集中于外殼內(nèi)，結構緊湊，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CIS工作時，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），被轉化為電荷存儲起來。掃描面上不同部位的光強不同，因而不同位置傳感器單元（即CIS的像素）接收到的光強不一樣。智能傳感與檢測技術10.2.3CIS圖像傳感器2.CMOS的技術參數(shù)1）像元尺寸2）靈敏度3）壞點數(shù)4）光譜響應

智能傳感器10CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機中電子掃描讀取原稿過程的示意圖如圖10-20所示。CMOS圖像傳感器的應用如圖10-21所示。智能傳感與檢測技術10.2.4圖像傳感器的應用1.CCD圖像傳感器在數(shù)碼速印機的應用2.CMOS圖像傳感器的應用智能傳感器101967年，S．J．烏普迪克等制出了第一個生物傳感器——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。智能傳感與檢測技術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，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)已研究出對葡萄糖氧化反應起一種特異催化作用的酶——葡萄糖氧化酶（GOD)，并研究出用它來測定葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器智能傳感器10智能傳感與檢測技術10.3智能生物傳感器10.3.1生物傳感器概述2.酶傳感器3.微生物傳感器微生物的種類是非常多的，菌體中的復合酶、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，有可能獲得具有復雜及高功能的生物傳感器。智能傳感器10智能傳感與檢測技術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.半導體生物傳感器

免疫傳感器是利用抗體對抗原結合功能研制成功的，半導體生物傳感器是由半導體傳感器與生物分子功能膜、識別器件所組成。通常用的半導體器件是酶光敏二極管和酶場效應晶體管。

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

進入21世紀，電子技術和生物技術相結合，誕生了生物芯片。生物芯片由研究DNA分子或蛋白質(zhì)分子的識別技術開始，已形成獨立學科，成為生命科學領域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術。生物芯片原名稱為“核酸微陣列”，是通過微加工技術和微電子技術，在一塊1cm2大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構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技術智能傳感器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、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器，即仿生傳感器或稱以生物系統(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用2）智能生物傳感器在環(huán)境測量中的應用3）智能智能生物傳感器在發(fā)酵中的應用4）智能生物傳感器在醫(yī)學與健康領域中的應用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技術2.智能生物傳感器的應用智能傳感器10智能傳感與檢測技術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80年代末出現(xiàn)的術語，當時有學者提出一種超聲模糊傳感器，其描述距離測量結果為“遠”、“近”等自然語言。傳統(tǒng)傳感器是數(shù)值傳感器，它以定量數(shù)值來描述被測量的狀態(tài)。隨著測量應用的不斷擴大與深化，傳統(tǒng)傳感器數(shù)值輸出形式已不能滿足某些應用，例如，對于放進洗衣機清洗的衣服，無需精確描述衣服的數(shù)量或重量，而是以“很多”、“多”、“不多”、“很少”來描述，并確定注水量及洗衣粉使用量；大多數(shù)人對于天氣描述中的氣溫、濕度、風速、PM2.5濃度等指標沒有清晰的概念，人們更習慣于用“舒適”、“較為舒適”、“不舒適”之類的自然語言描述天氣舒適度狀況。由于這類以自然語言輸出的測量需要不斷擴大，模糊傳感器應運而生并快速發(fā)展起來。智能傳感器10智能傳感與檢測技術10.4模糊傳感器10.4.2模糊傳感器的結構模糊傳感器的邏輯結構如圖10-30所示，主要由信號檢測與處理單元、數(shù)值／符號轉換單元、知識庫、數(shù)據(jù)庫、模糊概念合成單元和符號／語言輸出單元組成。智能傳感器10

多傳感器融合是指多個基本傳感器空間和時間上的復合設計和應用，常稱多傳感器復合。多傳感器融合能在極短時間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，實現(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)融合也稱信息融合，是指利用計算機對獲得的多個信息源信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術。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個融合層次。智能傳感與檢測技術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)檢測目標各方面，之后對這些數(shù)據(jù)進行預處理，得到有用信息，再進行特征提取和融合計算，得到數(shù)據(jù)融合結果并輸出，其中，特征提取和融合計算是關鍵技術，多傳感器數(shù)據(jù)融合的常用方法基本上可分為隨機和人工智能兩大類，隨機類方法有加權平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法、Dempster-Shafer(D-S)證據(jù)推理、產(chǎn)生式規(guī)則等。人工智能類則有模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡、粗集理論、專家系統(tǒng)等。智能傳感與檢測技術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

微機電系統(tǒng)（MEMS）專指外形輪廓尺寸在毫米級以下，構成它的機械零件和半導體元器件尺寸在微米至納米級，可對聲、光、熱、磁、壓力、運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置，是融合了硅微加工、光刻鑄造成形和精密機械加工等多種微加工