1、 2016 HFUT 智能與前沿傳感技術智能與前沿傳感技術o匯報時間：匯報時間：2016年年3月月 2016 HFUT內容提要內容提要 1 1. . 傳統傳感器與智能傳感器傳統傳感器與智能傳感器 2 2. . 智能傳感器設計智能傳感器設計 3. 3. 典型智能算法及其應用典型智能算法及其應用 4 4. . 典型智能傳感器及其應用典型智能傳感器及其應用 5. 5. 新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用 6. 6. 前沿傳感技術及其應用前沿傳感技術及其應用 7. 7. 總結與展望總結與展望 2016 HFUT一、傳統傳感器與智能傳感器一、傳統傳感器與智能傳感器 傳感器（Transducer

2、/Sensor）的定義：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換原件組成。”這一定義包含了以下幾方面的含義:（1）感受（獲響應）表示傳感器要對被測量敏感，能靈敏地反映出被測量的變化（2）傳感器的輸出、輸入之間滿足一定的規律，且具有一定的精度（3）可用輸出信號通常是指便于處理、轉換、傳輸、顯示和存儲的信號（4）被測量可以是物理量，也可以是化學量、生物量或其他量o 傳統傳感器概述傳統傳感器概述 2016 HFUT一、傳統傳感器與智能傳感器一、傳統傳感器與智能傳感器 傳感器一般由敏感元件、轉換元件、信號調理電路和其他輔助元件組成。傳感器的組成如圖所示。

3、o 傳統傳感器組成傳統傳感器組成 2016 HFUT一、傳統傳感器與智能傳感器一、傳統傳感器與智能傳感器提出：美國宇航局（NASA）在開發宇宙飛船的過程中提出的。概念：智能傳感器是一種帶有微處理器，兼有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷等智能化功能，是傳感器、計算機和通信技術結合的產物。結構：由經典傳感器和微處理單元與相關電路構成。o 智能傳感器智能傳感器 2016 HFUT一、傳統傳感器與智能傳感器一、傳統傳感器與智能傳感器（1）具有自校準和故障自診斷功能（2）具有數據存儲、邏輯判斷和信息處理功能。智能傳感器能對被測量進行信號調理或信號處理（包括對信號進行預處理、線性化，或對溫度、

4、靜壓力等參數進行自動補償等）（3）具有組態功能，使用靈活。設置多種模塊化的硬件和軟件，用戶可通過微處理器發布指令，改變智能傳感器的硬件模塊和軟件模塊的組合狀態，完成不同的測量功能（4）具有雙向通信和標準化數字輸出功能（5）人-機對話功能。智能傳感器和儀表結合在一起，配合各種顯示裝置和輸入鍵盤，使系統具有靈活的人-機對話功能o 智能傳感器基本功能智能傳感器基本功能 2016 HFUT一、傳統傳感器與智能傳感器一、傳統傳感器與智能傳感器與傳統傳感器相比，智能傳感器具有以下特點。（1）靈敏度和測量精度高（2）寬量程（3）可靠性和穩定性高（4）信噪比和分辨力高（5）自適應性強（6）性能價格比高智能傳感

5、器的分類（1）按被測物理量的類型來分，有溫度、壓力、濕度、角速度、液位、磁場、生物、化學等智能傳感器。（2）按智能化程度來分，有初級形式、中級形式和高級形式3種。（3）按結構可分為模塊式智能傳感器、混合式智能傳感器和集成式智能傳感器3種。o 智能傳感器特點及分類智能傳感器特點及分類 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計 智能傳感器系統主要由傳感器、調理電路、數據采集與轉化、計算機及其I/O接口設計四大部分組成。（1）傳感器：傳感器完成信號的獲得，它將規定的被測參量按一定規律轉換成相應的可用輸出信號。被測參量可以使各種非電參量，也可以是電氣參量。（2）信號調理：來自傳感器的輸出

6、信號通常是含有干擾噪聲的微弱信號。因此，后面配接的信號電路的基本作用有三個：其一是放大，將信號放大到數據采集卡（板）中的A/D轉換器相適配；其二是預濾波，抑制干擾噪聲信號的高頻分量，將頻帶壓縮以降低采樣頻率，避免產生混淆；其三是轉換，將傳感器輸出的電參量轉換為電壓或頻率量。此外，根據需要還可進行信號的隔離和變換等。（3）數據采集及轉換： 數據采集部分由采樣/保持的多路切換開關組成，實現對多傳感器多點多通道輸入信號的分時或并行采樣。數據轉換部分為A/D,D/A轉換器或V/F轉換器。在以PC與傳感器結合的非集成化實現方式中，A/D、D/A、MUX以及可編程放大器PAG幾種放在一塊DAQ數據采集卡（

7、板）中，并將DAQ插入PC響應的空槽中o 硬件結構設計硬件結構設計 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計o 硬件結構設計硬件結構設計（4）計算機及I/O接口設備：計算機是神經中樞，它使整個測量系統成為一個智能化的有機整體，在軟件導引下按預定的程序自動進行信號采集與存儲，自動進行數據的運算分析與處理，指令以適當的形式輸出，顯示或記錄測量結果。根據采用的計算機類型，傳感器系統可分為以下兩種形式o智能儀器式智能傳感器系統：以微型計算機或微處理器（Microprocessor）為核心，于20世紀80年代初開始應用，是測量技術和計算機最初結合的形式。o虛擬/集成儀器式智能傳感器系統：以

8、個人計算機（Personal Computer）為核心，充分利用PC的運算和分析處理功能和顯示功能，打破了計算機與儀器的界限。由于其有更強大的運算和信號分析處理和顯示功能，所以與以微處理器為核心構成的一起相比，虛擬/集成儀器式智能傳感器系統有更強大的智能，實現起來更容易、更快捷。 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計非線性自校正：非線性自校正：非線性是表征傳感器輸入/輸出校準曲線與所選定的擬合直線（作為工作直線）之間的吻合（或偏離）程度的指標。智能傳感器可以通過軟件處理的方法來校正由于輸入/輸出的非線性導致的系統誤差，從而提高精度。方法： 作為智能傳感器系統，無論其前端傳感器

9、輸入/輸出特性是多么復雜的特性曲線（如左圖），它都能應該能夠自動按照中圖所示的反非線性特性進行特性刻度轉換，使轉換后輸出和輸入呈理想的直線關系（右圖）。o 軟件設計及智能化實現方法軟件設計及智能化實現方法 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計（1）查表法：查表法是一種分段線性插值法，是根據精度要求對反非線性特性曲線進行分段，用若干折線逼近曲線211121(1)()iiyyyyxxxx11( )()kkikikkkyyykyxxxx 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計（2）曲線擬合法 曲線擬合法是采用n次多項式來逼近反非線性曲線，該多項式方程的系數由最小二乘

10、法確定。（3）函數鏈神經網絡法 函數鏈神經網絡通過對輸入的函數擴展，將多層網絡縮為單層網絡，使該網絡具有極強的非線性映射能力，達到了快速高效學習的目的，避免了陷入局部最小的問題，從而成為一個應用極廣的神經網絡模型。 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計自校準：自校準：智能傳感器的自校準是在軟件程序的引導下實現自校零和實時自校準的。實時自校準排出了系統的固定誤差和某些干擾因素引起的系統可變誤差，從而提高了智能傳感器系統的精度和穩定性。例如01() ()yPaSa x P為零位置的恒定部分，S為增益的恒定部分；a0 為零位漂移， a1 為靈敏度漂移。o 軟件設計及智能化實現方法軟

11、件設計及智能化實現方法 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計智能化自補償：智能化自補償：當自校零、自校準環節不包含傳感器時，傳感器的零點及各種干擾（如溫度）引起的零點漂移、靈敏度漂移等固定系統誤差與可變系統誤差都將引入系統，從而影響系統的穩定性與精度。在要求測量精度較高的情祝下，采用以監測法為基礎的軟件自補償智能化技術。（1）溫度補償：溫度是傳感器系統最主要的干擾量，經典傳感器系統主要采用結構對稱來消除影響，而智能傳感器系統則采用監測補償法，通過對干擾量的檢測，然后由軟件實現補償的。一般由兩種補償方式，在進行溫度補償的同時也進行非線性校正。一：多折線逼近法，二：曲線擬合法。（

12、2）頻率補償：不論是一階系統還是二階系統，當信號的頻率高，測量系統的工作頻帶不能滿足測量允許誤差的要求時，則希望擴展系統的頻帶以改善系統的動態性能。采用兩種方法實現頻率自補償：數字濾波和頻域校正法。o 軟件設計及智能化實現方法軟件設計及智能化實現方法 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計智能化自診斷：智能化自診斷： 隨著現代科學技術的發展，自動控制系統變得越來越復雜。為了提高控制系統的可靠性，自20世紀70年代以來，故障診斷技術得到了迅速發展，并且逐步在航天、航空、核電站、化工、冶金及電力等部門得到應用。故障檢測可以分為傳感器故障檢測和元件故障檢測兩部分。（1）硬件冗余方法：

13、硬件冗余方法是對容易失效的傳感器設置一定的備份，然后通過表決器方法進行管理。（2）解析冗余方法模型設計。根據被控對象的特性、傳感器的類型、故障類型及系統的要求等，建立相應的被控對象的數學模型。設計與傳感器故障相關的殘差。在相同控制量作用下，傳感器輸出信號和模型所得差之值，稱為殘差。在沒有傳感器故障時，殘差應為0。當有傳感器故障時，殘差不再為0。也就是說，殘差中包含了傳感器故障信號。進行統計檢驗和邏輯分析。用統計檢驗和邏輯分析方法可以診斷某些類型的傳感器故障。o 軟件設計及智能化實現方法軟件設計及智能化實現方法 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設計噪聲抑制與弱信號監測噪聲抑制與

14、弱信號監測：（1）噪聲抑制技術 智能傳感器系統可以從傳感器獲取的夾雜著各種干擾噪聲的信號中自動準確地提取出表征被測對象特征的定量游泳信息。其消除噪聲的方法一般有濾波法、差動法、相關法、調制法等。（2）弱信號檢測技術 恢復或增強一個信號，即改善信噪比，通常是采用降低與信號所伴隨的噪聲的方法。采用低噪聲器件，降低傳感器與放大器固有噪聲，這樣微弱信號才不會被器件自身的噪聲徹底淹沒，整個系統才有可能檢測出被測的弱信號的變化。另外，還應具備合適的匹配電路，提高系統的輸入阻抗，保證有足夠的接收靈敏度。o 軟件設計及智能化實現方法軟件設計及智能化實現方法 2016 HFUT二、智能傳感器設計二、智能傳感器設

15、計智能化多傳感器信息融合智能化多傳感器信息融合： 多傳感器信息融合：對多種傳感器和不同的信息源進行更有效的集成, 以提高數據處理的自動化程度。 信息融合方法分為隨即類方法和人工智能方法。 隨機類方法：Bayes 推理方法；Dempster-Shafer 的證據理論；Kalman 濾波融合算法 人工智能方法：小波變換；神經網絡方法 信息融合研究方向展望：o多傳感器分布檢測研究o異類多傳感器信息融合技術研究o傳感器資源分配與管理技術研究o研究數據融合用的數據庫和知識庫, 高速并行檢索和推理機制o 軟件設計及智能化實現方法軟件設計及智能化實現方法 2016 HFUT三、典型智能算法及其應用三、典型智

16、能算法及其應用 智能算法：人們受自然（生物界）規律的啟迪，根據其原理，模仿求解問題的方法。智能算法在傳感器中的應用:線性回歸：線性回歸： 在礦井通風系統中的風流通常為紊流，風速傳感器測得的風速只能代表風流曲線上某一點的風速，并不能代表巷道的平均風速。 傳感器測得的風速值與平均風速之間的關系不是線性的，采用一元線性回歸分析法進行擬合，得到近似的線性關系。 2016 HFUT三、典型智能算法及其應用三、典型智能算法及其應用人工神經網絡：人工神經網絡：人工神經網絡：是一種旨在模仿人腦結構及其功能的信息處理系統。人工神經網絡在壓力傳感器的溫度補償方面有較好的應用：人工神經網絡有很強的非線性建模能力，能

17、完成復雜的非線性映射功能，同時，神經網絡具有自組織、自學習及推理的自適應能力。 2016 HFUT三、典型智能算法及其應用三、典型智能算法及其應用遺傳算法：遺傳算法： 遺傳算法（GA）是模仿自然界的生物進化機制而發展起來的隨機全局搜索和優化方法 遺傳算法在無線傳感器網絡有較為廣泛的應用:（1）遺傳算法在無線傳感器網絡節點定位算法中的 應用（2）遺傳算法在無線傳感器網絡自適應數據融合路由算法中的應用（3）遺傳算法在解決無線網絡規劃中基站選址的問題中的應用（4）基于遺傳算法的無線傳感器網絡遠程信息獲取 2016 HFUT三、典型智能算法及其應用三、典型智能算法及其應用模擬退火算法：模擬退火算法：

18、模擬退火算法是模擬物理中的固體退火過程，在高溫狀態下，采用Metropolis準則尋找最優解，利用降溫過程進行重復抽樣，直到得到最優解。模擬退火算法在智能傳感器中的應用： 模擬退火算法的原理應用于無線傳感器網絡節點定位得到基于模擬退火的節點定位算法，簡稱SAL算法。SAL算法是一種非線性并且全局最優的搜索匹配算法是模擬退火算法和定位技術的完美結合。其核心思想是：利用相關的測距技術得到錨節點和未知待測節點之間的距離d；選取合適的目標函數，應用模擬退火算法定位未知節點。 2016 HFUT四、典型智能傳感器及其應用四、典型智能傳感器及其應用模糊傳感器模糊傳感器 在許多領域中， 測量結果需要用定量信

19、息與定性信息綜合來表示， 如:汽車舒適度測量與評價、色彩測量與評價等，傳統意義上的單純數值表示測量結果已無法滿足需要，因此模糊傳感器適合于所有需要定性/定量集成表示的空間， 其應用前景非常廣闊。 2016 HFUT四、典型智能傳感器及其應用四、典型智能傳感器及其應用網絡傳感器網絡傳感器 20世紀80年代以來，網絡通信技術逐步走向成熟，各種高可靠、低成本、低功耗、微體積的網絡接口芯片不斷被開發出來，人們把網絡接口芯片與智能化傳感器集成起來，導致了網絡傳感器的產生。例如基于HART協議的智能溫度傳感器 2016 HFUT四、典型智能傳感器及其應用四、典型智能傳感器及其應用微傳感器和微傳感器和MEM

20、S技術技術 微機電系統(Micro electro mechanical Systems ,簡稱MEMS)是微/納米技術研究的一個重要方向，微機電系統的重要意義不僅在于能縮小體積、減輕成本, 作為一門交叉學科, 它的研究和開發更是為了在微觀領域探索新原理、開發新功能、制造新器件。 力學傳感器和執行器是應用最為普遍的MEMS 器件，例如微機械陀螺：采用內外框架形式的振動結構, 它與微加速度計組合在一起形成微慣性測量組(MIMU), 可用于飛行器導航、車輛及攝像機的姿態控制等。 2016 HFUT五、五、新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用虛擬傳感器虛擬傳感器 虛擬傳感器是虛擬儀表的重要組

21、成部分，指在測量中不存在直接的物理傳感器實體，而是利用其他由直接物理傳感器實體得到的信息，通過數學模型計算等手段得到所需檢測信息。例如基于虛擬傳感器的氣體傳感器故障診斷與恢復： 一般傳感器故障恢復都是采用硬件冗余的方法，即采用備份傳感器，當傳感器發生故障時，可以用備份傳感器替代故障傳感器。由于人工嗅覺系統中的氣體傳感器具有互敏關聯性，因此可利用神經網絡技術構建虛擬傳感器實現氣體傳感器故障的檢測與恢復。 2016 HFUT五、五、新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用軟測量傳感器軟測量傳感器 軟測量技術就是利用易測過程變量（常稱為輔助變量或二次變量）與難以直接測量的待測過程變量（常稱為主導

22、變量）之間的數學關系（軟測量模型），通過各種數學計算和估計方法，從而實現對待測量過程變量的測量。 軟測量傳感器的典型應用例如測量木糖醇濃度和底物濃度的軟測量傳感器考慮影響木糖醇生成速度的關鍵因素，選擇一組容易測量又與過程主要變量有密切關系的發酵時間、溶解氧和菌體濃度作為過程輔助變量，建立發酵過程的軟測量模型，實現對木糖醇濃度和底物濃度的間接測量。 2016 HFUT五、五、新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用仿生傳感器仿生傳感器仿生傳感器：人們對人的各種感覺如視覺，聽覺。感覺。嗅覺和思維等行為進行模擬，研制出了自動捕獲和處理信息，模仿人類行為的裝置。典型應用：機器人機器蒼蠅：大小與果蠅

23、相仿，僅重300克，翅膀只有幾毫米寬。這種機器蒼蠅可用于戰場偵察，氣體探測和充當通氣管道“檢查員” 2016 HFUT五、五、新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用嵌入式傳感器嵌入式傳感器 嵌入式智能傳感器一般是指利用嵌入式微處理器、智能理論（人工智能技術、神經網技術、模糊技術等）、傳感器技術，具備網絡傳輸功能，并且集成了多樣化外圍功能的新型傳感器。嵌入式智能傳感器是一種帶嵌入式微處理器的傳感器，是嵌入式微處理器、智能理論與傳感器相結合而成的，它兼有檢測、判斷、網絡、通信和信息處理等功能。與傳統的傳感器相比有很多特點:（1）具有思維、判斷和信息處理功能，能對測量值進行修正、誤差補償，可提

24、高測量精度，具有專家知識和學習能力，可對多傳感器參數進行測量融合處理；（2）根據需要可進行自診斷和自校準，提高數據的可靠性；（3）對測量數據進行存取使用方便；（4）有數據通信接口，能與微型計算機直接通信，實現遠程控制；可在網上傳送數據實現遠程甚至全球監控；（5）可實現信息和數據的無線傳輸；（6）主要由嵌入式微處理器和軟件組成，成本低。 2016 HFUT五、五、新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用陣列式傳感器陣列式傳感器 陣列式智能傳感器即為多個傳感器排布成若干行列的陣列結構，能夠提取檢測對象的多維或某種相關特征信息并進行處理的智能傳感器。 陣列傳感器的功能是由其中各個傳感器的特性來決

25、定的，若系統是由幾個相同傳感器組成的一列串聯傳感器系統，這時總輸出信號得到明顯的放大從而變得容易處理。更重要的是，來自傳感器陣列的信號可以用來形成一維或二維的被測量空間分布圖。除了由一套相同傳感器組成的陣列傳感器系統外，還可以在陣列傳感器系統中使用完全不同的傳感器，這樣可以測量多種物理量。 陣列傳感器的應用例如陣列式仿生矢量振動傳感器。 2016 HFUT五、五、新型智能傳感器及其應用新型智能傳感器及其應用分布式傳感器分布式傳感器 分布式智能傳感器是指能同時測量空間多個點的環境參數，甚至能測量空間連續分布的環境參數的傳感器。目前分布式智能傳感器研究最多的是分布式智能光纖傳感器，它能在整個連續光

26、纖的長度上以距離的連續函數的形式傳感出被測參數隨光纖長度方向的變化。 例如布式智能光纖溫度傳感器傳統的稠油油井溫度監測儀器只能在某一時間測量某個位置點的溫度，無法一次性完整測量整個井筒的連續溫度變化信息。分布式光纖溫度傳感器技術是稠油熱采井下溫度測量的新技術，是利用拉曼散射原理和光時域反射技術研制而成，只需在蒸汽井內敷設一根高溫光纖就可提供整個井筒的連續溫度變化，具有耐高溫、防爆、施工簡單、安全性高等特點。 2016 HFUT六、前沿傳感技術六、前沿傳感技術及其應用及其應用液晶生物傳感器液晶生物傳感器 液晶生物傳感器是集現代生物技術與先進的傳感電子技術于一體，是生物技術、材料技術、物理技術、電

27、子技術等交叉結合而形成的新興高科技產品。 生物傳感器最基本的原理就是基于生物活性材料具有優異的分子識別功能，對測定物質有較高的選擇性和靈敏度。因此，液晶生物傳感器技術的研究重點是：采用新技術和使用新材料，選擇適合于測定對象識別的功能物質液晶高分子生物活性材料。 21世紀是生命科學的世紀，隨著近年來科學家們對液晶用于生物領域的極大關注，液晶又開啟了它應用領域的巨大篇章。在短短幾十年的時間里，液晶生物傳感器就已被用于病原體檢測、重大疾病診斷、基因組學分析等領域。 2016 HFUT六、前沿傳感技術六、前沿傳感技術及其應用及其應用石墨烯生物傳感器石墨烯生物傳感器 作為一個高度跨學科的領域,納米電化學

28、生物傳感器件的研究己成為近年來最令人興奮的話題之一，眾所周知在電化學傳感領域中,電極材料是傳感器的關鍵組成部分,它在構建高性能電化學傳感平臺檢測目標分子中發揮著重要的作用。在石墨稀及其衍生物的眾多優異性能中,其超高的比較面積、良好的電導率、高的熱導率、超強的力學性能和良好的生物相容性,使其成為構建生物傳感器的支撐材料和優異平臺。石墨煉生物傳感器構建的研究始于2008年,首次構建的石墨煉生物傳感器為電化學型。 現在石墨烯傳感器的主要研究方向有：安培型傳感器、電化學發光傳感器、場效應晶體管傳感器、電化學阻抗傳感器、光電化學傳感器。石墨烯壓力傳感器石墨烯壓力傳感器 自2004年K.S.Novosel

29、ov等人發現石墨烯以來，關于石墨烯顯著的機械、光學與電學等性能的研究成為人們密切關注的熱點。現有MEMS壓力傳感器尺寸較大，靈敏度有限，在醫學、生物等納米領域難以得到廣泛應用，而石墨烯壓力傳感器在小應變擾動下石墨烯沒有電敏感，有巨大潛力作為觸摸屏顯示和柔性電子設備的電極材料。現在研究方向主要集中于懸浮石墨烯壓力傳感器和光纖石墨烯壓力傳感器。 2016 HFUT六、前沿傳感技術六、前沿傳感技術及其應用及其應用生物傳感器生物傳感器 生物傳感器是一種精密的分析器件, 它結合一種生物或生物衍生敏感元件與一只理化換能器, 能夠產生間斷或連續的數字電信號, 信號強度與被分析物成正比。 生物傳感器一般由兩部

30、分組成:一是分子識別元件, 即具有分子識別能力的生物活性物質(如組織、微生物細胞、細胞器、細胞受體、酶、抗體、核酸等);二是信號轉換器, 主要為電化學電極、光學檢測元件、氣敏電極、熱敏電阻、場效應晶體管、壓電晶體及表面等離子共振器件等。 現有的生物傳感器主要有：（1）酶傳感器（2）免疫傳感器（3）DNA傳感器（4）微細胞生物傳感器。 生物傳感器發展至今, 在醫學、環境監測、食品工業、軍事等方面得到了廣泛應用。 2016 HFUT六、前沿傳感技術六、前沿傳感技術及其應用及其應用MEMS傳感器傳感器 MEMS 傳感器是采用微機械加工技術制造的新型傳感器, 是MEMS 器件的一個重要分支。MEMS 傳感器憑借體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成以及耐惡劣工作環境等優勢, 極大地促進了傳感器的微型化、智能化、多功能化和網絡化發展。例如ME