智能与前沿传感技术

1、 2016 HFUT 智能与前沿传感技术智能与前沿传感技术o汇报时间：汇报时间：2016年年3月月 2016 HFUT内容提要内容提要 1 1. . 传统传感器与智能传感器传统传感器与智能传感器 2 2. . 智能传感器设计智能传感器设计 3. 3. 典型智能算法及其应用典型智能算法及其应用 4 4. . 典型智能传感器及其应用典型智能传感器及其应用 5. 5. 新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用 6. 6. 前沿传感技术及其应用前沿传感技术及其应用 7. 7. 总结与展望总结与展望 2016 HFUT一、传统传感器与智能传感器一、传统传感器与智能传感器 传感器（Transducer

2、/Sensor）的定义：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换原件组成。”这一定义包含了以下几方面的含义:（1）感受（获响应）表示传感器要对被测量敏感，能灵敏地反映出被测量的变化（2）传感器的输出、输入之间满足一定的规律，且具有一定的精度（3）可用输出信号通常是指便于处理、转换、传输、显示和存储的信号（4）被测量可以是物理量，也可以是化学量、生物量或其他量o 传统传感器概述传统传感器概述 2016 HFUT一、传统传感器与智能传感器一、传统传感器与智能传感器 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和其他辅助元件组成。传感器的组成如图所示。

3、o 传统传感器组成传统传感器组成 2016 HFUT一、传统传感器与智能传感器一、传统传感器与智能传感器提出：美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船的过程中提出的。概念：智能传感器是一种带有微处理器，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断等智能化功能，是传感器、计算机和通信技术结合的产物。结构：由经典传感器和微处理单元与相关电路构成。o 智能传感器智能传感器 2016 HFUT一、传统传感器与智能传感器一、传统传感器与智能传感器（1）具有自校准和故障自诊断功能（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能。智能传感器能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、

4、静压力等参数进行自动补偿等）（3）具有组态功能，使用灵活。设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发布指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能（4）具有双向通信和标准化数字输出功能（5）人-机对话功能。智能传感器和仪表结合在一起，配合各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活的人-机对话功能o 智能传感器基本功能智能传感器基本功能 2016 HFUT一、传统传感器与智能传感器一、传统传感器与智能传感器与传统传感器相比，智能传感器具有以下特点。（1）灵敏度和测量精度高（2）宽量程（3）可靠性和稳定性高（4）信噪比和分辨力高（5）自适应性强（6）性能价格比高智能传感

5、器的分类（1）按被测物理量的类型来分，有温度、压力、湿度、角速度、液位、磁场、生物、化学等智能传感器。（2）按智能化程度来分，有初级形式、中级形式和高级形式3种。（3）按结构可分为模块式智能传感器、混合式智能传感器和集成式智能传感器3种。o 智能传感器特点及分类智能传感器特点及分类 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计 智能传感器系统主要由传感器、调理电路、数据采集与转化、计算机及其I/O接口设计四大部分组成。（1）传感器：传感器完成信号的获得，它将规定的被测参量按一定规律转换成相应的可用输出信号。被测参量可以使各种非电参量，也可以是电气参量。（2）信号调理：来自传感器的输出

6、信号通常是含有干扰噪声的微弱信号。因此，后面配接的信号电路的基本作用有三个：其一是放大，将信号放大到数据采集卡（板）中的A/D转换器相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆；其三是转换，将传感器输出的电参量转换为电压或频率量。此外，根据需要还可进行信号的隔离和变换等。（3）数据采集及转换： 数据采集部分由采样/保持的多路切换开关组成，实现对多传感器多点多通道输入信号的分时或并行采样。数据转换部分为A/D,D/A转换器或V/F转换器。在以PC与传感器结合的非集成化实现方式中，A/D、D/A、MUX以及可编程放大器PAG几种放在一块DAQ数据采集卡（

7、板）中，并将DAQ插入PC响应的空槽中o 硬件结构设计硬件结构设计 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计o 硬件结构设计硬件结构设计（4）计算机及I/O接口设备：计算机是神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下按预定的程序自动进行信号采集与存储，自动进行数据的运算分析与处理，指令以适当的形式输出，显示或记录测量结果。根据采用的计算机类型，传感器系统可分为以下两种形式o智能仪器式智能传感器系统：以微型计算机或微处理器（Microprocessor）为核心，于20世纪80年代初开始应用，是测量技术和计算机最初结合的形式。o虚拟/集成仪器式智能传感器系统：以

8、个人计算机（Personal Computer）为核心，充分利用PC的运算和分析处理功能和显示功能，打破了计算机与仪器的界限。由于其有更强大的运算和信号分析处理和显示功能，所以与以微处理器为核心构成的一起相比，虚拟/集成仪器式智能传感器系统有更强大的智能，实现起来更容易、更快捷。 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计非线性自校正：非线性自校正：非线性是表征传感器输入/输出校准曲线与所选定的拟合直线（作为工作直线）之间的吻合（或偏离）程度的指标。智能传感器可以通过软件处理的方法来校正由于输入/输出的非线性导致的系统误差，从而提高精度。方法： 作为智能传感器系统，无论其前端传感器

9、输入/输出特性是多么复杂的特性曲线（如左图），它都能应该能够自动按照中图所示的反非线性特性进行特性刻度转换，使转换后输出和输入呈理想的直线关系（右图）。o 软件设计及智能化实现方法软件设计及智能化实现方法 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计（1）查表法：查表法是一种分段线性插值法，是根据精度要求对反非线性特性曲线进行分段，用若干折线逼近曲线211121(1)()iiyyyyxxxx11( )()kkikikkkyyykyxxxx 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计（2）曲线拟合法 曲线拟合法是采用n次多项式来逼近反非线性曲线，该多项式方程的系数由最小二乘

10、法确定。（3）函数链神经网络法 函数链神经网络通过对输入的函数扩展，将多层网络缩为单层网络，使该网络具有极强的非线性映射能力，达到了快速高效学习的目的，避免了陷入局部最小的问题，从而成为一个应用极广的神经网络模型。 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计自校准：自校准：智能传感器的自校准是在软件程序的引导下实现自校零和实时自校准的。实时自校准排出了系统的固定误差和某些干扰因素引起的系统可变误差，从而提高了智能传感器系统的精度和稳定性。例如01() ()yPaSa x P为零位置的恒定部分，S为增益的恒定部分；a0 为零位漂移， a1 为灵敏度漂移。o 软件设计及智能化实现方法软

11、件设计及智能化实现方法 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计智能化自补偿：智能化自补偿：当自校零、自校准环节不包含传感器时，传感器的零点及各种干扰（如温度）引起的零点漂移、灵敏度漂移等固定系统误差与可变系统误差都将引入系统，从而影响系统的稳定性与精度。在要求测量精度较高的情祝下，采用以监测法为基础的软件自补偿智能化技术。（1）温度补偿：温度是传感器系统最主要的干扰量，经典传感器系统主要采用结构对称来消除影响，而智能传感器系统则采用监测补偿法，通过对干扰量的检测，然后由软件实现补偿的。一般由两种补偿方式，在进行温度补偿的同时也进行非线性校正。一：多折线逼近法，二：曲线拟合法。（

12、2）频率补偿：不论是一阶系统还是二阶系统，当信号的频率高，测量系统的工作频带不能满足测量允许误差的要求时，则希望扩展系统的频带以改善系统的动态性能。采用两种方法实现频率自补偿：数字滤波和频域校正法。o 软件设计及智能化实现方法软件设计及智能化实现方法 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计智能化自诊断：智能化自诊断： 随着现代科学技术的发展，自动控制系统变得越来越复杂。为了提高控制系统的可靠性，自20世纪70年代以来，故障诊断技术得到了迅速发展，并且逐步在航天、航空、核电站、化工、冶金及电力等部门得到应用。故障检测可以分为传感器故障检测和元件故障检测两部分。（1）硬件冗余方法：

13、硬件冗余方法是对容易失效的传感器设置一定的备份，然后通过表决器方法进行管理。（2）解析冗余方法模型设计。根据被控对象的特性、传感器的类型、故障类型及系统的要求等，建立相应的被控对象的数学模型。设计与传感器故障相关的残差。在相同控制量作用下，传感器输出信号和模型所得差之值，称为残差。在没有传感器故障时，残差应为0。当有传感器故障时，残差不再为0。也就是说，残差中包含了传感器故障信号。进行统计检验和逻辑分析。用统计检验和逻辑分析方法可以诊断某些类型的传感器故障。o 软件设计及智能化实现方法软件设计及智能化实现方法 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设计噪声抑制与弱信号监测噪声抑制与

14、弱信号监测：（1）噪声抑制技术 智能传感器系统可以从传感器获取的夹杂着各种干扰噪声的信号中自动准确地提取出表征被测对象特征的定量游泳信息。其消除噪声的方法一般有滤波法、差动法、相关法、调制法等。（2）弱信号检测技术 恢复或增强一个信号，即改善信噪比，通常是采用降低与信号所伴随的噪声的方法。采用低噪声器件，降低传感器与放大器固有噪声，这样微弱信号才不会被器件自身的噪声彻底淹没，整个系统才有可能检测出被测的弱信号的变化。另外，还应具备合适的匹配电路，提高系统的输入阻抗，保证有足够的接收灵敏度。o 软件设计及智能化实现方法软件设计及智能化实现方法 2016 HFUT二、智能传感器设计二、智能传感器设

15、计智能化多传感器信息融合智能化多传感器信息融合： 多传感器信息融合：对多种传感器和不同的信息源进行更有效的集成, 以提高数据处理的自动化程度。 信息融合方法分为随即类方法和人工智能方法。 随机类方法：Bayes 推理方法；Dempster-Shafer 的证据理论；Kalman 滤波融合算法 人工智能方法：小波变换；神经网络方法 信息融合研究方向展望：o多传感器分布检测研究o异类多传感器信息融合技术研究o传感器资源分配与管理技术研究o研究数据融合用的数据库和知识库, 高速并行检索和推理机制o 软件设计及智能化实现方法软件设计及智能化实现方法 2016 HFUT三、典型智能算法及其应用三、典型智

16、能算法及其应用 智能算法：人们受自然（生物界）规律的启迪，根据其原理，模仿求解问题的方法。智能算法在传感器中的应用:线性回归：线性回归： 在矿井通风系统中的风流通常为紊流，风速传感器测得的风速只能代表风流曲线上某一点的风速，并不能代表巷道的平均风速。 传感器测得的风速值与平均风速之间的关系不是线性的，采用一元线性回归分析法进行拟合，得到近似的线性关系。 2016 HFUT三、典型智能算法及其应用三、典型智能算法及其应用人工神经网络：人工神经网络：人工神经网络：是一种旨在模仿人脑结构及其功能的信息处理系统。人工神经网络在压力传感器的温度补偿方面有较好的应用：人工神经网络有很强的非线性建模能力，能

17、完成复杂的非线性映射功能，同时，神经网络具有自组织、自学习及推理的自适应能力。 2016 HFUT三、典型智能算法及其应用三、典型智能算法及其应用遗传算法：遗传算法： 遗传算法（GA）是模仿自然界的生物进化机制而发展起来的随机全局搜索和优化方法 遗传算法在无线传感器网络有较为广泛的应用:（1）遗传算法在无线传感器网络节点定位算法中的 应用（2）遗传算法在无线传感器网络自适应数据融合路由算法中的应用（3）遗传算法在解决无线网络规划中基站选址的问题中的应用（4）基于遗传算法的无线传感器网络远程信息获取 2016 HFUT三、典型智能算法及其应用三、典型智能算法及其应用模拟退火算法：模拟退火算法：

18、模拟退火算法是模拟物理中的固体退火过程，在高温状态下，采用Metropolis准则寻找最优解，利用降温过程进行重复抽样，直到得到最优解。模拟退火算法在智能传感器中的应用： 模拟退火算法的原理应用于无线传感器网络节点定位得到基于模拟退火的节点定位算法，简称SAL算法。SAL算法是一种非线性并且全局最优的搜索匹配算法是模拟退火算法和定位技术的完美结合。其核心思想是：利用相关的测距技术得到锚节点和未知待测节点之间的距离d；选取合适的目标函数，应用模拟退火算法定位未知节点。 2016 HFUT四、典型智能传感器及其应用四、典型智能传感器及其应用模糊传感器模糊传感器 在许多领域中， 测量结果需要用定量信

19、息与定性信息综合来表示， 如:汽车舒适度测量与评价、色彩测量与评价等，传统意义上的单纯数值表示测量结果已无法满足需要，因此模糊传感器适合于所有需要定性/定量集成表示的空间， 其应用前景非常广阔。 2016 HFUT四、典型智能传感器及其应用四、典型智能传感器及其应用网络传感器网络传感器 20世纪80年代以来，网络通信技术逐步走向成熟，各种高可靠、低成本、低功耗、微体积的网络接口芯片不断被开发出来，人们把网络接口芯片与智能化传感器集成起来，导致了网络传感器的产生。例如基于HART协议的智能温度传感器 2016 HFUT四、典型智能传感器及其应用四、典型智能传感器及其应用微传感器和微传感器和MEM

20、S技术技术 微机电系统(Micro electro mechanical Systems ,简称MEMS)是微/纳米技术研究的一个重要方向，微机电系统的重要意义不仅在于能缩小体积、减轻成本, 作为一门交叉学科, 它的研究和开发更是为了在微观领域探索新原理、开发新功能、制造新器件。 力学传感器和执行器是应用最为普遍的MEMS 器件，例如微机械陀螺：采用内外框架形式的振动结构, 它与微加速度计组合在一起形成微惯性测量组(MIMU), 可用于飞行器导航、车辆及摄像机的姿态控制等。 2016 HFUT五、五、新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用虚拟传感器虚拟传感器 虚拟传感器是虚拟仪表的重要组

21、成部分，指在测量中不存在直接的物理传感器实体，而是利用其他由直接物理传感器实体得到的信息，通过数学模型计算等手段得到所需检测信息。例如基于虚拟传感器的气体传感器故障诊断与恢复： 一般传感器故障恢复都是采用硬件冗余的方法，即采用备份传感器，当传感器发生故障时，可以用备份传感器替代故障传感器。由于人工嗅觉系统中的气体传感器具有互敏关联性，因此可利用神经网络技术构建虚拟传感器实现气体传感器故障的检测与恢复。 2016 HFUT五、五、新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用软测量传感器软测量传感器 软测量技术就是利用易测过程变量（常称为辅助变量或二次变量）与难以直接测量的待测过程变量（常称为主导

22、变量）之间的数学关系（软测量模型），通过各种数学计算和估计方法，从而实现对待测量过程变量的测量。 软测量传感器的典型应用例如测量木糖醇浓度和底物浓度的软测量传感器考虑影响木糖醇生成速度的关键因素，选择一组容易测量又与过程主要变量有密切关系的发酵时间、溶解氧和菌体浓度作为过程辅助变量，建立发酵过程的软测量模型，实现对木糖醇浓度和底物浓度的间接测量。 2016 HFUT五、五、新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用仿生传感器仿生传感器仿生传感器：人们对人的各种感觉如视觉，听觉。感觉。嗅觉和思维等行为进行模拟，研制出了自动捕获和处理信息，模仿人类行为的装置。典型应用：机器人机器苍蝇：大小与果蝇

23、相仿，仅重300克，翅膀只有几毫米宽。这种机器苍蝇可用于战场侦察，气体探测和充当通气管道“检查员” 2016 HFUT五、五、新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用嵌入式传感器嵌入式传感器 嵌入式智能传感器一般是指利用嵌入式微处理器、智能理论（人工智能技术、神经网技术、模糊技术等）、传感器技术，具备网络传输功能，并且集成了多样化外围功能的新型传感器。嵌入式智能传感器是一种带嵌入式微处理器的传感器，是嵌入式微处理器、智能理论与传感器相结合而成的，它兼有检测、判断、网络、通信和信息处理等功能。与传统的传感器相比有很多特点:（1）具有思维、判断和信息处理功能，能对测量值进行修正、误差补偿，可提

24、高测量精度，具有专家知识和学习能力，可对多传感器参数进行测量融合处理；（2）根据需要可进行自诊断和自校准，提高数据的可靠性；（3）对测量数据进行存取使用方便；（4）有数据通信接口，能与微型计算机直接通信，实现远程控制；可在网上传送数据实现远程甚至全球监控；（5）可实现信息和数据的无线传输；（6）主要由嵌入式微处理器和软件组成，成本低。 2016 HFUT五、五、新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用阵列式传感器阵列式传感器 阵列式智能传感器即为多个传感器排布成若干行列的阵列结构，能够提取检测对象的多维或某种相关特征信息并进行处理的智能传感器。 阵列传感器的功能是由其中各个传感器的特性来决

25、定的，若系统是由几个相同传感器组成的一列串联传感器系统，这时总输出信号得到明显的放大从而变得容易处理。更重要的是，来自传感器阵列的信号可以用来形成一维或二维的被测量空间分布图。除了由一套相同传感器组成的阵列传感器系统外，还可以在阵列传感器系统中使用完全不同的传感器，这样可以测量多种物理量。 阵列传感器的应用例如阵列式仿生矢量振动传感器。 2016 HFUT五、五、新型智能传感器及其应用新型智能传感器及其应用分布式传感器分布式传感器 分布式智能传感器是指能同时测量空间多个点的环境参数，甚至能测量空间连续分布的环境参数的传感器。目前分布式智能传感器研究最多的是分布式智能光纤传感器，它能在整个连续光

26、纤的长度上以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化。 例如布式智能光纤温度传感器传统的稠油油井温度监测仪器只能在某一时间测量某个位置点的温度，无法一次性完整测量整个井筒的连续温度变化信息。分布式光纤温度传感器技术是稠油热采井下温度测量的新技术，是利用拉曼散射原理和光时域反射技术研制而成，只需在蒸汽井内敷设一根高温光纤就可提供整个井筒的连续温度变化，具有耐高温、防爆、施工简单、安全性高等特点。 2016 HFUT六、前沿传感技术六、前沿传感技术及其应用及其应用液晶生物传感器液晶生物传感器 液晶生物传感器是集现代生物技术与先进的传感电子技术于一体，是生物技术、材料技术、物理技术、电

27、子技术等交叉结合而形成的新兴高科技产品。 生物传感器最基本的原理就是基于生物活性材料具有优异的分子识别功能，对测定物质有较高的选择性和灵敏度。因此，液晶生物传感器技术的研究重点是：采用新技术和使用新材料，选择适合于测定对象识别的功能物质液晶高分子生物活性材料。 21世纪是生命科学的世纪，随着近年来科学家们对液晶用于生物领域的极大关注，液晶又开启了它应用领域的巨大篇章。在短短几十年的时间里，液晶生物传感器就已被用于病原体检测、重大疾病诊断、基因组学分析等领域。 2016 HFUT六、前沿传感技术六、前沿传感技术及其应用及其应用石墨烯生物传感器石墨烯生物传感器 作为一个高度跨学科的领域,纳米电化学

28、生物传感器件的研究己成为近年来最令人兴奋的话题之一，众所周知在电化学传感领域中,电极材料是传感器的关键组成部分,它在构建高性能电化学传感平台检测目标分子中发挥着重要的作用。在石墨稀及其衍生物的众多优异性能中,其超高的比较面积、良好的电导率、高的热导率、超强的力学性能和良好的生物相容性,使其成为构建生物传感器的支撑材料和优异平台。石墨炼生物传感器构建的研究始于2008年,首次构建的石墨炼生物传感器为电化学型。 现在石墨烯传感器的主要研究方向有：安培型传感器、电化学发光传感器、场效应晶体管传感器、电化学阻抗传感器、光电化学传感器。石墨烯压力传感器石墨烯压力传感器 自2004年K.S.Novosel

29、ov等人发现石墨烯以来，关于石墨烯显著的机械、光学与电学等性能的研究成为人们密切关注的热点。现有MEMS压力传感器尺寸较大，灵敏度有限，在医学、生物等纳米领域难以得到广泛应用，而石墨烯压力传感器在小应变扰动下石墨烯没有电敏感，有巨大潜力作为触摸屏显示和柔性电子设备的电极材料。现在研究方向主要集中于悬浮石墨烯压力传感器和光纤石墨烯压力传感器。 2016 HFUT六、前沿传感技术六、前沿传感技术及其应用及其应用生物传感器生物传感器 生物传感器是一种精密的分析器件, 它结合一种生物或生物衍生敏感元件与一只理化换能器, 能够产生间断或连续的数字电信号, 信号强度与被分析物成正比。 生物传感器一般由两部

30、分组成:一是分子识别元件, 即具有分子识别能力的生物活性物质(如组织、微生物细胞、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等);二是信号转换器, 主要为电化学电极、光学检测元件、气敏电极、热敏电阻、场效应晶体管、压电晶体及表面等离子共振器件等。 现有的生物传感器主要有：（1）酶传感器（2）免疫传感器（3）DNA传感器（4）微细胞生物传感器。 生物传感器发展至今, 在医学、环境监测、食品工业、军事等方面得到了广泛应用。 2016 HFUT六、前沿传感技术六、前沿传感技术及其应用及其应用MEMS传感器传感器 MEMS 传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器, 是MEMS 器件的一个重要分支。MEMS 传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势, 极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。例如ME