機械工業出版社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多傳感器數據融合系統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驗；當再次遇到相似外部環境時，人類大腦根據積累的知識、經驗對環境進行推理判斷，做出相應反應。

智能傳感器系統是一門現代綜合技術，是當今世界正在迅速發展的高新技術。智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作，結合長期以來智能測試技術的研究和實際經驗而提出來的。傳感器智能化的發展有兩個方向：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、經驗”與采集的有用數據。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，經過模／數轉換為數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境溫度，同樣通過模／數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、信號調理電路、帶數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。模塊化智能傳感器是在現場總線控制系統發展的推動下迅速發展起來的。智能傳感與檢測技術10.1.3智能傳感器的實現方式1．模塊化方式普通傳感器檢測的數據經信號調理電路進行放大、模／數轉換等調理后，送入微處理器進行處理，再由微處理器的數字總線接口掛接到現場數字總線上。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、數據傳輸線、存儲器、運算器、電源和驅動裝置等集成在一塊硅基片上，將平面集成發展成三維集成，實現了多層結構智能傳感器10智能傳感與檢測技術10.1.3智能傳感器的實現方式3．混合方式混合式智能傳感器將敏感元件、信號調理電路、微處理器和數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工藝的發展大大促進了傳感器技術的發展，傳感器技術、通信技術和計算機技術共同構成了現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，也是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。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的質量。在—個自動化系統中，只有利用傳感器的智能檢測技術對各方面參數進行檢查，才能使整個自動化系統正常的工作。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／數轉換器芯片轉換成“0”或“1”數字信號。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等功能，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點，在科學、教育、醫學、商業、工業、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，滿足了現代攝像攝影對CCD更高的要求。基于這種思路，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。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／數轉換變成數字信號輸出。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1）像元尺寸2）靈敏度3）壞點數4）光譜響應智能傳感器10CIS的組成部分都集中于外殼內，結構緊湊，體積小，質量輕，其主要部件生產需要采用微制造工藝完成。當CIS工作時，LED光源陣列發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1）像元尺寸2）靈敏度3）壞點數4）光譜響應

智能傳感器10CCD圖像傳感器在數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、輔助酶再生系統、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為模型的智能生物傳感器。智能生物傳感器是軀感網的前端，它能搜集到很多人體特征數據。用于軀感網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境測量中的應用3）智能智能生物傳感器在發酵中的應用4）智能生物傳感器在醫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。傳統傳感器是數值傳感器，它以定量數值來描述被測量的狀態。隨著測量應用的不斷擴大與深化，傳統傳感器數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、數值／符號轉換單元、知識庫、數據庫、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獲得大量數據，實現多路傳感器的資源共享，提高系統的可靠性和寬容性。數據融合也稱信息融合，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。數據融合按層次由低到高分為數據層融合、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多傳感器數據融合系統10.5.1多傳感器數據融合系統智能傳感器10

利用多傳感器系統檢測目標各方面，之后對這些數據進行預處理，得到有用信息，再進行特征提取和融合計算，得到數據融合結果并輸出，其中，特征提取和融合計算是關鍵技術，多傳感器數據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)證據推理、產生式規則等。人工智能類則有模糊邏輯理論、神經網絡、粗集理論、專家系統等。智能傳感與檢測技術10.5多傳感器數據融合系統10.5.2多傳感器數據融合系統的流程智能傳感器10

微機電系統（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