《传感器技术与应用》-课件

传感器技术与应用-课件1第第2章章 现代传感技术概述现代传感技术概述学学 习习 目目 标标知识能力知识能力：熟悉各种现代传感技术的特点及应用。技能能力技能能力：初步掌握智能传感技术的开发方法。综合能力综合能力：提高学生分析问题和解决问题的能力，加强学生沟通能力及团队协作精神的培养。第2章 现代传感技术概述学 习 目 标2 2.1 几种新型传感技术几种新型传感技术【知识能力】智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断、量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应、自学习，以及超限报警、故障诊断等功能的传感器。智能传感技术已成为现代测控技术的主要发展方向之一。目前，智能传感器广泛应用于航空航天、国防、现代工农业、医疗、交通、智能家居等领域。2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器一、智能传感器的概念一、智能传感器的概念 2.1 几种新型传感技术【知识能力】智能3 智能传感器已具备了人类的某些智能思维与行为。人类通过眼睛、鼻子、耳朵和皮肤感知获得外部环境多重传感信息，这些传感信息在人类大脑中归纳、推理并积累形成知识与经验；当再次遇到相似外部环境时，人类大脑根据积累的知识、经验对环境进行推理判断，做出相应反应。智能传感器与人类智能相类似，其传感器相当于人类的感知器官，其微处理器相当于人类大脑，可进行信息处理、逻辑思维与推理判断，存储设备存储“知识、经验”与采集的有用数据。一、智能传感器的概念一、智能传感器的概念 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器 智能传感器已具备了人类的某些智能思维与行为。人类通过眼睛、4智能传感器主要由传感器、微处理器及相关电路组成，如下图所示。传感器将被测的物理、化学量等转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，经过滤波、放大、模-数转换等信号调理处理后送到微处理器。微处理器对接收的信号进行计算、存储、数据分析和处理后，一方面通过反馈回路对传感器与信号调理电路进行调节以实现对测量过程的调节和控制，另一方面将处理后的结果传送到输出接口，经过接口电路的处理后按照输出格式输出数字化的测量结果。智能传感器中微处理器是智能化的核心，用于实现信息处理、逻辑思维、推理判断等智能化功能。二、智能传感器的基本结构二、智能传感器的基本结构 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器智能传感器主要由传感器、微处理器及相关电路组成，如下图所示。5由于智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断，使其除了传统传感器的检测功能外，还具有数据处理、数据存储、数据通信等功能，其功能已经延伸至仪器的领域。具体功能包括：(1)自校零、自标定、自校正、自适应量程功能；(2)自补偿功能；(3)自诊断（自检）功能；(4)信息处理与数据存储记忆功能；(5)双向通信和数字输出功能；(6)组态功能。三、智能传感器的功能三、智能传感器的功能 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器由于智能传感器引入了微处理器进行信息处理、逻辑思维、推理判断6与传统传感器相比，智能传感器具有如下特点：(1)测量精度高：智能传感器具有自校零、自校正、自适应量程、自补偿和数字滤波等多项新技术，可以有效修正各种确定性系统误差和一定程度补偿随机误差、降低噪声，大大提高测量精度。(2)可靠性和稳定性高：集成式智能传感器消除了传统电路结构的某些不可靠因素，提高了抗干扰性能；同时，智能传感器能定时或不定时对软硬件资源进行自诊断，对于异常情况或故障能及时报警或处理，甚至自恢复，这些都大大提高了器可靠性和稳定性。(3)性价比高：与普通传感器相比，智能传感器可使用低价的微处理器、集成电路工艺和编程技术实现，其具有更高的性能价格比。(4)智能化、多功能化：智能传感器由于采用微处理器及相关算法，使其具有某些与人类相似的智能思维与行为，实现多种提高测量性能、简化操作的功能。四、智能传感器的特点四、智能传感器的特点 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器与传统传感器相比，智能传感器具有如下特点：四、智能传感器的特7(1)模块化方式模块化智能传感器是将基本传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器相互分离连接，组合成一整体而构成智能传感器系统，这种模块化智能传感器是在现场总线控制系统发展的推动下迅速发展起来的。这是一种在传统普通传感器基础上实现智能传感器系统的最快途径与方式，易于实现，具有较高的实用性。五、智能传感器的实现五、智能传感器的实现 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器(1)模块化方式五、智能传感器的实现 2.1.1 智能传8(1)模块化方式目前，国内外已有不少此类产品。此类智能传感器各部件可以封装在一个外壳中，也可分开设置，其集成度不高、体积较大。智能传感器的模块化实现方式一般采用SMBus总线、RS-232、RS-422、RS-485、USB、CAN等总线，目前ZigBee、WiFi、蓝牙等无线传输方式也广泛应用于智能传感器。五、智能传感器的实现五、智能传感器的实现 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器(1)模块化方式五、智能传感器的实现 2.1.1 智能传9(2)集成化方式集成化的智能传感器是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，以半导体材料硅为基本材料来制作敏感元件，将敏感元件、信号调理电路以及微处理器等集成在一块芯片上构成的。此类智能传感器具有小型化、性能可靠、易于批量生产、价格便宜等优点，因而被认为是智能传感器的主要发展方向。下图是三维多功能单片智能传感器的结构图，该智能传感器将敏感元件、数据传输线、存储器、运算器、电源和驱动等集成在一块硅基片上。集成化智能传感器一般采用1-Wire总线、I2C总线、SPI总线等。三、智能传感器的实现三、智能传感器的实现1敏感元件；2传输线；3存储器；4运算器；5电源和驱动；6硅基片 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器(2)集成化方式三、智能传感器的实现1敏感元件；2.10(3)混合方式根据具体需要和技术，混合式智能传感器将敏感元件、信号调理电路和微处理器、数字总线接口等部分以不同的组合方式集成在两个或三个芯片上，然后装配在同一壳体中。三、智能传感器的实现三、智能传感器的实现 2.1.1 2.1.1 智能传感器智能传感器(3)混合方式三、智能传感器的实现 2.1.1 智能传感11传统传感器是数值传感器，它将被测量映射到实数集中，用数据描述被测量的状态，即对被测对象进行定量描述。但由于被测对象的多样式、被分析问题的复杂性和信息的直接获取困难性等原因，有些信息无法用数值符号描述、或者用数值描述很困难。近年迅速发展起来的模糊传感器在传统数据检测的基础上，经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符号描述的形式输出测量结果的一类智能传感器。显然，模糊传感器的核心部分就是模拟人类自然语言符号的产生及其处理。模糊传感器的“智能”之处在于：它可以模拟人类感知的全过程，核心在于知识性，知识的最大特点在于其模糊性。它不仅具有智能传感器的一般优点和功能，而且还具有学习推理的能力，具有适应测量环境变化的能力，并且能够根据测量任务的要求进行学习推理。另外，模糊传感器还具有与上级系统交换信息的能力，以及自我管理和调节的功能。模糊理论应用于测量中的主要思想是将人们在测量过程中积累的对测量系统及测量环境的知识和经验融合到测量结果中，使测量结果更加接近人的思维。2.1.2 2.1.2 模糊传感器模糊传感器一、模糊传感器概述一、模糊传感器概述 2.1 几种新型传感技术几种新型传感技术传统传感器是数值传感器，它将被测量映射到实数集中，用数据描述12模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器。具体地说，将被测量值范围划分为若干个区间，利用模糊集理论判断被测量值的区间，并用区间中值或相应符号进行表示，这一过程称为模糊化。对多参数进行综合评价测试时，需要将多个被测量值的相应符号进行组合模糊判断，最终得出测量结果。模糊传感器的一般结构下图所示。信息的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的核心与基石。一、模糊传感器概述一、模糊传感器概述 2.1.2 2.1.2 模糊传感器模糊传感器模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集13模糊传感器作为一种智能传感器，具有智能传感器的基本功能，即学习、推理、联想、感知和通信功能。（1）学习功能：人类知识集成的实现、测量结果高级逻辑表达等都是通过学习功能完成的。能够根据测量任务的要求学习有关知识是模糊传感器与传统传感器的重要差别。模糊传感器的学习功能是能过导师学习算法和无导师自学习算法完成的。（2）推理联想功能：模糊传感器可分为一维传感器和多维传感器。一维传感器当接受外界刺激时，可以通过训练时记忆联想得到符号化测量结果。多维传感器接受多个外界刺激时，可以通过人类知识的集成进行推理，实现时空信息整合与多传感器信息融合以及复合概念的符号化表示结果。推理联想功能需要通过推理机构和知识库来实现。（3）感知功能：模糊传感器与一般传感器一样可以感知由传感元件确定的被测量，但根本区别在于前者不仅可输出数值，而且可以输出语言符号量。因此，模糊传感器必须具有数值-符号转换能力。（4）通信功能：传感器通常作为大系统中的子系统工作，因此模糊传感器应该能与上级系统进行信息交换，因而通信功能是模糊传感器的基本功能。二、模糊传感器的基本功能二、模糊传感器的基本功能 2.1.2 2.1.2 模糊传感器模糊传感器模糊传感器作为一种智能传感器，具有智能传感器的基本功能，即学14微传感器的诞生依赖于微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systemm，MEMS）技术的发展。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件或系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。MEMS系统的突出特点是其微型化，涉及电子、机械、材料、制造、控制、物理、化学、生物等多学科技术，其中大量应用的各种材料的特性和加工制作方法在微米或纳米尺度下具有特殊性，不能完全照搬传统的材料理论和研究方法，在器件制作工艺和技术上也与传统大器件（宏传感器）的制作存在许多不同。一、一、MEMSMEMS与微加工与微加工 2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器 2.1 几种新型传感技术几种新型传感技术微传感器的诞生依赖于微机电系统（Micro Electro-15与一般传感器（即宏传感器）比较，微传感器具有以下特点：（1）空间占有率小 对被测对象的影响少，能在不扰乱周围环境、接近自然的状态下获取信息。（2）灵敏度高，响应速度快 由于惯性、热容量极小，仅用极少能量即可产生动作或温度变化，分辩率高，响应快，灵敏度高，能实时把握局部运动状态。（3）便于集成化和多功能化 能提高系统的集成密度，可以用多种传感器的集合体把握微小部位的综合状态量；也可把信号处理电路和驱动电路与传感元件集成于一体，提高系统的性能，并实现智能化和多功能化。（4）可靠性高 可能过集成构成伺服系统，用零位法检测，还能实现自诊、自校正功能。（5）消耗电力小，节省资源和能量。（6）价格低廉 能多个传感器集成在一起且无须组装，可以在一块晶片上集成多个传感器，从而大幅度降低材料和制造成本。二、二、微传感器特点微传感器特点 2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器与一般传感器（即宏传感器）比较，微传感器具有以下特点：二、微16（1）压阻式微传感器压阻式微传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料沿某一轴向受外力作用时，原子点阵列排列规律将发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度发生变化，使材料的电阻率随之了生变化的现象。压阻式微传感器主要有压阻式微压力传感器、压阻式微加速度传感器、压阻式微型流量传感器几种。三、三、典型微传感器典型微传感器 2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器（1）压阻式微传感器三、典型微传感器 2.1.3 微传感器17（1）压阻式微传感器压阻式微压力传感器的原理结构及其截面分别如右图所示。在硅基框架上形成有硅薄膜层，通过扩散工艺在该膜层上形成半导体压敏电阻，并用蒸镀法制成电极，构成电桥。根据所采用蚀刻工艺不同，压阻式微压力传感器中的硅膜片可做成圆形或方形结构。膜片一侧与被测系统相连接，称为“高压腔”，另一侧为“低压腔”，低压腔可与大气相连，可以参考气压，也可抽成真空。根据压阻效应，膜片受压力作用时，在膜片两侧形成压差，导致膜片变形，引起压敏电阻的阻值变化，经与之相联的电桥电路可将这种阻值变化转换为电桥输出电压的变化（一般为几个毫伏）。2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器三、三、典型微传感器典型微传感器（1）压阻式微传感器 2.1.3 微传感器三、典型微传感器18（2）电容式微传感器电容式硅微传感器的主要优点是耗能少、灵敏度高以及输出信号受温度影响小，包括电容式微压力传感器、电容式微加速度传感器、电容式微流量传感器几种。电容式微流量传感器利用液体流动过程中形成的压力差促使电容传感器极板间距的改变来达到测量流量的目的。其工作原理是在传感器壳体的基底和上膜片上分别有一金属电极，两者形成电容器的两极板。当液体流入时，入流和出流端会形成压力差，该压力差将促使膜片电极相对于固定电极的间距改变，从而改变电容器的电容，通过测量电容量可极板间距的变化即可测得液体的流速和流量。2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器三、三、典型微传感器典型微传感器（2）电容式微传感器 2.1.3 微传感器三、典型微传感器19（3）电感式微传感器电感式微传感器的典型应用是微型磁通门式磁强计，原理图如右图所示。其主要由绕向相反的一对激励线圈和检测线圈组成，磁心工作在饱和状态。当没有磁场作用时，在激励线圈中通以正弦交变电流信号，由于两磁心上的线圈绕向相向，则在磁心中的磁通量大小相等增，方向相反，在检测线圈中无感应电动势产生。当放入磁场中，由于磁场叠加的结果，使两个磁心对称性受到破坏，从而在检测线圈中将会产生感应电动势，通过测量该感应电动势可得到磁场的强弱。2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器三、三、典型微传感器典型微传感器（3）电感式微传感器 2.1.3 微传感器三、典型微传感器20（4）热敏电阻式微传感器下图为利用热敏电阻式传感器器测量气体的流速和流量工作原理结构示意图。其主要是由薄膜片、加热电阻和测量电阻等组成。其中，薄膜片是由导热性差的材料（如氮化硅或二氧化硅等）构成。同时，在薄膜片配置两个加热电阻和两个测量电阻（热敏电阻）。其工作原理：当被测气体介质流经膜片的测量电阻时，将会给这两个电阻带来热量（加热）或带走热量（冷却），通过检测测量电阻的温度差即可得到气体流速或流量。2.1.3 2.1.3 微传感器微传感器三、三、典型微传感器典型微传感器（4）热敏电阻式微传感器 2.1.3 微传感器三、典型微传21网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据能够就近进入网络传输，在网络覆盖范围内实时发布和共享。简单地说，网络传感器就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器。一、网络传感器的概念一、网络传感器的概念 2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器 2.1 几种新型传感技术几种新型传感技术网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据能够22网络传感器的核心是使传感器本身实现网络通信协议。目前，可以通过软件方式或硬件方式实现传感器的网络化。软件方式是指将网络协议嵌入到传感器系统的ROM中；硬件方式是指采用具有网络协议的网络芯片直接用做网络接口。2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器一、网络传感器的概念一、网络传感器的概念网络传感器的核心是使传感器本身实现网络通信协议。目前，可以通23网络传感器的关键技术是网络接口技术。由于工业现场存在多种网络标准，因此也随之发展起来了多种网络传感器，具有各自不同的网络接口单元类型。目前，主要有基于现场总线的网络传感器和基于以太网（Ethernet）协议的网络传感器两大类。（1）基于现场总线的网络传感器现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网。它可以把所有的现场设备（仪表、传感器与执行器）与控制器通过一根线缆相连，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可完成现场状态监测、控制、信息远传等功能。传感器等仪表智能化的目标是信息处理的现场化。由于现场总线标准互不兼容，不同厂家采用各自的总线标准，因此，目前智能传感器和控制系统之间的通信主要以模拟信号为主或在模拟信号上叠加数字信号，很大程度降低通信速度，严重影响现场总线式智能传感器的应用。二、网络传感器的类型二、网络传感器的类型 2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器网络传感器的关键技术是网络接口技术。由于工业现场存在多种网络24（2）基于以太网（Ethernet）协议的网络传感器随着计算机网络技术的快速发展，将以太网直接引入测控现场成为一种新的趋势。由于以太网技术开放性好、通信速度快和价格低廉等优势，人们开始研究基于以太网（即基于TCP/IP）的网络传感器。该类传感器通过网络介质可以直接接入Internet或Internat，还可以做到“即插即用”。在传感器嵌入TCP/IP协议，使传感器成为Internet或Internat上的一个节点。目前，测控系统的设计明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的测控系统。测控网络具有与信息网络相似的体系结构和通信模型。TCP/IP协议和Internet网络成为组建测控网络，实现网络化的信息采集、信息发布、系统集成的基本技术依托。2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器二、网络传感器的类型二、网络传感器的类型（2）基于以太网（Ethernet）协议的网络传感器 2.25（3）基于IEEE 1451标准的网络传感器为了解决智能传感器总线标准兼容性、通用性差的问题，统一不同智能传感器接口与组网协议，美国国家标准技术研究所(NIST)和国际电子电气工程师协会IEEE组织制定了IEEE 1451智能变换器(包括传感器与执行器)接口系列标准，使智能传感器具有互换性、互操作性及即插即用。IEEE 1451网络化智能传感技术已经是智能传感技术的主要发展趋势之一。2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器二、网络传感器的类型二、网络传感器的类型（3）基于IEEE 1451标准的网络传感器 2.1.4 26（3）基于IEEE 1451标准的网络传感器IEEE 1451标准将网络化智能传感器划分为网络适配器NCAP和智能变送器接口模块TIM，两者通过IEEE 1451.x(x代表3-7)传感器接口连接。NCAP主要功能是实现网络通信、传感数据校正等，网络管理单元通过NCAP访问TIM。TIM是NCAP与传感器之间实际连接部件，最多连接255个传感器，完成信号调理、模拟数字信号转换(A/D、D/A)、TEDS定义等功能。二、网络传感器的类型二、网络传感器的类型传感器接口、TEDS是实现网络化智能传感器即插即用功能的核心技术，TEDS用于系统地描述STIM及各传感通道的类型、参数、操作方式和属性。2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器（3）基于IEEE 1451标准的网络传感器二、网络传感器的27（3）基于IEEE 1451标准的网络传感器IEEE 1451系列标准已有IEEE 1451.0到IEEE 1451.7共八个子标准，分为软件接口、硬件接口两大类。软件接口部分由IEEE 1451.0和IEEE 1451.1组成，定义了通用功能、通信协议及电子数据表格式，以加强IEEE 1451系列标准之间的互操作性；硬件接口部分由IEEE 1451.x(x代表3-7)组成，针对具体应用对象和传感器接口。2.1.4 2.1.4 网络传感器网络传感器（3）基于IEEE 1451标准的网络传感器IEEE 14528机器视觉是利用机器代替人眼进行测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即CMOS或CCD图像摄取装置）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，由图像处理系统获得被摄目标的形态信息，并根据像素分布和亮度、颜色等信息转变成数字化信号；图像系统对图像数字化信号进行各种运算以抽取目标的特征和判断目标状态，进而根据判断的结果对现场设备的动作进行控制。其运用到了现代先进的计算机技术、传感技术和控制技术。典型的机器视觉系统主要由光源、镜头、相机（包括CMOS相机和CCD相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等组成。2.1.5 2.1.5 机器视觉机器视觉 2.1 几种新型传感技术几种新型传感技术机器视觉是利用机器代替人眼进行测量和判断。2.1.5 机29机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，机器视觉系统可以大大提高生产的柔性和自动化程度。因此，机器视觉系统广泛应用于现代自动化生产过程中工况监视、成品检验和质量控制等领域，特别是在大批量生产中产品缺陷的检测方面，机器视觉检测可以大大提高生产效率和生产的自动化程度，解决人工观察检测产品方式效率低且精度不高的问题；机器视觉还可以很好地应用在某些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合。根据检测性质分类，机器视觉工业检测系统分为定量和定性检测两大类。机器视觉检测系统可应用在以下几方面：(1)长度、角度测量；(2)圆弧、半径测量；(3)检测，如物品有无、缺陷、残次品等检测和数量统计；(4)物品及局部部件定位；(5)识别，如颜色识别。下面以焊接机器人利用机器视觉系统实现焊缝跟踪为例介绍机器视觉应用。2.1.5 2.1.5 机器视觉机器视觉机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同30机器视觉导引焊接机器人系统架构图。机器视觉由激光扫描器/摄像机、摄像机控制单元（Camera Control Unit，CCU）、信号处理计算机（Signal Processing Computer，SPC）3个功能部件组成，如图中虚线部分。2.1.5 2.1.5 机器视觉机器视觉机器视觉导引焊接机器人系统架构图。机器视觉由激光扫描器/摄像31激光扫描器/摄像机安装在机器人的操作手上，激光聚焦到伺服控制的反射镜上，形成一个垂直于焊接的扇面激光束，线阵CCD摄像机获取该光束在工件上形成的图像，利用扫描的角度和成像的位置便可以计算出激光点的y-z坐标位置，即得到工件的剖面轮廓图像，并可在监视器上显示。剖面轮廓数据经CCU传送至SPC，将该剖面数据与操作手预先选定的焊接接头板比较，一旦匹配成功即可确定焊接的有关位置数据，并通过串口将有关位置数据送至机器人控制器。2.1.5 2.1.5 机器视觉机器视觉激光扫描器/摄像机安装在机器人的操作手上，激光聚焦到伺服控制32人类具有将自身的各种器官（如眼、耳、鼻和皮肤等）所感受的信息（景物、声音、气味和触觉等）与先验知识进行综合的能力，以便对其周围的环境和正在发生的事件做出评估。现代传感技术中的多传感器数据融合技术能模拟上述人类综合处理复杂问题的能力，该技术形成于20世纪80年代，目前已成为现代传感技术的研究热点。多传感器数据融合系统是利用计算机对多个同类或不同类传感器检测的数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，降低其不确实性，获得对被测对象的一致性解释与描述，形成对应的决策和估计的智能传感器系统。一、多传感器数据融合系统及特点一、多传感器数据融合系统及特点 2.1.6 2.1.6 多传感器数据融合技术多传感器数据融合技术 2.1 几种新型传感技术几种新型传感技术人类具有将自身的各种器官（如眼、耳、鼻和皮肤等）所感受的信息33 与单一传感器检测系统相比，多传感器数据融合系统具有以下优势：(1)扩大了时间和空间的感知范围。(2)提高了系统的精度和分辨能力。(3)增强了系统的自适应能力和健壮性。(4)提高了系统的运行时效。(5)提高了资源利用率。2.1.6 2.1.6 多传感器数据融合技术多传感器数据融合技术 与单一传感器检测系统相比，多传感器数据融合系统具有以下优34多传感器数据融合包含多传感器融合和数据融合。多传感器融合是指多个基本传感器在空间和时间上的复合设计和应用，常称多传感器复合。多传感器融合能在极短时间内获得大量数据，实现多路传感器的资源共享，提高系统的可靠性和健壮性。多传感器融合有四个级别。数据融合也称信息融合，是指利用计算机对获得的多个信息源信息，在一定准则下加以自动分析、综合，以完成所需的决策和评估任务而进行的信息处理技术。数据融合按层次由低到高分为数据层融合、特征层融合和决策层融合三个融合层次。二、多传感器数据融合技术二、多传感器数据融合技术 2.1.6 2.1.6 多传感器数据融合技术多传感器数据融合技术多传感器数据融合包含多传感器融合和数据融合。二、多传感器数据3520世纪80年代，美国国家仪器公司（National Intrument，NI）提出了虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的概念，目前虚拟仪器是仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器是指利用通用计算机硬件平台和相应高性能测试功能的测试硬件，结合高效、灵活的仪器软件，来完成各种测试、测量和自动化的应用。虚拟仪器在计算机屏幕上虚拟仪器面板及按键、旋钮等交互功能，操作者可通过鼠标或键盘来操作虚拟化的仪器。一、虚拟仪器一、虚拟仪器 2.2 网络化虚拟仪器技术网络化虚拟仪器技术 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器20世纪80年代，美国国家仪器公司（National Int36“软件即是仪器”是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机结合，将计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大减少仪器硬件成本和减小仪器体积，并通过软件实现数据显示、存储和处理分析。一、虚拟仪器一、虚拟仪器 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器“软件即是仪器”是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。虚拟37虚拟仪器由计算机、应用软件和测量硬件组成，如下图所示。计算机负责测量信号的分析和处理，是整个虚拟仪器硬件的核心。一、虚拟仪器一、虚拟仪器 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器虚拟仪器由计算机、应用软件和测量硬件组成，如下图所示。计算机38虚拟仪器技术与传统仪器技术的对比一、虚拟仪器一、虚拟仪器比较项目传统仪器虚拟仪器功能厂家定义用户自定义可连接设备厂家定义可与任何标准总线外设连接维护费用高低技术更新周期长（510年）周期短（0.51年）价格较高较低架构固定开放、灵活、可重复配置使用二次开发不可以可以显示厂家定义用户自定义记录厂家定义用户自定义测试过程手动设置编程设置 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器虚拟仪器技术与传统仪器技术的对比一、虚拟仪器比较项目传统仪器39虚拟仪器技术具有如下四大优势：(1)性能高(2)展性强(3)节约时间(4)无缝集成一、虚拟仪器一、虚拟仪器 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器虚拟仪器技术具有如下四大优势：一、虚拟仪器 2.2.1 网40网络化虚拟仪器是指将测试中的计算机、测量硬件、被测试点、软件资源以及测量数据等纳入通信网络进行资源共享，共同完成测试任务，实现远程测量、控制功能。利用传统的网络接口卡（Network Interface Card，NIC）将虚拟仪器接入网络是最简便的虚拟仪器网络化方法。通过指定IP地址和端口，任何一台带有NIC的计算机都能方便地与网络上的其他计算机进行信息交换。在测控领域，除了NIC外，还有GPIB-ENET/100、RS233-NET等转换卡，将不具备联网功能的设备仪器连接到网络上。二、网络化虚拟仪器二、网络化虚拟仪器 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器是指将测试中的计算机、测量硬件、被测试点、软件41二、网络化虚拟仪器二、网络化虚拟仪器 2.2.1 2.2.1 网络化虚拟仪器网络化虚拟仪器二、网络化虚拟仪器 2.2.1 网络化虚拟仪器42LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering，实验室虚拟仪器工作平台）是NI公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具，是目前应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一，主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，适用于Windows、Macintosh和UNIX等多种操作系统平台。LabVIEW集成符合GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件和数据采集卡的全部功能，内置TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，特别适用于虚拟仪器的设计和开发。另外，LabVIEW还提供了TCP/UDP通信技术、DataSocket技术、基于Web的远程发布、Remote Device Access等多种网络通信技术，这为基于LabVIEW的网络化虚拟仪器开发提供了十分便利的条件和基础。2.2.2 LabVIEW2.2.2 LabVIEW虚拟仪器软件虚拟仪器软件 2.2 网络化虚拟仪器技术网络化虚拟仪器技术LabVIEW（Laboratory Virtual Ins43采 用 LabVI EW 编程的应用程序通常被称为虚拟仪器程序（V irtu al Instrum ents，V Is），它主要由前面板（Front Panel）、框图程序（B lock D iagram）以及图标和连结器窗格（Icon and C onnector）三部分组成。(1)前面板前面板是图形用户界面，即虚拟仪器面板。该界面上有交互式的输入和输出，显示控制器（Control）和指示器（Indicator）两类对象。控制器包括开关、旋钮、按钮和其他输入设备；指 示 器 包 括 图 形（Graph和Chart）、LED和其他显示输出对象。右图是简单随机信号发生器VI的前面板，由一个显示对象波形图和一个控制对象“停止”按纽组成。2.2.2 LabVIEW2.2.2 LabVIEW虚拟仪器软件虚拟仪器软件采用LabVIEW编程的应用程序通常被称为虚拟仪器程序（Vi44(2)框图程序框图程序提供VI的图形化源程序。在框图程序中对VI编程，实现控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。框图程序由节点和数据连线组成，节点是VI程序中类似于文本编程语言程序中的语句、函数或者子程序的基本组成元素，节点之间由数据连线按照一定的逻辑关系进行连接，以定义框图程序内的数据流程。2.2.2 LabVIEW2.2.2 LabVIEW虚拟仪器软件虚拟仪器软件(2)框图程序 2.2.2 LabVIEW虚拟仪器软件45