智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)

前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器及測試技術(shù)和其他信息技術(shù)一樣，在原理、方法、技術(shù)和應(yīng)用等方面都發(fā)生了深刻的變化，特別是傳感器在智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化以及集成化等方面，取得了令人矚目的創(chuàng)新性進(jìn)展。這一進(jìn)展反過來也促進(jìn)了科技的進(jìn)步，大量的新技術(shù)廣泛滲透到國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中。為了使人才培養(yǎng)適應(yīng)新形勢的要求，教學(xué)內(nèi)容和教材建設(shè)在保證理論基礎(chǔ)知識(shí)基本穩(wěn)定的同時(shí)，必須反映技術(shù)的發(fā)展和更新。北京航空航天大學(xué)于2003年從原來的自動(dòng)化學(xué)院、宇航學(xué)院和陀螺研究室等單位，集中了部分力量，組建了現(xiàn)在的“儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院”。經(jīng)過幾年的發(fā)展，學(xué)院在科研、教學(xué)等方面取得了顯著的進(jìn)步，根據(jù)新的學(xué)科建設(shè)要求，對相應(yīng)的本科生和研究生的培養(yǎng)計(jì)劃作了較大調(diào)整，其中課程體系根據(jù)學(xué)校有關(guān)校、院、系分級(jí)建設(shè)核心課程的要求，作出了相應(yīng)的規(guī)劃。《智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)》一書，是為新設(shè)課程“智能傳感技術(shù)”編寫的教材，其中大部分內(nèi)容已經(jīng)作為校選修課，面向全校本科生開設(shè)了三次，同時(shí)作為專業(yè)課已在測控技術(shù)與儀器專業(yè)的本科生中開始講授。本書的基本內(nèi)容圍繞傳感技術(shù)及其系統(tǒng)的“智能”展開。對于“智能”一詞，人們（主要在國內(nèi)）一直有不同的理解，其異議主要集中于“智能”的含義是指Intelligent還是Smart。（英國Coventry University的教授Elena Gaura和Robert M. Newman提出Cogent Sensor的概念，主要是針對微傳感器提出來的，這里不作討論）。在本書中，也未對兩者作出嚴(yán)格的區(qū)分，但基本上傾向于直接采用Smart來定義書中所涉及的相應(yīng)傳感器和系統(tǒng)，中文仍然沿用“智能”來表述；但如果傳感器和系統(tǒng)有進(jìn)一步的Intelligent功能，則采用“智慧”來區(qū)分。全書以傳感器技術(shù)為主，以相應(yīng)的系統(tǒng)，包括Smart傳感器、Smart微機(jī)電系統(tǒng)、Smart材料、Smart結(jié)構(gòu)四個(gè)方面中的傳感器技術(shù)為主，系統(tǒng)的其他技術(shù)為輔，對其相應(yīng)的原理、相關(guān)的技術(shù)、特性、設(shè)計(jì)的原則和方法（包括算法）以及應(yīng)用進(jìn)行了論述，希望能夠?yàn)樽x者學(xué)習(xí)上述內(nèi)容提供較為全面的基礎(chǔ)知識(shí)，對進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和應(yīng)用有所幫助。應(yīng)當(dāng)說，這是一本與通常意義上的“傳感器原理”既有聯(lián)系，但涉及內(nèi)容又有所不同的教材，其技術(shù)的綜合度和信息含量與傳統(tǒng)傳感器相比，已不可同日而語。對于測控技術(shù)與儀器專業(yè)，它是與“傳感器原理”并行開設(shè)的一門專業(yè)課程。前言智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)全書共分5章，內(nèi)容安排如下：第1章概論。講述智能、Smart、Intelligent傳感器基本概念和相互關(guān)系。對書中所涉及的Smart傳感器、Smart微機(jī)電系統(tǒng)、Smart材料、Smart結(jié)構(gòu)等作了概括和簡要的介紹，使學(xué)生對課程內(nèi)容有基本的了解。第2章現(xiàn)代傳感技術(shù)智能化的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)。講述智能傳感器中可能實(shí)現(xiàn)的功能和技術(shù)，包括：非線性自校正、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償、增益的自適應(yīng)控制、傳感器系統(tǒng)的自檢、自診斷、噪聲抑制與弱信號(hào)檢測、多傳感器信息融合、模糊技術(shù)及其應(yīng)用和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用等，是學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)的原理依據(jù)和基礎(chǔ)。第3章智能傳感器及其技術(shù)。對智能傳感器的基本定義和構(gòu)成、依據(jù)的IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)的藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)進(jìn)行了論述。第4章智能微機(jī)電系統(tǒng)、微傳感器與軟件傳感器。對微機(jī)電系統(tǒng)、智能微機(jī)電系統(tǒng)、準(zhǔn)數(shù)字傳感器、諧振式微傳感器開閉環(huán)系統(tǒng)以及軟傳感器等作了深入分析和探討。第5章機(jī)敏材料與靈巧結(jié)構(gòu)。對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)、Smart材料、Smart結(jié)構(gòu)、振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)、傳感器故障檢測、測試有效性確認(rèn)及SEVA傳感器等新技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的介紹，有明顯的航空航天特色。本書第2、3兩章由錢政副教授編寫，其余各章由周浩敏教授編寫，并負(fù)責(zé)統(tǒng)編定稿。本書作為理工科的教材，在重視基礎(chǔ)性和理論性的同時(shí)，也注意了技術(shù)和知識(shí)的新穎性、先進(jìn)性。為了幫助學(xué)生提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力和適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，我們在堅(jiān)持重視數(shù)學(xué)原理以及基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)性和邏輯性的同時(shí)，力求概念的物理意義清晰，工程技術(shù)特色鮮明，也力求保持編者遵循的取材新穎合理、內(nèi)容深入淺出、重點(diǎn)安排得當(dāng)以及便于自學(xué)的原則和一貫風(fēng)格。對于本科專業(yè)來說，總學(xué)時(shí)（包括實(shí)驗(yàn)）大約需要48學(xué)時(shí)。在教材編寫過程中，考慮到在面向信息類專業(yè)學(xué)生的需要的同時(shí)，也要兼顧全校其他專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，在教材中力求體現(xiàn)這個(gè)特點(diǎn)，但仍需要任課教師根據(jù)學(xué)生所修專業(yè)和學(xué)時(shí)的具體情況，進(jìn)行必要的選擇和調(diào)整。書中涉及的某些比較深入的原理和專業(yè)知識(shí)，作為本科階段可不作要求。本書也可作為研究生的教學(xué)用書或者作為相關(guān)課程的教學(xué)參考書。需要說明的一點(diǎn)是，本教材內(nèi)容大多是作者多年來教學(xué)、科研的實(shí)踐和體會(huì)，有些是作者近些年來多個(gè)科研項(xiàng)目研究成果的最新總結(jié)，但部分內(nèi)容和某些觀點(diǎn)，參考并引用了近期國內(nèi)外期刊和專著上公開發(fā)表的論文及其研究結(jié)果， 凡是能查到出處的，均在書后的參考文獻(xiàn)中列出；而有一部分文獻(xiàn)，是直接通過Google和百度搜索引擎獲得的，難以找到原始的出處或者可引用出處的條目不全，無法在參考文獻(xiàn)中一一列出，請見諒。如果原作者愿意提供相關(guān)信息，請與本書的作者或出版社聯(lián)系。本書承蒙北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院徐立軍教授審閱，并提出了許多寶貴的意見和建議；根據(jù)他的意見和建議，編者作了認(rèn)真的修改。在此，謹(jǐn)向徐立軍教授表示衷心的感謝。由于編者水平有限，若書中有錯(cuò)誤和不足，懇請讀者指正。

內(nèi)容概要

本書以智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)為背景，以相應(yīng)的系統(tǒng)，包括Smart傳感器、Smart微機(jī)電系統(tǒng)、Smart材料、Smart結(jié)構(gòu)四個(gè)方面中的傳感技術(shù)為主，系統(tǒng)的其他技術(shù)為輔，對其相應(yīng)的原理、相關(guān)的技術(shù)、特性、設(shè)計(jì)的原則和方法（包括算法）以及應(yīng)用進(jìn)行了論述，反映了傳感和測試技術(shù)的最新發(fā)展?！　∪珪卜?章，包括：智能、Smart、Intelligent傳感器基本概念和相互關(guān)系；現(xiàn)代傳感技術(shù)智能化的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)；智能傳感器及其技術(shù)；智能微機(jī)電系統(tǒng)、微傳感器與軟件傳感器；機(jī)敏材料與靈巧結(jié)構(gòu)等內(nèi)容?！　　　”緯勺鳛闇y控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化、光學(xué)工程、探測制導(dǎo)與控制、電氣工程、機(jī)械工程、機(jī)電一體化、飛行器設(shè)計(jì)與控制、材料科學(xué)與工程等大學(xué)本科專業(yè)的教科書，也可作為相關(guān)學(xué)科的工學(xué)碩士或工程碩士的教材，同時(shí)也可供從事智能傳感技術(shù)與系統(tǒng)及其相關(guān)領(lǐng)域研究、研制工作的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章  概論  1.1  先進(jìn)傳感器和智能傳感器  1.2  智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器  1.3  靈巧結(jié)構(gòu)與機(jī)敏材料  思考與練習(xí)題第2章  現(xiàn)代傳感技術(shù)智能化的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)  2.1  非線性自校正    2.1.1  查表法    2.1.2  曲線擬合法  2.2  自校準(zhǔn)    2.2.1  實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能的方法一    2.2.2  實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能的方法二    2.2.3  實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)功能的方法三  2.3  自補(bǔ)償    2.3.1  溫度補(bǔ)償    2.3.2  頻率補(bǔ)償  2.4  增益的自適應(yīng)控制  2.5  傳感器系統(tǒng)的自檢    2.5.1  ROM自檢    2.5.2  特殊功能寄存器自檢    2.5.3  RAM自檢    2.5.4  總線自檢    2.5.5  A/D和D/A自檢    2.5.6  I/O接口電路自檢    2.5.7  插件自檢    2.5.8  顯示面板自檢  2.6  自診斷    2.6.1  硬件冗余方法    2.6.2  解析冗余方法  2.7  噪聲抑制與弱信號(hào)檢測    2.7.1  噪聲抑制技術(shù)    2.7.2  弱信號(hào)檢測技術(shù)  2.8  多傳感器信息融合    2.8.1  多傳感器數(shù)據(jù)融合框架    2.8.2  多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)    2.8.3  多傳感器數(shù)據(jù)融合算法    2.8.4  多傳感器數(shù)據(jù)融合實(shí)例  2.9  模糊技術(shù)及其應(yīng)用    2.9.1  模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)    2.9.2  模糊規(guī)則與模糊推理    2.9.3  多級(jí)映射原理    2.9.4  模糊傳感器    2.9.5  模糊傳感器應(yīng)用實(shí)例  2.10  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用    2.10.1  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)    2.10.2  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在智能傳感器中的應(yīng)用  思考與練習(xí)題第3章  智能傳感器及其技術(shù)  3.1  智能傳感器基本原理和技術(shù)  3.2  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述    3.2.1  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介    3.2.2  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)    3.2.3  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)    3.2.4  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)展現(xiàn)狀  3.3  IEEE  1451標(biāo)準(zhǔn)    3.3.1  IEEE  1451.1標(biāo)準(zhǔn)    3.3.2  IEEE  1451.2標(biāo)準(zhǔn)    3.3.3  IEEE  1451.3標(biāo)準(zhǔn)    3.3.4  IEEE  1451.4標(biāo)準(zhǔn)    3.3.5  IEEE  1451.5提案標(biāo)準(zhǔn)    3.3.6  IEEE  1451的發(fā)展趨勢  3.4  基于藍(lán)牙技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)    3.4.1  藍(lán)牙協(xié)議棧簡介    3.4.2  藍(lán)牙協(xié)議棧分析    3.4.3  藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展趨勢    3.4.4  藍(lán)牙技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用  3.5  采用ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)    3.5.1  網(wǎng)絡(luò)層    3.5.2  應(yīng)用層    3.5.3  ZigBee發(fā)展趨勢    3.5.4  ZigBee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用  3.6  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用    3.6.1  工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用方案    3.6.2  農(nóng)業(yè)及生物環(huán)境保護(hù)應(yīng)用方案    3.6.3  建筑與土木工程應(yīng)用方案    3.6.4  安全/公安/軍事應(yīng)用方案    3.6.5  各方案設(shè)計(jì)中所存在的共同問題及其解決  思考與練習(xí)題第4章  智能微機(jī)電系統(tǒng)、微傳感器與軟件傳感器  4.1  微機(jī)電系統(tǒng)MEMS    4.1.1  微機(jī)電系統(tǒng)概述    4.1.2  微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)  4.2  Smart  MEMS    4.2.1  Smart  MEMS概述    4.2.2  Smart慣導(dǎo)系統(tǒng)中的微陀螺和微加速度計(jì)  4.3  準(zhǔn)數(shù)字傳感器    4.3.1  模擬傳感器經(jīng)非A/D方式間接轉(zhuǎn)換為頻率輸出    4.3.2  硅諧振式微傳感器及其頻率特性的檢測    4.3.3  硅諧振壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)中鎖相環(huán)技術(shù)的應(yīng)用  4.4  軟件傳感器  思考與練習(xí)題第5章  機(jī)敏材料與靈巧結(jié)構(gòu)  5.1  結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與智能系統(tǒng)    5.1.1  概述    5.1.2  結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與智能系統(tǒng)應(yīng)用  5.2  機(jī)敏材料    5.2.1  機(jī)敏材料概述    5.2.2  基本Smart材料    5.2.3  復(fù)合Smart材料  5.3  靈巧結(jié)構(gòu)    5.3.1  Smart結(jié)構(gòu)概述    5.3.2  嵌入光纖傳感器的典型Smart結(jié)構(gòu)    5.3.3  智慧結(jié)構(gòu)  5.4  振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)    5.4.1  振動(dòng)和噪聲控制的基本概念    5.4.2  振動(dòng)和噪聲的主動(dòng)控制技術(shù)  5.5  傳感器故障檢測、測試有效性確認(rèn)及SEVA傳感器    5.5.1  傳感器故障和測試有效性基本概念    5.5.2  SEVA傳感器    5.5.3  粒子濾波器確認(rèn)傳感器的測試有效性  思考與練習(xí)題參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　1.1　先進(jìn)傳感器和智能傳感器　　傳感器是由敏感元件直接感受被測量，并把被測量轉(zhuǎn)換為電量的完整的測試裝置，是當(dāng)代信息技術(shù)的源頭，使用傳感器是獲取信息最基本的必不可少的技術(shù)手段。在測控系統(tǒng)中，傳感器位于系統(tǒng)的前端，對測控對象的原始信息進(jìn)行變換，即所謂的“一次變換”。

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