智能傳感技術與系統(tǒng)

前言

　　隨著科學技術的快速發(fā)展，傳感器及測試技術和其他信息技術一樣，在原理、方法、技術和應用等方面都發(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)新性進展。這一進展反過來也促進了科技的進步，大量的新技術廣泛滲透到國民經(jīng)濟各領域中。為了使人才培養(yǎng)適應新形勢的要求，教學內(nèi)容和教材建設在保證理論基礎知識基本穩(wěn)定的同時，必須反映技術的發(fā)展和更新。北京航空航天大學于2003年從原來的自動化學院、宇航學院和陀螺研究室等單位，集中了部分力量，組建了現(xiàn)在的“儀器科學與光電工程學院”。經(jīng)過幾年的發(fā)展，學院在科研、教學等方面取得了顯著的進步，根據(jù)新的學科建設要求，對相應的本科生和研究生的培養(yǎng)計劃作了較大調(diào)整，其中課程體系根據(jù)學校有關校、院、系分級建設核心課程的要求，作出了相應的規(guī)劃?！吨悄軅鞲屑夹g與系統(tǒng)》一書，是為新設課程“智能傳感技術”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了三次，同時作為專業(yè)課已在測控技術與儀器專業(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)有進一步的Intelligent功能，則采用“智慧”來區(qū)分。全書以傳感器技術為主，以相應的系統(tǒng)，包括Smart傳感器、Smart微機電系統(tǒng)、Smart材料、Smart結構四個方面中的傳感器技術為主，系統(tǒng)的其他技術為輔，對其相應的原理、相關的技術、特性、設計的原則和方法（包括算法）以及應用進行了論述，希望能夠為讀者學習上述內(nèi)容提供較為全面的基礎知識，對進一步的學習和應用有所幫助。應當說，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。對于測控技術與儀器專業(yè)，它是與“傳感器原理”并行開設的一門專業(yè)課程。前言智能傳感技術與系統(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系。對書中所涉及的Smart傳感器、Smart微機電系統(tǒng)、Smart材料、Smart結構等作了概括和簡要的介紹，使學生對課程內(nèi)容有基本的了解。第2章現(xiàn)代傳感技術智能化的實現(xiàn)方法和技術。講述智能傳感器中可能實現(xiàn)的功能和技術，包括：非線性自校正、自校準、自補償、增益的自適應控制、傳感器系統(tǒng)的自檢、自診斷、噪聲抑制與弱信號檢測、多傳感器信息融合、模糊技術及其應用和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術及其應用等，是學習后續(xù)章節(jié)的原理依據(jù)和基礎。第3章智能傳感器及其技術。對智能傳感器的基本定義和構成、依據(jù)的IEEE 1451系列標準、傳感器網(wǎng)絡以及相關的藍牙技術、ZigBee技術進行了論述。第4章智能微機電系統(tǒng)、微傳感器與軟件傳感器。對微機電系統(tǒng)、智能微機電系統(tǒng)、準數(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章機敏材料與靈巧結構。對結構健康監(jiān)測系統(tǒng)、Smart材料、Smart結構、振動與噪聲控制技術、傳感器故障檢測、測試有效性確認及SEVA傳感器等新技術進行了較為系統(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，并負責統(tǒng)編定稿。本書作為理工科的教材，在重視基礎性和理論性的同時，也注意了技術和知識的新穎性、先進性。為了幫助學生提高理論聯(lián)系實際的能力和適應高新技術發(fā)展的需要，我們在堅持重視數(shù)學原理以及基礎理論的系統(tǒng)性和邏輯性的同時，力求概念的物理意義清晰，工程技術特色鮮明，也力求保持編者遵循的取材新穎合理、內(nèi)容深入淺出、重點安排得當以及便于自學的原則和一貫風格。對于本科專業(yè)來說，總學時（包括實驗）大約需要48學時。在教材編寫過程中，考慮到在面向信息類專業(yè)學生的需要的同時，也要兼顧全校其他專業(yè)學生的學習要求，在教材中力求體現(xiàn)這個特點，但仍需要任課教師根據(jù)學生所修專業(yè)和學時的具體情況，進行必要的選擇和調(diào)整。書中涉及的某些比較深入的原理和專業(yè)知識，作為本科階段可不作要求。本書也可作為研究生的教學用書或者作為相關課程的教學參考書。需要說明的一點是，本教材內(nèi)容大多是作者多年來教學、科研的實踐和體會，有些是作者近些年來多個科研項目研究成果的最新總結，但部分內(nèi)容和某些觀點，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果， 凡是能查到出處的，均在書后的參考文獻中列出；而有一部分文獻，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，無法在參考文獻中一一列出，請見諒。如果原作者愿意提供相關信息，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儀器科學與光電工程學院徐立軍教授審閱，并提出了許多寶貴的意見和建議；根據(jù)他的意見和建議，編者作了認真的修改。在此，謹向徐立軍教授表示衷心的感謝。由于編者水平有限，若書中有錯誤和不足，懇請讀者指正。

內(nèi)容概要

本書以智能傳感技術與系統(tǒng)為背景，以相應的系統(tǒng)，包括Smart傳感器、Smart微機電系統(tǒng)、Smart材料、Smart結構四個方面中的傳感技術為主，系統(tǒng)的其他技術為輔，對其相應的原理、相關的技術、特性、設計的原則和方法（包括算法）以及應用進行了論述，反映了傳感和測試技術的最新發(fā)展。　　全書共分5章，包括：智能、Smart、Intelligent傳感器基本概念和相互關系；現(xiàn)代傳感技術智能化的實現(xiàn)方法和技術；智能傳感器及其技術；智能微機電系統(tǒng)、微傳感器與軟件傳感器；機敏材料與靈巧結構等內(nèi)容。　　　　本書可作為測控技術與儀器、自動化、光學工程、探測制導與控制、電氣工程、機械工程、機電一體化、飛行器設計與控制、材料科學與工程等大學本科專業(yè)的教科書，也可作為相關學科的工學碩士或工程碩士的教材，同時也可供從事智能傳感技術與系統(tǒng)及其相關領域研究、研制工作的工程技術人員參考。

書籍目錄

第1章  概論  1.1  先進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  靈巧結構與機敏材料  思考與練習題第2章  現(xiàn)代傳感技術智能化的實現(xiàn)方法和技術  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    2.2.1  實現(xiàn)自校準功能的方法一    2.2.2  實現(xiàn)自校準功能的方法二    2.2.3  實現(xiàn)自校準功能的方法三  2.3  自補償    2.3.1  溫度補償    2.3.2  頻率補償  2.4  增益的自適應控制  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  噪聲抑制與弱信號檢測    2.7.1  噪聲抑制技術    2.7.2  弱信號檢測技術  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)融合結構    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)融合實例  2.9  模糊技術及其應用    2.9.1  模糊數(shù)學基礎    2.9.2  模糊規(guī)則與模糊推理    2.9.3  多級映射原理    2.9.4  模糊傳感器    2.9.5  模糊傳感器應用實例  2.10  人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術及其應用    2.10.1  神經(jīng)網(wǎng)絡的基本知識    2.10.2  神經(jīng)網(wǎng)絡在智能傳感器中的應用  思考與練習題第3章  智能傳感器及其技術  3.1  智能傳感器基本原理和技術  3.2  無線傳感器網(wǎng)絡概述    3.2.1  無線傳感器網(wǎng)絡簡介    3.2.2  無線傳感器網(wǎng)絡的特點    3.2.3  無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)及協(xié)議體系結構    3.2.4  無線傳感器網(wǎng)絡研究發(fā)展現(xiàn)狀  3.3  IEEE  1451標準    3.3.1  IEEE  1451.1標準    3.3.2  IEEE  1451.2標準    3.3.3  IEEE  1451.3標準    3.3.4  IEEE  1451.4標準    3.3.5  IEEE  1451.5提案標準    3.3.6  IEEE  1451的發(fā)展趨勢  3.4  基于藍牙技術的無線傳感器網(wǎng)絡    3.4.1  藍牙協(xié)議棧簡介    3.4.2  藍牙協(xié)議棧分析    3.4.3  藍牙技術的發(fā)展趨勢    3.4.4  藍牙技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用  3.5  采用ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡    3.5.1  網(wǎng)絡層    3.5.2  應用層    3.5.3  ZigBee發(fā)展趨勢    3.5.4  ZigBee技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用  3.6  無線傳感器網(wǎng)絡應用    3.6.1  工業(yè)監(jiān)控應用方案    3.6.2  農(nóng)業(yè)及生物環(huán)境保護應用方案    3.6.3  建筑與土木工程應用方案    3.6.4  安全/公安/軍事應用方案    3.6.5  各方案設計中所存在的共同問題及其解決  思考與練習題第4章  智能微機電系統(tǒng)、微傳感器與軟件傳感器  4.1  微機電系統(tǒng)MEMS    4.1.1  微機電系統(tǒng)概述    4.1.2  微機電系統(tǒng)設計基礎  4.2  Smart  MEMS    4.2.1  Smart  MEMS概述    4.2.2  Smart慣導系統(tǒng)中的微陀螺和微加速度計  4.3  準數(shù)字傳感器    4.3.1  模擬傳感器經(jīng)非A/D方式間接轉換為頻率輸出    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)技術的應用  4.4  軟件傳感器  思考與練習題第5章  機敏材料與靈巧結構  5.1  結構健康監(jiān)測與智能系統(tǒng)    5.1.1  概述    5.1.2  結構健康監(jiān)測與智能系統(tǒng)應用  5.2  機敏材料    5.2.1  機敏材料概述    5.2.2  基本Smart材料    5.2.3  復合Smart材料  5.3  靈巧結構    5.3.1  Smart結構概述    5.3.2  嵌入光纖傳感器的典型Smart結構    5.3.3  智慧結構  5.4  振動與噪聲控制技術    5.4.1  振動和噪聲控制的基本概念    5.4.2  振動和噪聲的主動控制技術  5.5  傳感器故障檢測、測試有效性確認及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  粒子濾波器確認傳感器的測試有效性  思考與練習題參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　概論　　1.1　先進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，并把被測量轉換為電量的完整的測試裝置，是當代信息技術的源頭，使用傳感器是獲取信息最基本的必不可少的技術手段。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行變換，即所謂的“一次變換”。

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