7章石英晶體微天平

1、石英晶體微天平用石英晶體制作的諧振器，對(duì)置于其表面的質(zhì)量有敏感性。利用石英諧振器對(duì)其表面質(zhì)量的敏感性，可以檢測(cè)到表面質(zhì)量所發(fā)生的納克量級(jí)的微量變化。因此，石英晶體諧振器是一種具有極高靈敏度的質(zhì)量傳感器，人們形象地把其稱為石英晶體微天平（QCM）。由于化學(xué)變化是一種物質(zhì)交換的過(guò)程，所以化學(xué)變化總會(huì)表現(xiàn)出質(zhì)量的變化，因此利用石英晶體微天平可以研究物質(zhì)的化學(xué)變化，成為一種化學(xué)量微傳感器。石英晶體諧振器我們前面已經(jīng)討論過(guò)石英晶體的一些性質(zhì)，如石英晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。利用石英晶體的壓電效應(yīng)可以制作壓電式傳感器；利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)，可以制作諧振式傳感器中的激勵(lì)元件等。下面我們繼續(xù)討論一下石英

2、晶體的另外一些性質(zhì)。石英晶體的切型石英晶片對(duì)晶體坐標(biāo)軸某種方位的切割稱為石英晶片的切型。由于石英晶體的各向異性，不同切型的石英晶片，其物理特性也各不相同。石英晶體的切型符號(hào)有兩種表示方法：一種是IRE標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示法，另一種是石英晶體特有的習(xí)慣表示法。在IRE標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示法中，切型符號(hào)用一組字母（XYZLWt）和角度表示，XYZ三個(gè)字母的先后排列表示晶片的厚度、長(zhǎng)度沿坐標(biāo)軸的原始方位，用t(厚度)、L（長(zhǎng)度）、W（寬度）表示旋轉(zhuǎn)的方位，角度的正號(hào)表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)號(hào)表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。(a)晶片的原始厚度、長(zhǎng)度方位 （b）沿長(zhǎng)度方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)350得到晶片切型圖2-25（YXL）350切型例如，（Y

3、XL）350表示：切割晶片的原始厚度沿Y方向，原始長(zhǎng)度沿X方向，然后沿長(zhǎng)度方向旋轉(zhuǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)350，即得到晶片的切割方位。（XYtL）50/-500表示：切割晶片的原始厚度沿X方向，原始長(zhǎng)度沿Y方向，然后厚度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)50，長(zhǎng)度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)500，即是石英晶片的切割方位。在石英晶體的習(xí)慣表示法中，一般用兩個(gè)大寫英文字母表示切型。把（YXI）350切型用符號(hào)AT表示，（XYtI）50/-500切型用NT表示等。石英晶片的振動(dòng)模式石英晶片在電場(chǎng)的作用下，由于內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而變形，從而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。晶片的振動(dòng)都是單純的周期振動(dòng)，振動(dòng)模式有伸縮振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、面切變振動(dòng)及厚度切變振動(dòng)等。按照不同的使用要求

4、，石英諧振器的振動(dòng)頻率從幾千赫茲到幾百兆赫茲，一般采用不同的振動(dòng)模式和不同的晶片尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振器所要求的頻率。表2-3是石英晶片的不同切型所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模式和頻率范圍。表2-3 石英晶片的切形和振動(dòng)模式 能陷效應(yīng)圖2-26 石英諧振器振動(dòng)能量分布示意圖前面討論了石英晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，現(xiàn)在我們?cè)俸?jiǎn)單介紹一下石英晶片的能陷效應(yīng)。石英晶片的能陷效應(yīng)保證了石英諧振器的穩(wěn)定的諧振模式，不需要的振動(dòng)模式得到抑制。圖2-26是能陷效應(yīng)的振動(dòng)能量分布示意圖，由圖可以看出，在電極區(qū)的中心振動(dòng)能量最大，然后能量迅速衰減，電極區(qū)外的能量很快衰減為零。其原因我們可以這樣來(lái)理解：石英晶片的諧振頻率不但取決于諧振

5、模態(tài)，而且也決定于石英晶片的尺寸。根據(jù)石英晶片的這個(gè)性質(zhì)，在制作石英諧振器時(shí)，電極區(qū)的石英晶片的厚度與非電極區(qū)的厚度做的不一樣。這樣電極區(qū)的諧振頻率和非電極區(qū)的諧振頻率就不會(huì)一樣，當(dāng)電極區(qū)的石英晶片依諧振頻率振動(dòng)時(shí)，在非電極區(qū)就不會(huì)引起諧振現(xiàn)象。另外我們知道，石英晶片的振動(dòng)是由外電源激勵(lì)引起的。顯然，沒有外電源激勵(lì)的非電極區(qū)，在理想狀態(tài)下其振動(dòng)能量應(yīng)為零。所以由電極激勵(lì)起的振動(dòng)，一旦傳播出電極區(qū)，其能量便會(huì)迅速衰減，使得振動(dòng)能量幾乎全部集中在電極區(qū)。由于振動(dòng)能量一傳播出電極區(qū)便會(huì)迅速衰減為零，所以人們把這種現(xiàn)象稱為能陷效應(yīng)，能陷是能量快速衰減的一種形象說(shuō)法。圖2-27是石英諧振器能陷效應(yīng)示意圖

6、圖2-27石英諧振器能陷效應(yīng)示意圖石英晶體諧振器圖2-28各種切型石英諧振器的溫度特性石英諧振器的振動(dòng)模式和切型在石英晶體中選取一定的切割方向?qū)⑹⒕w切成薄片，并在石英晶體的兩個(gè)面上制作上電極，就構(gòu)成一種典型的石英晶體諧振器。諧振器的振動(dòng)設(shè)計(jì)為沿厚度方向切變的模式，因此也稱為厚度切變石英諧振器。由表2-3我們也可以看出，諧振器的石英晶片屬于AT切型。在化學(xué)量微傳感器中，一般采用這種切型。因?yàn)檫@種切型制作簡(jiǎn)單、成本低、溫度穩(wěn)定性好。石英諧振器能產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振頻率石英諧振器在外電場(chǎng)的激勵(lì)下，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振頻率，主要是依靠壓電效應(yīng)和能陷效應(yīng)。通過(guò)壓電效應(yīng)，諧振器將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，形成振動(dòng)。能

7、陷效應(yīng)則保證了諧振器的振動(dòng)模式，其它振動(dòng)模式得到了抑制。由于能陷效應(yīng)的存在，使得諧振器的諧振狀態(tài)不會(huì)受到電極區(qū)以外因素的影響，大大方便了石英諧振器在實(shí)際中的應(yīng)用。我們知道，石英鐘表非常準(zhǔn)確，其原因就是這種準(zhǔn)確性是石英諧振器的提供的，因?yàn)槭⒅C振器的振動(dòng)頻率非常穩(wěn)定。諧振頻率與溫度的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，石英諧振器的振動(dòng)頻率與溫度有關(guān)，圖2-28是各種切型的石英諧振器的頻率-溫度曲線，圖中為諧振頻率，是諧振頻率的變化。由圖可以看出，各種切型的溫度曲線是不同的，AT切型的石英諧振器在一個(gè)比較寬的溫度范圍內(nèi)，其振動(dòng)頻率比較穩(wěn)定，因此AT切型石英諧振器的溫度穩(wěn)定性好。石英諧振器的等效電路圖2-29石英晶體諧振

8、器的等效電路石英晶體諧振器相當(dāng)于一個(gè)二級(jí)系統(tǒng)，圖2-29是其等效電路。電感L取決于晶體的質(zhì)量，C1取決于晶體的彈性系數(shù)，R取決于晶體振動(dòng)時(shí)的阻尼，C0是諧振器兩電極之間的靜態(tài)電容。由于靜態(tài)電容的存在，石英諧振器存在兩個(gè)諧振狀態(tài)：串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振（或稱為反諧振）。根據(jù)所采用的諧振電路形式，諧振器可以工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，但不會(huì)同時(shí)工作在兩種諧振狀態(tài)。需要諧振器工作在哪種諧振狀態(tài)，要在諧振器電路設(shè)計(jì)時(shí)具體定義。石英諧振器對(duì)表面負(fù)載的敏感特性1959年，科學(xué)家索爾伯利經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了厚度切變（AT切型或BT切型）石英諧振器的諧振頻率變化量與表面質(zhì)量變化之間的關(guān)系： （2-12

9、）這一關(guān)系式很快被用到石英晶體諧振器的質(zhì)量敏感特性分析上。式中，是石英晶體諧振器的基頻；是石英晶體密度；是諧振器的質(zhì)量改變量；是切變模量；為石英晶體的反應(yīng)面積。對(duì)于AT切型諧振器，式（2-12）可變?yōu)椋?(2-13)式中，頻率的單位為Hz,質(zhì)量的單位為g，面積的單位為。例如，對(duì)于基頻為9MHz的石英諧振器，若電極直徑為6mm，則1的質(zhì)量變化將引起諧振器的頻率變化為： 如果頻率測(cè)量精度達(dá)到1Hz,則可通過(guò)測(cè)量頻率檢測(cè)到10-9g級(jí)的質(zhì)量變化。目前，對(duì)表面質(zhì)量變化的分辨率可達(dá)到10-12g量級(jí)。石英晶體微天平在化學(xué)量檢測(cè)方面的應(yīng)用氣態(tài)物質(zhì)檢測(cè)石英晶體微天平用于氣態(tài)物質(zhì)檢測(cè)的原理是：在諧振器表面制備

10、一層對(duì)某種氣體分子有選擇性吸附性能的敏感膜，當(dāng)諧振器與被測(cè)氣體接觸時(shí)，由于敏感膜的特異性吸附，被測(cè)的氣體分子被吸附到諧振器的表面，導(dǎo)致諧振器產(chǎn)生表面質(zhì)量改變，利用式（2-12）或（2-13），通過(guò)檢測(cè)頻率的方式得到氣體分子在諧振器表面的吸附量。由于該吸附量與氣體的濃度有關(guān)，因此通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理，可得到待測(cè)氣體的濃度。通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)檢測(cè)原理知道，用諧振器檢測(cè)氣體，要把握好兩個(gè)環(huán)節(jié)：一是敏感膜對(duì)待測(cè)氣體的吸附，必須有較高的選擇性，否則測(cè)量誤差就會(huì)增大。二是膜的制備質(zhì)量要高。因?yàn)槊舾心さ暮穸群途鶆蛐远紩?huì)影響氣體物質(zhì)在膜中的擴(kuò)散和在膜表面的吸附，從而影響傳感器的響應(yīng)速度和靈敏度。液態(tài)物質(zhì)檢測(cè)由于石英諧振

11、器的振動(dòng)幅度很弱，因此與液體接觸時(shí)能量會(huì)很快衰減。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)諧振器僅有一面與液體接觸時(shí)，仍可很好地維持振動(dòng)，從此開始了利用石英諧振器檢測(cè)液態(tài)物質(zhì)的研究。1985年，從理論上揭示了諧振器振動(dòng)頻率變化量與液體性質(zhì)之間的關(guān)系： （2-14）式中，為被測(cè)液體的密度和黏度，為頻率改變量。將石英諧振器用于液態(tài)物質(zhì)檢測(cè)時(shí)，必須保證石英諧振器僅有單面電極與液體接觸，因此需要制備一個(gè)溶液池，如圖2-30所示。石英諧振器元件通過(guò)機(jī)械裝卡的方式，成為溶液池壁的一部分。圖2-30用于液相檢測(cè)的石英諧振器到目前為止，基于石英諧振器的化學(xué)量傳感器，其測(cè)量原理是基于式（2-12）、（2-13）、（2-14）。由于這種

12、傳感器的檢測(cè)原理及電路結(jié)構(gòu)均比較簡(jiǎn)單，因此在化學(xué)量和生物化學(xué)量檢測(cè)中，已成為一種常見的檢測(cè)手段。3.離子選擇電極離子選擇電極組成、結(jié)構(gòu)及工作原理引出導(dǎo)線電極帽塑料內(nèi)管電極殼內(nèi)參比電極內(nèi)充液敏感膜圖2-31離子選擇電極的結(jié)構(gòu)和原理示意圖圖2-31是離子選擇電極的結(jié)構(gòu)和原理示意圖，由圖可以看出，離子選擇電極主要由敏感膜、內(nèi)充液和內(nèi)參比電極組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。離子選擇電極的檢測(cè)對(duì)象是水溶液中的各種離子。離子選擇電極的敏感膜對(duì)目標(biāo)離子有選擇性識(shí)別功能，被測(cè)離子與敏感膜在水溶液與敏感膜的界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)交換，進(jìn)行信息傳遞。敏感膜把被測(cè)離子的濃度變化轉(zhuǎn)化成膜電位的變化，膜電位的變化

13、和被測(cè)離子濃度的變化符合能斯特公式，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)離子的檢測(cè)。離子選擇電極的測(cè)量方法參比電極離子選擇電極測(cè)量?jī)x器敏感膜溶液圖2-32離子選擇電極的測(cè)量方法示意圖離子選擇電極的測(cè)量方法是直接電位法，圖2-32是其示意圖。離子選擇電極作為工作電極，參比電極一般是飽和甘汞電極，測(cè)量?jī)x表是離子計(jì)或pH計(jì)。離子選擇電極的研究已有一個(gè)世紀(jì)，離子計(jì)最初就是為解決離子選擇電極的測(cè)量問(wèn)題而研究的一種測(cè)量?jī)x器，pH計(jì)實(shí)際上也是一種離子計(jì)。由于氫離子電極研究的比較早，所以最早的離子計(jì)就是pH計(jì)。離子選擇電極敏感元件的種類由于敏感膜是離子選擇電極的關(guān)鍵元件，所以也是離子選擇電極研究的熱點(diǎn)。離子選擇電極的敏感膜經(jīng)歷了

14、固體膜液體膜酶膜的發(fā)展。固體膜是由晶體或非晶體的電活性材料制作成的，如氟離子選擇電極的敏感膜是由氟化鑭單晶材料制作成的，pH玻璃電極的敏感膜是由離子交換型的玻璃制作成的。所謂電活性材料，是指這種材料具有電的性質(zhì)，如可以傳遞電荷，電位或電流隨被測(cè)離子濃度變化等。液體膜，就是其敏感膜是由溶有某種液體離子交換劑的有機(jī)溶劑薄膜構(gòu)成的；這類敏感膜在NO3-、Ca2+、K+離子檢測(cè)方面應(yīng)用較多。離子交換劑是指能與被測(cè)離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)的一類物質(zhì)。酶膜就是將生物酶覆蓋在離子選擇電極的敏感膜上；因?yàn)槊甘且环N具有特殊生物活性的催化劑，它可使被測(cè)物產(chǎn)生能在離子選擇電極上響應(yīng)的離子。另外，還有一種叫做氣敏電極的。

15、其實(shí)，氣敏電極并非是一種電極，而是一個(gè)完整的電化學(xué)電池；用于測(cè)定某種氣體的含量。兩個(gè)電極插入水溶液中，就構(gòu)成電化學(xué)電池。電化學(xué)電池可分為兩種：原電池和電解池。所謂原電池，就是電極界面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不需要外電源供電，而電解池則需要外電源供電才能夠發(fā)生電極反應(yīng)。離子選擇電極的主要性能指標(biāo)離子選擇電極的基本功能是將溶液中待測(cè)離子的濃度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。離子選擇電極的這種轉(zhuǎn)換的基本特性，構(gòu)成了衡量電極性能的主要指標(biāo)。這些主要指標(biāo)包括： 電極的線性范圍和檢測(cè)下限。電極的線性范圍是指電極對(duì)待測(cè)離子響應(yīng)的線性區(qū)域。這個(gè)區(qū)域越寬越好；一般電極的線性范圍在1-10-5mol/L之間。離子選擇電極的檢測(cè)下限定義為

16、響應(yīng)曲線兩端直線部分外推線的交點(diǎn)。在實(shí)際測(cè)量中，人們總希望檢測(cè)下限盡量低一些。 電極的選擇性。電極的選擇性是電極對(duì)被測(cè)離子識(shí)別能力的一種衡量。由于受到技術(shù)的限制，離子選擇電極除對(duì)被測(cè)離子響應(yīng)外，對(duì)溶液中共存的其它離子也有不同程度的響應(yīng)，從而對(duì)被測(cè)離子的檢測(cè)造成了干擾。離子選擇電極對(duì)溶液中共存的其它離子響應(yīng)的程度越小，則說(shuō)明離子選擇電極對(duì)被測(cè)離子的選擇性越好。電極的響應(yīng)時(shí)間。電極的響應(yīng)時(shí)間是指將離子選擇電極和參比電極一起接觸被測(cè)溶液的瞬時(shí)開始計(jì)時(shí)，到電極電位達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)為止的時(shí)間。實(shí)際測(cè)量中，總希望響應(yīng)時(shí)間越短越好；特別是用于在線和自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，對(duì)電極的響應(yīng)時(shí)間要求很高。電極的穩(wěn)定性及重現(xiàn)性。電極

17、的穩(wěn)定性是指在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)測(cè)量時(shí)，電極電位的波動(dòng)范圍；電極的重現(xiàn)性則是指多次測(cè)量之間電極電位重現(xiàn)的程度。由于內(nèi)參比電極、內(nèi)充液及敏感膜的性質(zhì)隨溫度和時(shí)間變化，因此離子選擇電極的電位總會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。以上是離子選擇電極的主要性能指標(biāo)，這些指標(biāo)適用于現(xiàn)行的所有電化學(xué)傳感器。離子選擇電極技術(shù)存在的問(wèn)題早在20世紀(jì)初便研發(fā)了pH玻璃電極及其測(cè)量?jī)x器，所以離子選擇電極的研究至今已有一個(gè)多世紀(jì)。這期間雖然新的離子選擇電極在不斷地在出現(xiàn)，測(cè)量?jī)x器也在不斷地改進(jìn)，但是離子選擇電極技術(shù)并沒有實(shí)質(zhì)的進(jìn)步和發(fā)展。這主要是因?yàn)殡x子選擇電極技術(shù)存在以下兩個(gè)難以解決的問(wèn)題：1. 敏感膜的選擇性不高。目前，在選擇性指標(biāo)上

18、能過(guò)關(guān)的，只有pH玻璃電極、氟離子電極等少數(shù)電極。選擇性難以提高，已構(gòu)成了對(duì)離子選擇電極發(fā)展的挑戰(zhàn)。2. 換能方式存在問(wèn)題：由上述知道，離子選擇電極的換能系統(tǒng)由內(nèi)參比電極、內(nèi)充液及敏感膜組成。這種換能系統(tǒng)造成的主要問(wèn)題是：電極難以微型化；電極只能一個(gè)方向垂直使用，限制了電極的使用方式；敏感膜的輸出不能直接轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，需要一個(gè)中間環(huán)節(jié)，這樣增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。離子選擇電極換能方式上存在的缺陷，不但限制了它的應(yīng)用范圍，而且也會(huì)影響到它的測(cè)量精度。2.5多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合的概念1.多傳感器信息融合技術(shù)是傳感器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向由于被測(cè)對(duì)象的復(fù)雜性，單一的傳感器難以滿足對(duì)被測(cè)對(duì)

19、象全面的認(rèn)識(shí)。特別是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的今天，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行深入、全面認(rèn)識(shí)，已成為一種迫切的需求。以前，由于進(jìn)行測(cè)量是用單一的傳感器，所以其信號(hào)處理系統(tǒng)也是針對(duì)單一傳感器的。近年來(lái)，對(duì)被測(cè)對(duì)象使用了多種傳感器，檢測(cè)其多種性質(zhì)，這樣繼續(xù)使用單傳感器的信號(hào)處理系統(tǒng)顯然已經(jīng)不行。當(dāng)信號(hào)處理從單個(gè)傳感器發(fā)展到同時(shí)處理多個(gè)傳感器的信息時(shí)，多傳感器信息融合技術(shù)便成為了傳感器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。2.多傳感器信息融合的定義多傳感器信息融合又稱為數(shù)據(jù)融合，它是對(duì)多種信息的獲取、表示及對(duì)多種信息的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。多傳感器信息融合是從多信息的角度進(jìn)行信號(hào)處理和綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，剔除

20、無(wú)用和錯(cuò)誤的信息，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化。它也為智能信息處理技術(shù)的研究提供了新的觀念。多傳感器信息融合可定義如下：多傳感器信息融合是將經(jīng)過(guò)集成處理的多種傳感器的信息進(jìn)行合成，形成對(duì)外部環(huán)境或被測(cè)對(duì)象特征的一種表達(dá)方式。3.融合信息的性質(zhì)單一傳感器只能獲取環(huán)境或被測(cè)對(duì)象的某一個(gè)信息，而多種傳感器的信息經(jīng)過(guò)融合后，能夠較全面地反映環(huán)境或被測(cè)對(duì)象的特征。經(jīng)過(guò)融合的多傳感器信息，具有冗余性、互補(bǔ)性，而且獲取信息的成本也較單傳感器有所降低。冗余是指通過(guò)多重備份來(lái)增加系統(tǒng)的可靠性。備份是指?jìng)溆玫臇|西。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，冗余是指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此

21、減少系統(tǒng)的故障時(shí)間。多傳感器信息融合中的冗余是指，配置多個(gè)一樣的傳感器，或配置多種傳感器，重復(fù)采集對(duì)象某一方面的多個(gè)信息。這樣可以增加采集信息的可靠性?；パa(bǔ)是指從不同角度來(lái)反映同一對(duì)象傳感器信息融合的分類和結(jié)構(gòu)1.傳感器信息融合的分類傳感器信息融合的方式可以分為四類：組合、綜合、融合、相關(guān)。組合組合是指利用多個(gè)傳感器的多組數(shù)據(jù)來(lái)獲得輸出的一種處理方法。這是一種最基本的方法，涉及的問(wèn)題主要有輸出方式的協(xié)調(diào)、綜合，以及選擇傳感器等。通常，它主要應(yīng)用在硬件上。一個(gè)形象的例子是：用視覺傳感器測(cè)到物體的方位，再用測(cè)距傳感器測(cè)量物體的距離，然后在視頻上把物體的位置用參數(shù)顯示出來(lái)。顯然，物體的位置參數(shù)是由視

22、覺傳感器和距離傳感器的組合得到的。綜合綜合是信息優(yōu)化處理中的一種獲得明確信息的有效方法。一個(gè)形象的例子是：使用幾個(gè)照相機(jī)同時(shí)拍攝同一個(gè)物體的不同側(cè)面，然后根據(jù)拍攝的這幾個(gè)照片，可以準(zhǔn)確地復(fù)原出原物體的立體形象。這一復(fù)原的過(guò)程就稱為綜合。融合將各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)，或?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)部的模型進(jìn)行相關(guān)，若可產(chǎn)生信息的一個(gè)新的表達(dá)時(shí)，這種處理就稱為融合。其形象的例子是：將機(jī)器人的視覺傳感器和觸覺傳感器的信息進(jìn)行融合，可以產(chǎn)生對(duì)對(duì)象的一個(gè)較全面、準(zhǔn)確的反映。相關(guān)對(duì)多個(gè)傳感器的輸出信息，往往要采用相關(guān)的方法來(lái)進(jìn)行處理，以便獲悉不同傳感器數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而得到正確的信息，剔除無(wú)用的或錯(cuò)誤的信息。相

23、關(guān)處理是信號(hào)處理中的一種重要方法，這里進(jìn)行相關(guān)處理的目的，是為了更好的將信息進(jìn)行綜合和優(yōu)化。例如，在聲納目標(biāo)識(shí)別技術(shù)中，計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的聲納信息與先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行相關(guān)處理，便能準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)。這里的“先驗(yàn)知識(shí)”是指：根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和分析得到的知識(shí)。2.傳感器信息融合的結(jié)構(gòu)傳感器信息融合的結(jié)構(gòu)，可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2-33 信息融合的串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2-33是信息融合的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中：C1，C2，,Cn表示傳感器；Y1,Y2，,Yn表示融合中心；S1，S2，,Sn表示各個(gè)信息融合中心輸出的數(shù)據(jù)。串聯(lián)結(jié)構(gòu)信息融合的過(guò)程是：（見圖）傳感器C2將所獲得的信息送到融合中心Y2，融合中心Y2將此信息和來(lái)自上

24、一級(jí)融合中心Y1的數(shù)據(jù)S1綜合成一種新的判斷數(shù)據(jù)S2，然后傳送給下一級(jí)融合中心，這個(gè)過(guò)程繼續(xù)下去，直到最后一級(jí)融合中心得到最終的判定信息。并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2-34是信息融合的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖中C1，C2，,Cn表示傳感器，S1，S2，,Sn表示各個(gè)傳感器輸出的數(shù)據(jù)，Y是信息融合中心，S是融合中心輸出的數(shù)據(jù)。由圖2-34可以看出并聯(lián)結(jié)構(gòu)信息融合的過(guò)程是：各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)都輸入到同一個(gè)融合中心，融合中心對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，并形成對(duì)被測(cè)對(duì)象特征的一種表達(dá)方式。并聯(lián)結(jié)構(gòu)的信息融合中心只有當(dāng)接收到來(lái)自所有傳感器的信息后，才會(huì)對(duì)信息進(jìn)行融合。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的信息融合效果會(huì)更好。串聯(lián)結(jié)構(gòu)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是融合的順序是固定的，若中間任一個(gè)傳感器發(fā)生了故障，就沒有信息傳向下一個(gè)環(huán)節(jié)，而并聯(lián)結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題。但是并聯(lián)結(jié)構(gòu)的信息處理速度比串聯(lián)結(jié)構(gòu)慢。圖2-34信息融合的并聯(lián)結(jié)構(gòu)3.信息融合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)例圖2-35一種雷達(dá)信息融合結(jié)構(gòu)信息融合系統(tǒng)的作用、結(jié)構(gòu)和功能圖2-35是一種用于雷達(dá)檢測(cè)的信息融合系統(tǒng)，它主要提供