智能檢測技術(shù)課程作業(yè)題目及答案

注：非唯一答案，每個學(xué)生可根據(jù)上課個人理解進(jìn)行做答,同時可以發(fā)表個人的觀點(diǎn)與見解。作業(yè)題目打分情況視題目完成程度、內(nèi)容是否符合主題、學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)生的個人理解綜合方面進(jìn)行評價。第一章:作業(yè)一：簡述對“智能檢測技術(shù)”的理解.所謂智能檢測，應(yīng)當(dāng)包含測量、檢驗(yàn)、信息處理、判斷決策和故障診斷等多種內(nèi)容。是檢測設(shè)備模仿人類智能的結(jié)果。是將計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能等相結(jié)合而開展的檢測技術(shù)。智能檢測是由傳統(tǒng)檢測技術(shù)演變而來，由于傳統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化和處理多采用硬件處理，傳感器對環(huán)境變化引起的參量變化適應(yīng)性不強(qiáng)，不易進(jìn)行多參量、多維度等新型測量缺點(diǎn)。進(jìn)而產(chǎn)生了智能檢測技術(shù)，該新型技術(shù)具有測量過程軟件化、高度的靈活性、可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)融合、測量速度快、精度高、智能化功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。鑒于其的智能化程度高、適用面廣、測量速度快、精度高的特點(diǎn)，從而得到了極大開展。隨著技術(shù)的開展，智能化檢測也不斷的更新迭代。初級的智能化檢測，只可以進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)自動采集、儲存、記錄以及處理；中級的智能化檢測在原來的基礎(chǔ)上增加了辨識對象和自治功能；高級的智能化檢測可以分析、組織數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)變換為機(jī)器理解的結(jié)構(gòu)化信息的能力，可以使系統(tǒng)能夠在復(fù)雜、以及不確定的環(huán)境中選取優(yōu)化路徑自行工作。在當(dāng)今工業(yè)4.0時代以及工業(yè)制造2025的大背景下，作為一名工科生，大家應(yīng)該扎實(shí)掌握智能檢測技術(shù)并將其運(yùn)用到我們以后的生活工作崗位當(dāng)中。第三章：作業(yè)一：光柵或增量式光電傳感器的辨向原理（畫圖說明）光柵讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，對位移測量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。為了能夠辨向，需要有相位差為冗/2的兩個電信號。在相隔BH/4間距的位置上，放置兩個光電元件1和2,得到兩個相位差冗/2的電信號ul和u2（圖中

波形是消除直流分量后的交流分量），經(jīng)過整形后得兩個方波信號ul，和u2，。當(dāng)光柵沿A方向移動時，ul經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖，正好發(fā)生在u2,的力”電平時，從而經(jīng)Y1輸出一個計數(shù)脈沖；而u「經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖，那么與u2,的“0”電平相遇，與門丫2被阻塞，無脈沖輸出。在光柵沿一A方向移動時，u「的微分脈沖發(fā)生在u2,為“0”電平時，與門Y1無脈沖輸出；而的反相微分脈沖那么發(fā)生在u2,的“1”電平時，與門丫2輸出一個計數(shù)脈沖.u2,的電平狀態(tài)作為與門的控制信號，來控制在不同的移動方向時，ul，所產(chǎn)生的脈沖輸出。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動方向正確地給出加計數(shù)脈沖或減計數(shù)脈沖，再將其輸入可逆計數(shù)器，實(shí)時顯示出相對于某個參考點(diǎn)的位移量。VUi5」辨向電路原理圖1,2—光電元件3—英爾條紋4一指示光概VUi5」辨向電路原理圖1,2—光電元件3—英爾條紋4一指示光概作業(yè)二：滿足光纖傳光的入射角條件(推導(dǎo)公式)nOnOnO?包層nO?包層如下圖，當(dāng)光線射入一個端面并與圓柱的軸線成角e時，根據(jù)折射定律，在光纖內(nèi)折射成"，然后以夕角入射至纖芯與包層的界面。假設(shè)要在界面上發(fā)生全反射,那么纖芯與界面的光線入射角°應(yīng)大于臨界角服，即020c(4為臨界入射角)，由sin^>—sin^>—那么”,又因?yàn)閟in^>—那么”,又因?yàn)閟insin^>—那么”,又因?yàn)橛趎xsin=n2sin90=nl所以/sin8=/sin8=幾］sin。cos>/l-(sin^)2,/sin8=幾］sin。cos>/l-(sin^)2,S3巫五以/sin8=幾］sin。cos>/l-(sin^)2,S3巫五以佝，將“代入可得建。%，既出。當(dāng)光纖所處的環(huán)境為空氣時，〃。=1，sin"而2一%2或”“。第四章：作業(yè)一：請解釋什么是壓電效應(yīng)?壓電型超聲波傳感器的原理？1.請解釋什么是壓電效應(yīng)?壓電型超聲波傳感器的原理？(1)壓電效應(yīng)指的是電介質(zhì)在沿一定方向上受外力作用變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其兩相對外表出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)會發(fā)生變形，電場去掉后，變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。(2)壓電式超聲波傳感器包括超聲波發(fā)生器和超聲波接收器。壓電式超聲波發(fā)生器利用逆壓電效應(yīng)原理將高頻的電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時會發(fā)生共振,此時產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。壓電材料固有頻率為/o=/=原—=金店其中互為壓電片沿X軸方向的厚度，E為壓電片沿x軸方向的彈性模量，Pm為壓電片密度，c為波在壓電材料中的傳播速度。而壓電式超聲波接收器利用正壓電效應(yīng)原理工作，當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上，引起晶片伸縮，在晶片兩相對外表上分別產(chǎn)生正負(fù)電荷，電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路中，最后記錄或顯示出來。作業(yè)二：請解釋超聲波流量傳感器中“時差法”與“頻率差法”各自測速的原理。測量原理如下圖，圖中V為被測流體的平均速度，C為超聲波在靜止流體中的傳播速度，e為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角(必須小于90°),AB為兩個超聲波探頭，L為兩者之間的直線距離。(1)時差法當(dāng)A為發(fā)射探頭，B為接收探頭時，超聲波的傳播速度為c+"os。，順流傳播時間為L

二7C+VCOSU當(dāng)B為發(fā)射探頭，A為接收探頭時，超聲波的傳播速度為c-dcos。，逆流傳播時間為Lt2=-」c-vcosO那么時間差為2Lvcos6At=t2_ti=f5cz—v^cos^d由于C?〃，所以上式可以近似為2LvcosO解得流速C2v=--At2LcosO（2）頻率差法當(dāng)A為發(fā)射探頭，B為接收探頭時，超聲波的重復(fù)頻率人為c+vcos3L當(dāng)B為發(fā)射探頭，A為接收探頭時，超聲波的重復(fù)頻率上為c—vcosOf2=72L那么頻率差為2vcos0^f=f2-fi=-r-

jL/解得流體的流速為LV=-△/2cos6頻率差法所求流速和C值無關(guān)，即與溫度無關(guān)，和時差法相比具有更高的精度。第六章:作業(yè)一：電子鼻的組成、工作原理、核心技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、開展現(xiàn)狀與趨勢；電子鼻的組成：電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來識別氣味的電子系統(tǒng)，它可以在幾小時、幾天甚至數(shù)月的時間內(nèi)連續(xù)地、實(shí)時地監(jiān)測特定位置的氣味狀況。電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號處理系統(tǒng)三種功能器件組成。工作原理：電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號預(yù)處理和模式識別三局部組成。某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前，傳感器將化學(xué)輸入轉(zhuǎn)換成電信號，由多個傳感器對一種氣味的響應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對該氣味的響應(yīng)譜。顯然，氣味中的各種化學(xué)成分均會與敏感材料發(fā)生作用，所以這種響應(yīng)譜為該氣味的廣譜響應(yīng)譜。為實(shí)現(xiàn)對氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理（消除噪聲、特征提取、信號放大等）后采用合適的模式識別分析方法對其進(jìn)行處理。理論上，每種氣味都會有它的特征響應(yīng)譜，根據(jù)其特征響應(yīng)譜可區(qū)分小同的氣味。同時還可利用氣敏傳感器構(gòu)成陣列對多種氣體的交叉敏感性進(jìn)行測量，通過適當(dāng)?shù)姆治龇椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)混合氣體分析。電子鼻正是利用各個氣敏器件對復(fù)雜成分氣體都有響應(yīng)卻又互不相同這一特點(diǎn)，借助數(shù)據(jù)處理方法對多種氣味進(jìn)行識別，從而對氣味質(zhì)量進(jìn)行分析與評定。電子鼻的工作可簡單歸納為：傳感器陣列一信號預(yù)處理一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和各種算法一計算機(jī)識別(氣體定性定量分析)。從功能上講，氣體傳感器陣列相當(dāng)于生物嗅覺系統(tǒng)中的大量嗅感受器細(xì)胞，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)識別相當(dāng)于生物的大腦，其余局部那么相當(dāng)于嗅神經(jīng)信號傳遞系統(tǒng)。核心技術(shù)：電子鼻的核心器件是氣體傳感器。氣體傳感器根據(jù)原理的不同,可以分為金屬氧化物型、電化學(xué)型、導(dǎo)電聚合物型、質(zhì)量型、光離子化型等很多類型。目前應(yīng)用最廣泛的是金屬氧化物型。電子鼻系統(tǒng)中，傳感器及其陣列作為電子鼻的關(guān)鍵，它的功能是把不同的氣味分子在其外表的化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為可測的電信號。氣體傳感器陣列中的傳感器單元可通過以下幾種方法制備：(1)采用不同工作機(jī)理的傳感器；(2)運(yùn)用基于不同氣敏材料的傳感器；(3)通過控制材料微細(xì)結(jié)構(gòu),選擇新添加劑，改變器件結(jié)構(gòu)、幾何尺寸,來獲得具有不同性能的傳感器單元。對于氣體傳感器陣列，那么可以通過采用數(shù)個單獨(dú)的氣體傳感器組合而成，也可以采用集成工藝制作專門氣體傳感器陣列。后者體積小,功耗低，便于信號的集中采集與處理。在模式識別處理方面，傳感器陣列輸出的信號經(jīng)專用軟件采集、加工、處理后，利用多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模糊方法將多維響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為感官評定指標(biāo)值或組分濃度值，得到被測氣味定性分析結(jié)果的智能解釋器。早期的電子鼻多用主成分分析、多元線性擬合、模板匹配、聚類等數(shù)據(jù)處理方法。模式識別利用的是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理，由于氣體傳感器響應(yīng)與被測氣體體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系一般是非線性的，現(xiàn)在的電子鼻系統(tǒng)多用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和偏最小二乘法(PLS)。近些年開展起來的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artifcialneuralnetwork)由于具有很強(qiáng)的非線性處理能及模式識別能力而得到了廣泛的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)自動掌握隱藏在傳感器響應(yīng)和氣味類型與強(qiáng)度之間的、難以用明確的模型數(shù)學(xué)表示的對應(yīng)關(guān)系。許多統(tǒng)計技術(shù)和ANNS是互為補(bǔ)充的，所以常常與ANNs聯(lián)合使用，以得到一組比用單個技到的數(shù)據(jù)更加全面的分類和聚類。這類統(tǒng)計學(xué)或化學(xué)計量學(xué)方法包括主分量分析、局部最小平方法、區(qū)分分析法、區(qū)分因子分析法和聚類分析法等。應(yīng)用領(lǐng)域：電子鼻的應(yīng)用場合包括環(huán)境監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(如食品、煙草、發(fā)酵產(chǎn)品、香精香料等)、醫(yī)學(xué)診斷、爆炸物檢測等。下面是一些電子鼻應(yīng)用的實(shí)例：研究人員相信電子鼻將可能對尋找傷口MRSA和其他細(xì)菌的方式帶來革命性變化。MRSA是指這樣一類細(xì)菌，它們對日益普及的抗生素療法具有抵抗能力。此外，電子鼻技術(shù)還可以用于檢查其他部位的感染，幫助病人早發(fā)現(xiàn)，早治療。在1993年，Pearce等人就首次把傳感器應(yīng)用在啤酒檢測上，實(shí)驗(yàn)室制造的由12個有機(jī)導(dǎo)電聚合物傳感器組成的系統(tǒng)檢測了3種近似的商品酒，有2種是釀造后再貯存的啤酒，還有1種是淡色啤酒，結(jié)果說明：這3種啤酒很容易被鑒別，而且還很快鑒別出一種人為感染的啤酒和未被感染的酒。以色列科學(xué)家研發(fā)出“電子鼻”(electronicnose),只要通過簡單的呼吸測試，就可以查出罹患了肺、乳腺、腸和前列腺癌的病人。研究小組發(fā)現(xiàn)，這種檢測化學(xué)物質(zhì)改變的傳感器不僅能分辨出健康人和惡性腫瘤病患的呼吸，還能查出這四種常見的腫瘤。雖然還需要更多工作來完善這項檢測技術(shù)，但初步成功已經(jīng)給開發(fā)一種廉價、易于使用和攜帶的早期癌癥診斷技術(shù)帶來了希望。美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)為國際空間站送去一個電子鼻。它可以“嗅”出空間站內(nèi)空氣中的危險物質(zhì)，保護(hù)宇航員的健康和平安。2008年12月9日，國際空間站宇航員把這個鞋盒大小的電子鼻安裝到乘員艙內(nèi)，開始為期6個月的試運(yùn)行。開展現(xiàn)狀與趨勢：目前電子鼻研究現(xiàn)狀主要集中在以下幾個方面：(1)氣體傳感器陣列的研究，包括新型敏感材料特別是有機(jī)敏感材料與復(fù)合敏感材料的探索，和低功耗、高集成度氣體傳感器陣列的研制。(2)模式識別系統(tǒng)的研究，包括傳感器響應(yīng)的漂移補(bǔ)償、特征提取、識別算法等。(3)應(yīng)用研究。(4)基于新的生物學(xué)理解的人工鼻模型研究。關(guān)于開展趨勢，在電子鼻系統(tǒng)的研究中,目前十分引人關(guān)注的3個方面：(1)研究對微量氣體分子瞬時敏感的檢測器，以得到與氣體化學(xué)成分相對應(yīng)的信號。(2)研究對檢測得到的信號進(jìn)行識別與分類的數(shù)據(jù)處理器，以便將有用信號與噪聲加以別離。(3)研究將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為感官評定指標(biāo)的智能解釋器，以得到與人的感官感受相符的結(jié)果。其具體實(shí)例包括：酒類的區(qū)分與辨識、肉品新鮮度分析、飲料中香精香料分析、谷物生長分析、水果中芳香類物質(zhì)分析、食品腐敗變質(zhì)過程分析、香氣的等級區(qū)分及質(zhì)量研究和牛奶新鮮度分析。在國內(nèi)有一些公司在代理電子鼻產(chǎn)品，銷售對象一般是大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)，供其用于應(yīng)用型研究或?qū)﹄娮颖钱a(chǎn)品所帶的模式識別算法進(jìn)行二次開發(fā)。但在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或者醫(yī)療診斷的實(shí)際場合，還沒有真正應(yīng)用起來。第七章：作業(yè)一：簡述電化學(xué)與生物傳感器技術(shù)的工作原理電化學(xué)傳感器的工作原理：將待測物質(zhì)以適當(dāng)形式置于電化學(xué)反響池中，測量其電化學(xué)性質(zhì)（如電位、電流和電導(dǎo)等）變化實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成及含量測定，基于此原理的化學(xué)傳感器稱為電化學(xué)傳感器。當(dāng)電化學(xué)池中溶液的化學(xué)成分變化時，電極上流過的電流或電極外表與溶液的電勢差會隨之發(fā)生變化，這樣通過測定電流或電勢的變化就可以獲取溶液成分或相應(yīng)的化學(xué)反響的變化信息?；陔娀瘜W(xué)傳感器設(shè)計出了電化學(xué)生物傳感器。電化學(xué)生物傳感器的工作原理:電化學(xué)生物傳感器是一類特殊的化學(xué)傳感器,是基于被測物的電化學(xué)性質(zhì)，并將被測物的化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)參量進(jìn)行檢測的一種傳感器，主要由兩局部組成:一局部是生物分子識別元件，是由對被測物具有高選擇性分子識別功能的生物敏感功能膜組成，可用來制作生物感應(yīng)元件的物質(zhì)有酶、細(xì)胞、組織、核酸、抗原抗體等，其主要作用是用來感知樣品中是否含有待測物質(zhì);另一局部是信號轉(zhuǎn)換元件，按照信號轉(zhuǎn)換元件所轉(zhuǎn)換的電學(xué)參量的不同，主要包括電位型傳感器、電流型傳感