智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 第10章習(xí)題答案

第10章思考題與習(xí)題一、填空題1.智能傳感器與人類智能相類似，其傳感器相當(dāng)于人類的感知器官，其微處理器相當(dāng)于人類的大腦，可進(jìn)行信息處理、邏輯思維與推理判斷。2.科學(xué)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展大大促進(jìn)了傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。3.按照像素排列方式的不同，CCD又可分為線陣與面陣兩大類。4.生物傳感器是一種利用生物活性物質(zhì)的分子識(shí)別功能，將感受到的被測(cè)物質(zhì)的特征量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。二、綜合題1.簡(jiǎn)述智能化傳感器的特點(diǎn)。智能傳感器已具備了人類的某些智能思維與行為。人類通過眼睛、鼻子、耳朵和皮膚感知獲得外部環(huán)境多重傳感信息，這些傳感信息在人類大腦中歸納、推理并積累形成知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)；當(dāng)再次遇到相似外部環(huán)境時(shí)，人類大腦根據(jù)積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)對(duì)環(huán)境進(jìn)行推理判斷，做出相應(yīng)反應(yīng)。智能傳感器精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，可靠性高，還要求其具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、自校準(zhǔn)、自診斷、自補(bǔ)償和遠(yuǎn)程通信等功能。2.圖像傳感器主要分為哪三種？圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD(ChargeCoupledDevice，電荷耦合器件）、COMS（ComplementaryMetatal-oxideSemiconductoor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）以及CIS(ContactImageSensor，接觸式圖像傳感器）三種。3.CCD有幾個(gè)工作過程？分別是什么？在CCD中，CCD的信號(hào)為電荷信號(hào)，電荷注入的方法有很多，歸納起來(lái)，可分為光注入和電注入兩類。CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（也就是光生伏特效應(yīng)）。CCD工作過程的第二步是信號(hào)電荷的存儲(chǔ)收集，是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來(lái)使其形成信號(hào)電荷包的過程。CCD工作過程的第三步是信號(hào)電荷包的傳輸轉(zhuǎn)移，是將所收集起來(lái)的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。通過按一定的時(shí)序在電極上施加高低電平，可以實(shí)現(xiàn)光電荷在相鄰勢(shì)阱間的轉(zhuǎn)移。CCD的信號(hào)電荷讀出方法有輸出二極管電流法和浮置柵MOS放大器電壓法兩種。CCD工作過程的第四步是電荷的檢測(cè)，是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。輸出類型主要有以下三種。電流輸出。浮置柵放大器輸出。浮置擴(kuò)散放大器輸出。4.簡(jiǎn)述CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器的區(qū)別。CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器是被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的。CCD圖像像傳感器與CMOS圖像傳感器器的主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲煌CD圖像傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出。而在CMOS圖像傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。CCD圖像傳感器與CM0S圖像傳感器另一個(gè)主要差異是電荷讀取方式不同。對(duì)于CDD,光通過光電二極管轉(zhuǎn)換為電荷，然后電荷通過傳感器芯片傳遞到轉(zhuǎn)換器，最終信號(hào)被放大，因此電路較為復(fù)雜，速度較慢。對(duì)于CMOS,光通過電極二極管的光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電壓信號(hào)，信號(hào)電荷不需要轉(zhuǎn)移，因此CMOS圖像傳感器集成度高，體積小。綜上所述，CCD圖像傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS圖像傳感器，而CMOS圖像傳感器則具有低成本、低功耗以及整合度高的優(yōu)點(diǎn)。不過，隨著CCD與CMOS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢(shì)。例如：CCD圖像傳感器一直在功耗上做改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場(chǎng)；CMOS圖像傳感器則在改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品。5.簡(jiǎn)述智能生物傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合。從20世紀(jì)60年代Clark和Lyon提出生物傳感器的設(shè)想開始，生物傳感器的發(fā)展已經(jīng)距今已有幾十年的歷史了。作為一門在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來(lái)的交叉學(xué)科，生物傳感器在發(fā)酵工藝、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品工程、臨床醫(yī)學(xué)、軍事及軍事醫(yī)學(xué)等方面得到了深度重視和廣泛應(yīng)用。隨著社會(huì)的進(jìn)一步信息化，生物傳感器必將獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，受生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)，智能生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。未來(lái)的智能生物傳感器將進(jìn)一步應(yīng)用在醫(yī)療保健、疾病診斷、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。6.什么是生物芯片？進(jìn)入21世紀(jì)，電子技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合，誕生了生物芯片。生物芯片由研究DNA分子或蛋白質(zhì)分子的識(shí)別技術(shù)開始，已形成獨(dú)立學(xué)科，成為生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)。生物芯片原名稱為“核酸微陣列”，是通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)，在一塊1cm2大小的硅片、玻璃片、凝膠或尼龍膜上，構(gòu)建成密集排列的生物分子微陣列。7.簡(jiǎn)述模糊傳感器的概念。模糊傳感器是在傳統(tǒng)傳感器數(shù)值測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理與知識(shí)集成，以自然語(yǔ)言符號(hào)的形式來(lái)描述輸出結(jié)果的智能傳感器。所以，模糊傳感器具有智能傳感器感知、學(xué)習(xí)、推理，通信等基本功能，其中學(xué)習(xí)功能是模糊傳感器特殊而重要的功能，例如，檢測(cè)天氣舒適度的模糊傳感器需結(jié)合溫度、濕度、風(fēng)速等氣象要素對(duì)人體綜合作用，表征人體在大氣環(huán)境中舒適程度。8.簡(jiǎn)述多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)有應(yīng)用場(chǎng)合。多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)包含多傳感器融合和數(shù)據(jù)融合。多傳感器融合是指多個(gè)基本傳感器空間和時(shí)間上的復(fù)合設(shè)計(jì)和應(yīng)用，常稱多傳感器復(fù)合。多傳感器融合能在極短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多路傳感器的資源共享，提高系統(tǒng)的可靠性和寬容性。數(shù)據(jù)融合也稱信息融合，是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)獲得的多個(gè)信息源信息，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合，以完成所需的決策和評(píng)估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理技術(shù)。數(shù)據(jù)融合已經(jīng)應(yīng)用到智能機(jī)器人、遙感、醫(yī)療等領(lǐng)域，在軍用領(lǐng)域，數(shù)據(jù)融合已經(jīng)應(yīng)用到對(duì)空防御、電子對(duì)抗、指揮系統(tǒng)等。這些是目前數(shù)據(jù)融合應(yīng)用得較為成熟的領(lǐng)域，另外還有很多其他新的領(lǐng)域均會(huì)應(yīng)用到多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)。9.簡(jiǎn)述MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。微傳感器具有空間占有率小、靈敏度高