智能設備數(shù)字孿生應用 課件 9、數(shù)字孿生的基礎技術-傳感器應用、性能指標、發(fā)展趨勢

智能設備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅基礎技術：感知3.2知識回顧知識回顧：數(shù)字孿生技術架構由哪幾層組成？知識回顧1.數(shù)據(jù)采集與控制實體2.數(shù)字孿生核心實體3.用戶實體4.跨域實體3.2基礎技術：感知感知層猶如人的感知器官，物聯(lián)網(wǎng)依靠感知層識別物體和采集信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，由具有感知、識別、控制和執(zhí)行等功能的多種設備組成，通過采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)信息，將物理世界和信息世界聯(lián)系在一起。感知層包括信息采集和通信子網(wǎng)兩個子層。感知層由基本的感應器件以及感應器組成的網(wǎng)絡兩大部分組成。3.2.1感知層概述3.2基礎技術：感知傳感器是一個功能塊，用來將外界的各種信號轉換成電信號。作用包括信息收集（如計量測試、狀態(tài)檢測）、信息交換和控制信息采集。傳感器是一種以一定的精確度把被測量依照一定規(guī)律將其轉換成可用輸出信號的器件和裝置。傳感器的輸出量是某種物理量（氣、光、電），便于傳輸、轉換、處理和顯示，但主要是電量，如電壓或電流。3.2.2傳感器（1）傳感器的定義與組成3.2基礎技術：感知網(wǎng)絡層相當于人的神經中樞和大腦，它的作用是傳遞和處理感知層中獲取的信息感知層是物聯(lián)網(wǎng)中物理識別、采集信息的來源，它的主要功能就是識別物體，對信息進行采集應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶之間的接口，它與具體的業(yè)務需求結合起來，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用3.2基礎技術：感知敏感元件是直接感受和響應被測量的與被測量之間有對應關系轉換元件能將敏感元件輸出的非電量轉換成用于傳輸或測量的電路參數(shù)輔助電源提供傳感器正常工作所需的電源傳感器構成3.2基礎技術：感知

傳感器用途工作原理輸出信號制造工藝壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、開關傳感器集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器3.2基礎技術：感知①傳感器按用途可以分類為壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。（2）傳感器的分類位置傳感器3.2基礎技術：感知②傳感器按工作原理可以分類為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。按工作原理傳感器分類3.2基礎技術：感知③傳感器按輸出信號可以分類為模擬傳感器、數(shù)字傳感器、膺數(shù)字傳感器、開關傳感器。按輸出信號分類3.2基礎技術：感知④傳感器按其制造工藝可以分類為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器；按測量目的可以分類為物理型傳感器、化學型傳感器、生物型傳感器；按其構成可以分類分為基本型傳感器、組合型傳感器、應用型傳感器；按使用形式可以分類為主動型傳感器、被動型傳感器。知識回顧Texthere1感知層的作用243傳感器的定義傳感器的分類傳感器的組成（哪4類？）（哪些原件？）（可以做什么？）（詳細描述？）3.2基礎技術：感知傳感器的應用領域：科研、工業(yè)、教育、醫(yī)療、國防、文物、辦公、住宅等，目前傳感器在石油、化工、醫(yī)療、教育、國防、辦公、電力、鋼鐵、自動駕駛、機械等行業(yè)中應用，說明科技正在促進不同行業(yè)的發(fā)展。（3）傳感器的應用領域3.2基礎技術：感知傳感器在工業(yè)及能源管控的應用01在石油、化工、電力、鋼鐵、機械等加工工業(yè)中，傳感器在各自的工作崗位中相關于人類的感覺器官的作用，它每時每刻根據(jù)需求來完成各種信息的檢測，將檢測的大量的信息通過自動化的控制、計算機處理等進行反饋。3.2基礎技術：感知02傳感器在航天航空與遙感技術的應用遙感技術是飛機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船以及船舶對遠距離的大區(qū)域內對物體進行檢測的一門技術，可以通過紫外線、可見光、遠紅外線、微波等傳感器進行檢測。對船舶可以采用超聲波傳感器進行水下觀測，對探測礦產資源利用人造衛(wèi)星上的紅外線接收傳感器對地面發(fā)出的紅外線的量進行測量。3.2基礎技術：感知03傳感器在交通安全駕駛方面的應用傳感器還應用到汽車交通事故、疲勞駕駛、行駛安全駕駛員狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)迅速興起，這可以保障道路安全并提升駕駛體驗。現(xiàn)在落實比較快的是車內人員站位的檢測。采用的方法是用紅外光源加上圖像傳感器和算法判別去檢測車內是否有人員站位的狀況。3.2基礎技術：感知傳感器在醫(yī)療健康和環(huán)境保護應用04傳感器可以對血壓、內腔壓力、血液、呼吸流量、腫瘤、血液分析、人體表面和內部溫度、脈波、心音、心腦電波等進行較高準確的診斷。如香港理工大學研發(fā)高靈敏度微型光纖傳感器，創(chuàng)新健康監(jiān)測應用。3.2基礎技術：感知05傳感器在環(huán)境保護方面的應用如大氣污染、水質污濁、霧霾、噪聲等可以通過傳感器進行監(jiān)測，如采用嵌入低功耗無線通信模塊的環(huán)境監(jiān)測采集終端，搭建土壤墑情、空氣、水質、污染源監(jiān)測站。天津全市的500個環(huán)境保護物聯(lián)網(wǎng)采集網(wǎng)關，建設傳感器與物聯(lián)網(wǎng)關基于低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，對天津城域范圍內大氣環(huán)境、生態(tài)資源、水資源和土壤、?；翻h(huán)保數(shù)據(jù)進行廣泛收集，實現(xiàn)對空氣質量、污染源、輻射等環(huán)境因素的泛在感知。3.2基礎技術：感知06傳感器在家電產品多樣化和智能化的應用在家電智能化中如安全監(jiān)視與報警、耗能控制、太陽光自動跟蹤、家務勞動、空調與照明、人體身體健康管理等都有傳感器。在傳感器賦能家電智能化，無需對家里大動干戈，可以直接使用智能門鎖、智能網(wǎng)關、門窗感應器、智能攝像頭、多種家用警報器。3.2基礎技術：感知傳感器性能指標是指傳感器的靈敏度、使用頻率范圍、動態(tài)范圍、相移參數(shù)。指沿著傳感器測量軸方向對單位振動量輸入x可獲得的電壓信號輸出值u，即s=u/x。為了測量出微小的振動變化，傳感器應有較高的靈敏度。指靈敏度隨頻率而變化的量值不超出給定誤差的頻率區(qū)間。除和傳感器本身的頻率響應特性有關外，還和傳感器安裝條件有關。動態(tài)范圍即可測量的量程，是指靈敏度隨幅值的變化量不超出給定誤差限的輸入機械量的幅值范圍。指輸入簡諧振動時，輸出同頻電壓信號相對輸入量的相位滯后量。要求相移值為零或Π，或者隨頻率成正比變化。（4）傳感器的性能指標3.2基礎技術：感知現(xiàn)代信息技術主要包括測量技術、通信技術和計算機技術，這三大技術主要是指信息的采集、傳輸、處理。采集系統(tǒng)首先部件就是傳感器。思考？傳感器的發(fā)展趨勢是什么？傳感器的發(fā)展趨勢將集中到傳感器集成化、傳感器的多功能、傳感器的高精度化、寬溫度、高可靠性等方向。（5）傳感器的發(fā)展趨勢3.2基礎技術：感知傳感器的集成化是指利用集成加工技術，將敏感元件、轉換元件、轉換電路等制作到一個芯片中，傳感器設置為體積小、質量輕、制造成本低、電路設計簡單等特點。01傳感器要求各個部件的體積越小越好，傳感器一般是由費電量向電量的轉換，因此開發(fā)微工號的傳感器或無源傳感器是必然發(fā)展的方向。02傳感器高精度化、高可靠性、寬溫度范圍是發(fā)展趨勢之一。在冶煉、焦化等場景對傳感器溫度要求則更好，因此新型材料（如陶瓷）的傳感器將會有前途。03知識回顧（1）列舉傳感器應用（2）傳感器系性指標（3）傳感器的發(fā)展趨勢知識回顧（1）列舉傳感器應用

工業(yè)、航空、醫(yī)療、交通、環(huán)境、家電......（2）傳感器系性指標

靈敏度、使用頻率范圍、動態(tài)范圍、相移參數(shù)。（3）傳感器的發(fā)展趨勢

傳感器的發(fā)展趨勢將集中到傳感器集成化、傳感器的多功能、傳感器的高精度化、寬溫度、高可靠性等方向。復習鞏固列舉傳感器應用傳感器系性指標傳感器的發(fā)展趨勢45%65%32%3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡思考：如何將傳感器進行組建、傳感器的數(shù)據(jù)如何讀取與傳輸？傳感器網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網(wǎng)絡，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）。3.2.3傳感器網(wǎng)絡3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡無線傳感網(wǎng)絡（WireLessSensorNetWork,WSN）是一種跨學科技術，主要集成了傳感器技術、嵌入式技術、計算機網(wǎng)絡、無線通信技術等，它由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。（1）無線傳感器網(wǎng)絡的定義3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡是一種分布式傳感網(wǎng)絡，它的末梢是可以感知監(jiān)測區(qū)域的傳感器。無線傳感網(wǎng)絡將采集到的信息按照一定的方式將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關，以實現(xiàn)對目標區(qū)域對象的監(jiān)測。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接。感知采集處理傳送3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡①網(wǎng)絡規(guī)模大，包含數(shù)量密集和區(qū)域光數(shù)量密集是指在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點數(shù)量很大，可能達到成千上萬個，甚至更多。如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點。②無線傳感網(wǎng)的自組織性在傳感器網(wǎng)絡應用中，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理。（2）無線傳感器網(wǎng)絡的特點3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡③無線傳感網(wǎng)具有動態(tài)性無線傳感網(wǎng)絡的拓撲結構具有動態(tài)新，主要的原因如環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效；傳感器網(wǎng)絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節(jié)點的加入等，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。④無線傳感網(wǎng)的可靠性監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制或傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，因此無線傳感網(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。但需要保證安全，必須防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和偽造。3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡無線傳感網(wǎng)絡由四個實體對象組成：感知目標、感知節(jié)點、傳感節(jié)點、監(jiān)測視場組成。在監(jiān)測視場分布著大量的感知節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構成網(wǎng)絡結構，每個節(jié)點既有數(shù)據(jù)采集功能又有路由功能。感知節(jié)點由傳感器、處理器和無線通信模塊組成。（3）無線傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡體系結構與組網(wǎng)3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡在數(shù)字孿生體中為了建立全域全時段的物聯(lián)感知的體系，實現(xiàn)物體對象運行態(tài)勢的多維度、多層次精準監(jiān)測，對感知技術提出了更高的要求。在數(shù)字孿生體中感知技術不但需要更加精確可靠的物理測量技術，還需要兼顧感知數(shù)據(jù)間的協(xié)同交互、明確物體在數(shù)字孿生全域中的空間位置及其唯一標識，確保設備的可信和可控。3.2.4數(shù)字孿生體系中的感知3.3基礎技術：傳感網(wǎng)絡01數(shù)字孿生全域標識02智能化技術03多傳感器融合技術

在數(shù)字孿生中全域標識能夠為物理對象賦予數(shù)字“身份信息”，支撐孿生映射。標識技術能夠為各類部件、物體賦予獨一無二的數(shù)字化身份編碼，從而確?，F(xiàn)實世界中的每一個物理實體都能與孿生空間中的數(shù)字虛體精準映