传感技术论文范文

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2.光纤传感器的类型及特点

光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性(振幅、相位、频率、偏振)被调制。因此，这一类光纤传感器又分为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件。

3.光纤传感器的应用

光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面的应用:

(1)城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力从而来评估桥梁短期、施工阶段和长期营运状态的结构性能。

(2)在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受强电磁场的干扰，无法在这些场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可达米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合。

(3)在石油化工系统、矿井、大型电厂等，需要检测氧气、碳氢化合物、CO等气体，采用电类传感器不但达不到要求的精度，更严重的是会引起安全事故。因此，研究和开发高性能的光纤气敏传感器，可以安全有效地实现上述检测。

(4)在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面，由于其环境复杂，影响因素多，使用其它传感器达不到所需要的精度，并且易受外界因素的干扰，采用光纤传感器可以具有很强的抗干扰能力和较高的精度，可实现对上述各领域的生物量的快速、方便、准确地检测。目前，我国水源的污染情况严重，临床检验、食品安全检测手段比较落后，光纤传感器在这些领域具有极好的市场前景。

(5)医学及生物传感器。医学临床应用光纤辐射剂量计、呼吸系统气流传感系统;圆锥形微型FOS测量氧气浓度及其他生物参数;用FOS探测氢氧化物及其他化学污染物;光纤表面细胞质粒基因组共振生物传感器;生物适应FOS系统应用于海水监测、生化技术、医药。

光纤传感器在实践中运用到的例子举不胜举，这些技术都是多学科的综合，涵盖的知识面广，象光纤陀螺，火花塞光纤传感器，光纤传感复合材料，以及利用光纤传感器对植物叶绿素的研究等等；随着科技的不断进步，越来越多的光纤传感器将面世，它将被应用到生产生活的每一个角落。

4.光纤传感器的技术发展方向

光纤传感技术经过20余年的发展也已获得长足的进步，出现了很多实用性的产品，然而实际的需要是各种各样的，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要。目前，光纤传感器技术发展的主要方向是。

(1)传感器的实用化研究。即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能够对多种物理量进行同时测量。

(2)提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。注意分布式传感器的参数，即压力、温度，特别是化学参数(碳氢化合物、一些污染物、湿度、PH值等)对光纤的影响。

(3)传感器用特殊光纤材料和器件的研究。例如:增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤的研究等。这些将是以后传感器进一步发展的趋势。

(4)在恶劣条件下(高温、高压、化学腐蚀)低成本传感器(支架、连接、安装)的开发和应用。

(5)新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。

参考文献

[1]肖军,王颖.光纤传感技术的研究现状与展望[J].机械管理开发,2006,6.

[2]吴洁,薛玲玲.光纤传感器的研究进展[J].激光杂志,2007,5.

[3]吴琼,吴善波,刘勇,袁长迎.新型光纤传感器的设计及其特性研究[J].仪表技术与传感器,2007,11.

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2传感器技术在机电技术当中的应用

由于传感器的电磁兼容性能比较强，因此具有较高的数据存储技术可行性，同时还不容易丢失其中的模块参数。智能滤波算法以及A/D转换技术等先进的技术都在传感器当中得到了应用，就算是满量程的时候，传感器仍然可以使稳定的输出码得到保证。传感器的通讯接口属于标准的接口，其能够与计算机进行直接的连接，同时也可以连接标准的工业控制总线，具有十分灵活的使用方式。

2.1在机器人中传感器技术的应用

作为典型的仿生装置，机器人对传感器技术进行了充分的应用。通过将感知到的物理量向电量进行转化，机器人就可以实现信息输出，在这个过程中对机器人传感技术进行了充分的利用，其中包括两方面的内容，也就是外部传感器以及内部传感器。外部传感器需要通过检测外部信息，从而对工作环境进行判别，为机器人提供必要的信息，使之能够对操作对象进行准确的控制。而实施系统的控制是内部传感器的主要功能，其能够对机器人的状态进行有效的检测，保证机器人在工作的过程中能够按照要求来进行。内部传感器可以将具有价值的信息提供给外部传感器，从而能够使机器人对外部的环境产生有效的感知，并且将相应的动作做出。与此同时，在科技生产的过程中，还可以利用对机器人的操作从而能够对反馈的意见进行获取。

2.2在机械制造行业中传感器技术的应用

由于在机械制造行业当中需要实施包括加工精度等在内的动态特性测量，因此要利用传感器针对机械阻抗以及振动等相关部件当中的参数进行测量，从而对其动态特性进行检验。如果需要在线监测与控制超精加工中的零件尺寸的时候，就要利用传感器将相关的信息提供出来。比如利用传感器针对数控车床中车刀的位置进行检测；由于工件的表面精度以及尺寸在很大程度上都会受到刀尖形状的影响，可以采用在车刀上放置的振动传感器对其锋锐的程度进行检验。还可以利用液面传感器针对液压系统中的油量以及车床中的油进行监测。

2.3在环境当中传感技术的应用

传感器网络在环境监测当中通常具有一系列的优点，其中包括无需专人现场维护、可以长期不用对电池进行更换、具有十分简单的布置等。可以利用对节点进行密集的布置，从而对微观的环境因素进行观察。在环境监测领域当中对传感器网络具有非常广泛的应用，其中包括微观观测生物群落、森林火灾报警、观察气象现象、观测海岛鸟类的生活规律等。

2.4在火灾报警当中传感器技术的应用

防灾报警装置是现代建筑必须要具备的，其中最为关键的就是火灾报警系统。在发生火灾的时候一般都会出现有害气体、高温、火光以及烟雾等。如果将传感器运用到火灾报警系统当中，就可以对异常的信号进行转化，使之变成容易进行传送的形式，然后就可以利用消防网络向指挥中心提供火灾地点的报告。

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随着传感器技术、信息处理技术、测量技术与计算机技术的发展，智能驾驶系统（辅助驾驶系统一无人驾驶系统）也得了飞速的发展。消费者越来越注重驾驶的安全性与舒适性，这就要求传感器能识别在同一车道上前方行驶的汽车，并能在有障碍时提醒驾驶员或者自动改变汽车状态，以避免事故诉发生。国际上各大汽车公司也都致力于这方面的研究，并开发了一系列安全驾驶系统，如碰撞报警系统（CW）、偏向报警系统（LDW）和智能巡游系统（ICC）等。国内在这些方面也有一定的研究，但与国外相比仍存在较大的差距。本文将主要讨论多传感器信息融合技术在智能驾驶系统（ITS）中的应用。

1ICC/CW和LDW系统中存在的问题

1.1ICC/CW系统中的误识别问题

ICC/CW系统中经常使用单一波束传感器。这类传感器利用非常狭窄的波束宽度测定前方的车辆，对于弯曲道路（见图1（a）），前后车辆很容易驶出传感器的测量范围，这将引起智能巡游系统误加速。如果前方车辆减速或在拐弯处另一辆汽车驶入本车道，碰撞报警系统将不能在安全停车范围内给出响应而容易产生碰撞。类似地，当弯曲度延伸时（见图1(b)），雷达系统易把邻近道路的车辆或路边的防护栏误认为是障碍而给出报警。当道路不平坦时，雷达传感器前方的道路是斜向上，小丘或小堆也可能被误认为是障碍，这些都降低了系统的稳定性。现在有一些滤波算法可以处理这些问题并取得了一定效果，但不能彻底解决。

1.2LDW系统中存在的场景识别问题

LDW系统中同样存在公共驾驶区场景识别问题。LDW系统依赖于一侧的摄像机（经常仅能测道路上相邻车辆的位置），很难区分弯曲的道路和做到多样的个人驾驶模式。LDW系统利用一个前向摄像机探测车辆前方道路的地理状况，这对于远距离测量存在着精确性的问题，所有这些都影响了TLC（Time-to-Line-Crossing）测量的准确性。现常用死区识别和驾驶信息修订法进行处理，但并不能给出任何先验知识去识别故障。

2多传感器信息融合技术在ITS系统中的应用

针对以上系统存在的一些问题，研究者们纷纷引入了多传感器信息融合技术，并提出了不同的融合算法。基于视觉系统的传感器可以提供大量的场景信息，其它传感器（如雷达或激光等）可以测定距离、范围等信息，对两方面的信息融合处理后能够给出更可靠的识别信息。融合技术可以采用Beaurais等人于1999年提出的CLARK算法（CombinedLikelihoodAddingRadar）和InstitudeNeuroinformatik提出的ICDA（IntegrativeCouplingofDifferentAlgorithms）算法等方法实现。

2.1传感器的选择

识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明（见表1）。探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。不过在ITS系统中除了上文提出的场景限制外，还有以下问题。首先因其只能在10m以内有效使用，所以并不适合ITS系统。另外超声波传感器的工作原理基于声，即使可以使之测达100m远，但其更新频率为2Hz，而且还有可能在传输中受到其它信号的干扰，所以在CW/ICC系统中使用是不实际的。

表1传感器性能比较

传感器类型优点缺点

超声波

视觉

激光雷达

MMW雷达价格合理，夜间不受影响。

易于多目标测量和分类，分辨率好。

价格相合理，夜间不受影响

不受灯光、天气影响。测量范围小，对天气变化敏感。

不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。

对水、灰尘、灯光敏感。

价格贵

视觉传感器在CW系统中使用得非常广泛。其优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。但是算法复杂，处理速度慢。

雷达传感器在军事和航空领域已经使用了几十年。主要优点是可以鲁棒地探测到障碍而不受天气或灯光条件限制。近十年来随着尺寸及价格的降低，在汽车行业开始被使用。但是仍存在性价比的问题。

为了克服这些问题，利用信息融合技术提出了一些新的方法，利用这些方式可以得到较单一传感器更为可靠的探测。

2.2信息融合的基本原理

所谓信息融合就是将来自多个传感器或多源的信息进行综合处理，从而得出更为准确、可靠的结论。多传感器信息融合是人类和其它生物系统中普遍存在的一种基本功能，人类本地地具有将身体上的各种功能器官（眼、耳、鼻、四肢）所探测的信息(景物、声音、气味和触觉)与先验知识进行综合的能力，以便对其周围的环境和正在发生的事件做出估计。由于人类的感官具有不同度量特征，因而可测出不同空间范围的各种物理现象，这一过程是复杂的，也是自适应的。它将各种信息（图像、声音、气味和物理形状或描述）转化成对环境的有价值的解释。

多传感器信息融合实际上是人对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。在多传感器系统中，各种传感器提供的信息可能具有不同的特片：对变的或者非时变的，实时的或者非实时的，模糊的或者确定的，精确的或者不完整的，相互支持的或者互补的。多传感器信息融合就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则结合起来，产生对观测环境的一致性解释或描述。信息融合的目标是基于各种传感器分离观测信息，通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。这是最佳协同作用的效果，它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势来提高整个系统的有效性。

2.3常用信息融合算法

信息融合技术涉及到方面的理论和技术，如信息处理、估计理论、不确定性理论、模式识别、最优化技术、神经网络和人工智能等。由不同的应用要求形成的各种方法都是融合方法的个子集。表2归纳了一些常用的信息融合方法。

表2信息融合方法

经典方法现代方法

估计方法统计方法信息论方法人工智能方法

加权平均法经典推理法聚类分析模糊逻辑

极大似然估计贝叶斯估计模板法产生式规则

最小二乘法品质因素法熵理论神经网络

卡尔曼滤波D-S证据决策理论遗传算法

模糊积分理论

2.4智能驾驶系统中信息融合算法的基本结构

由于单一传感器的局限性，现在ITS系统中多使用一组传感器探测不同视点的信息，再对这些信息进行融合处理，以完成初始目标探测识别。在智能驾驶系统中识别障碍常用的算法结构如图2所示。

3CLARK算法

CLARK算法是用于精确测量障碍位置和道路状况的方法，它同时使用来自距离传感器（雷达）和摄像机的信息。CLARK算法主要由以下两部分组成：①使用多传器融合技术对障碍进行鲁棒探测；②在LOIS（LikelihoodofImageShape）道路探测算法中综合考虑上述信息，以提高远距离道路和障碍的识别性能。

3.1用雷达探测障碍

目前经常使用一个雷达传感器探测前方的车辆或障碍。如前面所分析，雷达虽然在直路上的性能良好，但当道路弯曲时，探测的信号将完全可靠，有时还会有探测的盲点或产生错误报警。为了防止错误报警，常对雷达的输出进行标准卡尔曼（Kalman）滤波，但这并不能有效解决探测盲点问题。为了更可靠地解决这类问题，可以使用扫描雷达或多波束雷达，但其价格昂贵。这里选用低价的视觉传感器作为附加信息，视觉传感器经常能提供扫描雷达和多波束雷达所不能提供的信息。

3.2在目标识别中融合视觉信息

CLARK算法使用视觉图像的对比度和颜色信息探测目标，使用矩形模板方法识别目标。这个模板由具有不同左右边界和底部尺寸的矩形构成，再与视觉图像对比度域匹配，选择与雷达传感器输出最接近的障碍模板。

CLARK算法首先对雷达信号进行卡尔曼滤波，用于剔除传感器输出的强干扰，这出下列状态和观测方程处理：

D（t）=R(t)+v(t)

式中，R（t）为前方障碍的真实距离（未知），R（t）是其速度（未知，）D（t）为距离观测值，Δt为两次观测的问题时间，w（t）和v(t)为高斯噪声。给定D（t），由Kalman滤波器估计R（t）和R（t）的值，并把估计值R(t)作为距离输入值，使用R(t)和D（t）的差值确定所用矩形模板的偏差。由于使用雷达探测的位置与雷达作为补偿。

使用上述算法可以有效提高雷达探测的可靠性，但当图像包含很强的边缘信息或障碍只占据相平面一个很小的区域时，仍不能得到满意的结果。因此，除对比度外，又引入视觉图像的颜色域。

3.3相合似然法

在探测到障碍后，CLARK算法将这些信息整合到道路探测算法（LOIS）中。LOIS利用变形道路的边缘应为图像中对比度的最大值部分且其方位应垂直于道路边缘来搜索道路。如果只是简单地将两个信息整合，则障碍探测部分的像素被隐藏，其图像梯度值不会影响LOIS的似然性。这样可以防止LOIS将汽车前方障碍的边缘误认为是道路的边缘来处理。但是当道路的真实边缘非常接近障碍的边缘时，隐藏技术则失效。

为了使隐藏技术有效，可以在障碍和道路探测之间采取折中的处理方法。这种折中的处理方法就是相合似然法。它将探测障碍固定的位置和尺寸参数变为可以在小范围内变化的参数。新的似然函数由LOIS的似然和小探测障碍的似然融合而成。它使用七维参数探测方法（三维用于障碍，四维用于道路），能同时给出障碍和道路预测的最好结果。其公式如下：

式中，Tb、Tl、Tw为相平面内矩形模板的底部位置、左边界和宽度的三个变形参数，[xr(t),xc(t)]为变形模板相平面的中心。[yr(t)，yc(t)]为由雷达探测并经Kalman滤波的障碍在相平观的位置。将地平面压缩变化为相平面，的实时估计，为相平面内一个路宽的值（3.2m）。tan-1的压缩比率在相平面内不小于Tmin（路宽的一半），不太于Tmax（路宽）。通过求解七维后验pdfP（k'''',b''''LEFT，b''''RIGHT，vp，Tb，Tl,Tw|[yr(t),yc(t)],ObservedImage）的最大值获得障碍和道路目标。

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广域网部分在本文系统中指移动服务器或者Internet。协调器将监测到的环境信息发送到广域网中，而广域网则提供中转的功能，便于物流管理者在远端获取这些环境信息。远端用户部分指物流管理者通过在PC上开发的用户界面或者在手机上开发的相关应用程序从广域网获取实时的冷鲜食品信息，并根据这些信息对出现的异常情况及时地做出判断和调整。

由于终端节点是通过电池供电的，而在一次长途运送过程中无法更换电池，所以终端节点的功耗是在设计中需要考虑的重要问题。合理利用Zigbee协议栈中提供的节点睡眠功能将有效地优化终端节点的能量利用效率。因为传感器采集的环境信息将按照一定周期上传给路由节点或协调器，所以在不需要发送信息时，可以将发送模块以及嵌入式CPU中与发送有关的功能置于睡眠状态，在需要发送数据时再由设置好的系统时钟进行唤醒。这样通过软件的编写，控制各个模块的工作时间，对能量进行分时合理利用将大幅提高终端节点的电能使用时间，使整个传感器节点网络更加适用于实际的冷鲜食品物流监控应用。

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Italian Conference Sensors

and Microsystems

2008, 674pp.

Hardcover

ISBN 9789812833525

A G Mignani等著

本书精心收集了2006年2月15-17日在意大利Firenze市举行的第10届传感器与微系统会议上的论文。这次会议由意大利传感器与微系统协会(AISEM)和费拉拉大学应用物理系组织,整个会议由9个口头宣读分组会和2个书面张贴分组会组成,它在意大利为物理、化学、生物、工程、材料科学等领域的专业人士提供了一个独特的跨学科的交流平台。传感器与微系统会议论文集自第一版出版以来,为传感器与执行器、材料与工艺技术、信号的监控、获取和控制、数据处理、图像识别技术、微系统、微机械等与传感器相关学科的关键研究领域做出了突出的贡献。

传感器与微系统是一门多学科交叉的综合性学科,它涉及到科学技术的各个领域。本书收录的109篇论文被分成10个部分介绍,1.应邀演讲报告,包括计算机屏幕上的图像辅助技术:原理和应用等4篇文章;2.生物传感器,包括基于纳米材料的GOD生物传感器的制备与表征等7篇文章;3.生命功能监测,包含了导管..导管内的伽玛射线探测仪、用于移动医疗的基于红外线的心率监测10篇文章;4.气体传感器,包含了气敏氧化锡纳米带的发光特性、纳米结构的三氧化钨(WO3)气敏材料的高温沉积等30篇文章;5.液相化学传感器,包含了基于二氧化锡光学传感器的水中氨的检测、用光纤探针和低成本分光度计对水中Cr(VI)含量的在线全自动测量等6篇文章;6.化学传感器阵列,包含了用于酒质量监测的具有线性温度特性的气体传感器阵列的发展等8篇文章;7.微制造与微系统,包含了温度对MEMS振荡器影响的仿真与建模等13篇文章;8.光学传感器,包含了带有微加热器和热电堆的CH4红外传感系统等10篇文章;9.物理传感器,包含了一种基于有机场效应晶体管的应力计量传感器等15篇文章;10.系统、网络和电子接口,包括一种集成的带有分离振荡器的宽范围的阻抗/时间转换器等6篇文章。

本书内容丰富新颖,几乎涵盖了传感器的各个领域,介绍了传感器在各个领域的新发展、新成果和新应用,适合于从事不同传感器及其相关领域的研究人员和工程师们参考阅读。

孙方敏,

博士生

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1. 引言

分布式光纤传感技术适用于桥梁工程的检测以及施工过程监控。其原理基于在光纤中传播的激光会发生布里渊散射，而散射光的频率，会随所在的点的温度和应变发生变化，这两种效应都是线性的。一般使用通讯光纤布置于工程构件，进行测量，因此，必须对光纤进行标定。标定后的光纤，其频移与相应的温度或应变有一个明确的换算系数，单位是Hz/℃，以及Hz/?ε.

为了标定光纤，我们制作了专用标定台。由钢质简支梁组成，采用砝码做四点弯曲加载，因此中段是纯弯曲段。梁的弹性模量、尺寸已知，因此可以在理论上确定弯曲应变、应力。在纯弯曲段贴应变片，测试应变值作为校验。由于本次试验目的在于检验标定方法和标定方案的合理性，采用一段已经标定过的光纤做实验，其标定值为0.051MHz/?ε，本文不做应变片以及砝码载荷下理论应变的校验分析。

2. 试验材料和仪器

此次试验同时标定的光纤有：（1）裸光纤；（2）普通紧套光纤；（3）铠装紧套光纤。

三组光纤稍微预张拉后分别粘贴在钢梁的下侧即受拉一侧，三条光纤线路分别连接好（激光笔测试光路通畅），各自编号，各自线路上对应的待测纯弯段距离范围量测准确后，即开始测试。

测试仪器为日本 NBX6050分布式光纤监测仪。图1是实验装置。

图1 实验装置

3. 测试结果及数据分析

本文仅分析裸光纤的标定结果，另两组光纤的标定，数据处理较复杂，将另文发表。

实验过程包括加载砝码、运用光纤监测仪发出激光、读取散射光、分析频移得出数据。数字化的数据以电脑文件形式保存。图2是由数据画出的裸光纤的测量曲线。其中中段是纯弯曲段的响应，两侧有非纯弯曲段以及光纤引线的响应。

图2 裸光纤应变曲线

根据数字化的数据文件，数据导入excel绘制散点图并拟合线性直线

得出结果见表1. 拟合的直线见图3。根据直线方程，可以知道其标定系数。

表1 拟合直线的数据

图3 拟合的线性度及其斜率

拟合线性方程式表明裸光纤的标定值在0.0508-0.0514MHZ/?ε之间。与名义标定值符合较好，也符合一般光纤的平均特性。

4. 结论

通过使用标定台，对光纤进行试验性标定，确认名义应变系数为0.051的光纤，其标定系数在0.0508-0.0514MHZ/?ε之间。标定的最大相对误差为0.78%. 研究表明，这种标定台性能较好，标定方法合理。

本次试验还有很多其他数据待分析，将另外撰文发表。

参考文献

[1] 史彦新. 分布式光纤应变监测系统研究[D].中国地质大学（北京）硕士学位论文，2010.

[2] 王 静.光纤光栅多参数传感理论技术研究及在地下工程灾害监测中的应用[D].山东大学博士学位论文，2010.

[3] Tarun Kumar Gangopadhyay， Mousumi Majumder， Ashim Kumar Chakraborty， Asok Kumar Dikshit， and DiPak Kumar Bhattacharya. Fiber Bragg Grating Strain Sensor and Study of Its Packaging Material for Use in Critical Analysis on Steel Structure. Sensors and Actuators A， 2009，150：78～86.

[4] Jun hong Ng， Xiaoqun Zhou， Xiufeng Yang and Jian zhong Hao. A Simple Temperatue-Insensitive Fiber Bragg Grating Displacement Sensor， Optics Communications， 2007， 273：398～401.

[5] 陈朋超. 长输管道安全预警系统若干关键技术研究[D].天津大学硕士学位论文，2009.

[6] 何建平. 全尺度光纤布里渊分布式监测技术及其在土木工程的应用[D].哈尔滨工业大学博士学位论文，2010.

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多传感器融合技术可类比于人类逻辑系统中自然实现的基本功能，是用机器实现人类由感知到认知过程的模仿。在人类对客观事物的认知过程中，首先使用来自人体中的传感器（眼、耳、鼻、皮肤等）通过听、嗅、视、触、味五觉对客观事物信息（景物、声音、气味等）进行多方位、多种类的感知，从中获得大量冗余和互补的信息。然后根据人脑的先验知识去对这些信息进行相关分析与处理，进而估计、理解周围环境和正在发生的事件，获得对客观事物统一与和谐的理解与认识。这就是人的复杂的，同时也是自适应的认知过程。人类的感官由于具有各自不同的度量特征可以在不同空间范围内对各种事件进行反应。人脑把各种信息（图像、声音、气味、形貌、上下文等）转换成对事物有价值的一致性解释，需要大量不同的智能处理，以及适用于解释组合信息含义的知识库。

传感器可以类比于人的感知器官：通过不同的原理对自然界的光、热、声、磁等信号进行捕捉，由换能器将其转换成电信号，再数字化后经通讯系统传递给计算机进行处理。单传感器系统只能从单个度量维度获得片面的、局部的特征信息，信息量十分有限。同时单个传感器本身的累计误差对系统造成的影响也无法消除。[2]因此，想要获得对事物的一致性准确解释，单一传感器系统力有不足。

多传感器融合技术把多个不同种类的传感器集中于同一个感知系统中，将各个传感器来的数据进行数据融合，形成对[( dylw.NEt) 专业提供专业论文写作和发表教育论文的服务,欢迎光临]被测事物更准确认识。它出现在20世纪70年代初期，最早应用于军事领域，后于20世纪80年展起来。近年来随着计算技术、遥感技术、通讯技术以及微电子制造业的迅猛发展，多传感器信息融合技术成为了一个热门的研究方向，获得了更广泛的应用。例如，在人机交互领域，要实现人机交互所追求的最终目标“自然人机交互”，对于人、环境的解读尤为重要，[3]这正是多传感器融合技术的优势所在。

2 多传感器融合系统的基本组成及技术原理

多传感器融合技术，虽然没有一个严格的定义，但可以基本概括为： （1）充分利用多传感器数据资源（来自不同时/空范围）。 （2）在一定的规则下对多传感器所得检测数据进行综合分析。 （3）获得一致性解释并根据所设算法实现相应的决策或估计，实现整个系统获得比各单传感器更加充分的信息。[4]多传感器融合系统一般由如图1所示的三个部分组成：传感器部分（包括数据获取及预处理）、数据融合部分、结果输出部分。

多传感器融合系统就像一个为了实现“对被测对象的一致性解释或描述”而有机装配而成的整体，可类比于人的身、脑综合信息处理系统。其中多传感器系统是整个系统获取数据的硬件基础和手段，所得多源信息成为数据融合的对象；融合是指对数据的协调优化和综合处理，也是联系整个系统的核心。它无法用单一的技术来解决，而是多种跨学科技术、理论的综合。

多传感器融合系统同单传感器系统相比，其系统的复杂性大大增加的同时从自然界所获得的信息量也成倍增长。多个传感器的存在从时间和空间的角度都扩展了信息获取的覆盖范围，[5]而传感器之间的协同作业则提高了信息获取的概率，对于某个传感器不能顾及的检测对象，可由其他传感器完成工作。在某个传感器出现故障、受干扰或不可用的情况下，系统仍有其他传感器可以提供信息，不易受到破坏。

各传感器在信息融合系统中所得的数据、信息具有不同的特征，可以是实时/非实时，快变/缓变，模糊/确定，相互支持/互补，相互矛盾/竞争等等。在系统中，这些复杂的数据不是孤立而是融合的，所得最终信息并不是各传感器信息的简单加和，需要根据各传感器之间的逻辑关系依据智能算法进行联合、相关、组合推导出更多的信息。利用多个传感器协同作业的多传感器融合相比由它的各个传感器分别构成单独系统再加和而成的系统集更有优势。

3 多传感器融合技术在公共艺术设计中的应用

利用多传感器融合技术进行公共艺术设计，将前沿科技与传统艺术方式集成在一起，是一种全新的尝试。从字面意思的理解来看，公共艺术分为公共和艺术两个独立的定义，可以理解为：具有“公共性”含义的艺术形式。其界定的核心原则就是“公共性”。“公共”就意味着公共艺术作品必须是能与民众产生自由交流的一种艺术形式，要以公众自主、自由参与到公共艺术中为前提，任何缺少与民众之间自由评论和互动的艺术形式都不是公共艺术。[6]因此，公共艺术不能仅仅是“艺术家创作”的艺术，而是一种“公共互动”的艺术。如何让公众自主自由参与到艺术作品中，形成真正的“公共艺术”是艺术家们亟待解决的重要问题。完整的公共艺术作品必须是“表达”与“吸收”经互动过程的完整呈现。“吸收”的是来自公众的思想，由公众的行为进行表达，通过互动产生交流。因此，艺术家们需要考虑的一个重要问题是，如何由公众的行为导向公众思想的表达，形成有效的交互。在日本艺术家草间弥生（Yayoi Kusama）创造的作品The Obliteration Room中，草间弥生构建了一个纯白色的房间，每个参观者都将被发放一张彩色波点贴纸，参观者可以根据喜好将贴纸贴在房间中的任意位置。空间中的每一个彩色波点都是参观者对此次参观经历的一种表达。[7]

从参观者的行为、思想的角度进行考虑，人类对于思想的表达具有多样性，有显 式的主动动作、行为、语言等等，也有隐式的如表情、眼动、甚至气味及生化物质（如唾液、汗液、荷尔蒙等）的分泌。传统的艺术作品（如图2例）[( dylw.NEt) 专业提供专业论文写作和发表教育论文的服务,欢迎光临]主要是从公众显式的主动作为中获得表达形成交互，所受限制较大，参与门槛较高。将多传感器融合系统应用于公共艺术，首先拓宽了公众思想的行为来源，降低了公众参与的门槛。目前，在国内外已出现了一些基于单传感器的公共艺术作品，但单传感器的单一数据来源、不可靠、易受干扰、不稳定等技术局限性使其发展受到限制。随着先进传感技术的飞跃，除了人类的主要信息来源声音、光、力等自然信号之外，甚至在人传感器力所不及的范畴如红外、紫外等非可见光区域，次/超声波区域，非挥发性痕量生化物质等，我们也能够通过先进传感技术获得所需要的信息。通过多传感器融合技术所带来的巨大优势，科技比人类更懂得人类已经不再是梦想。将多传感器融合系统应用于公共艺术，降低了公众参与公共艺术的阈值。多传感器融合系统对于公众行为的捕捉不是被动的，而是主动地感知公众的行为，将公众“拉”入参与公共艺术的行为中，为公共艺术的设计提供了一种崭新的思路。

以城市中某广场为例，在人们进入广场时，形成参观经历。假设给每个人分发一张彩色波点纸，通过张贴彩色波点纸的显示行为进行表达，即形成类似草间弥生洁净之屋的效果。在没有彩色波点纸的情况下，人们对其参观经历产生隐式的表达。例如，不同的面部表情、走路的步长、速度、方向等等。公众的这些隐式表达可以使用多传感器融合系统进行捕捉。使用彩色数字投影代替彩色波点纸，每一种颜色对应多传感器融合系统所得到的一致性结论。例如，红色对应热情、绿色对应平静、不同程度的黑色对应一些负面情绪如沮丧等，形成交互。此例的多传感器融合系统中，使用摄像装置及压力感应装置对人群进行检测，即通过摄像装置对公众面部表情进行捕捉、压力传感器对公众步态进行捕捉。二类传感器所得数据需进行时间、空间二个层面的融合。时间融合主要是将单传感器的数据进行融合，是指对不同时间点的检测数据进行融合。空间融合适用于多传感器所得信息的一次融合处理，是指对不同位置、类型传感器在同一时刻的检测数据进行融合。在融合过程中，需要结合图像识别技术、步态分析对公众的面部表情、步态行为进行特征数据提取、分析，从而得出对该参与个体的一致性结论，并根据设计需求予以分类。此处可分为热情、平静、沮丧等类别，每一个类别对应于一种颜色，由数字投影进行表达。该“波点”设计的简单模型如图3所示。

随着多传感器融合系统中传感器数量、种类的不断增加，可根据归属将公共艺术装置中使用的传感器分为两类：第一类传感器从属于装置艺术本身，由艺术家根据艺术表达的需求进行设计安装。第二类传感器从属于公众，来自公众随身携带的电子设备，艺术装置提供数据接口，从中获取数据。二类传感器协同作业，通过融合中心进行数据融合，得到全方位多角度的“立体信息”。将多传感器融合系统应用于公共艺术装置，是实现公共艺术公共性的有力保障。

从设计目的的层面考虑，根据马斯洛的理论，将人的需求由低级层次到高级层次依次分为5个层次：生理、安全、社会、尊重以及自我实现。公共艺术的实质就是满足人的真正需求，而不是公共艺术装置的物质形态本身。多传感器融合系统对所得多元数据进行多种层次上的融合，实现对人脑综合信息处理的高级模仿，深刻挖掘公众[( dylw.NEt) 专业提供专业论文写作和发表教育论文的服务,欢迎光临]表面行为背后的含义，帮助艺术家们分析、理解、满足公众的真正需求。随着分布式计算、通讯、云计算、物联网等技术与多传感器数据融合技术的共进发展，多传感器数据融合技术所能实现的功能也越来越强大。可以预见，随着数字化进程的进一步深入，多传感器融合技术与公共艺术的结合必将带给我们更多的惊喜。

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[中图分类号]G40―057

[文献标识码]A

[论文编号]1009―8097(2009)13―0307―02

引言

高等学校是培养高素质创新人才的基地，如何培养出培养高层次高素质技能型人才以满足社会需要，已经成为当代高校教育的核心问题。实验教学是高等院校教学体系的重要组成部分，是实现素质教育和创新人才培养目标的重要教学环节，相对理论教学，更具有直观性、实践性、综合性、探索性和启发性，对启迪学生的思维，加强学生对理论知识的理解，培养学生掌握科学的实验方法与技能。提高学生综合素质、动手能力与创新能力起着关键性的作用。传感器技术是一门实践性很强的学科，其教学过程中实践教学环节的重要性也就尤为突出。

一　传感技术实验教学现状

近年来随着社会发展对人才要求的进一步提高，实验教学工作已越来越引起人们的普遍关注，但是其现状仍不乐观。《传感器技术》作为自动化、测控技术及仪器等专业的一门专业基础课，其实验教学环节仍然存在如下现象：实验教学模式仍是应试教育模式，比如实验教学本身没有完全摆脱以验证理论为主、学生“照着做”的实验模式；长期的应试教育，养成了学生重视理论课学习而轻视实验课学习，学生对实验课是敷衍了事。整个实验过程中学生处在一种被动盲目的状态，学生只动手而很少动脑，缺少参与实验的主动性和积极性。实验教学方法方面，注重程序化训练模式多，发挥学生主动性不够；重知识传授多，培养学生动手操作力不够；注重灌输式教学方法多，采用启发式、研讨式教学方法少。实验教学内容方面，偏重于传统验证性实验，内容单一、陈旧，方式单调枯燥，学生对综合性、设计性实验的兴趣和动手能力没有得到提高；学生的创新心理得不到满足，创造能力得不到培养，个性得不到充分发挥。另外实验仪器设备条件相对比较薄弱，可能也是学生不重视实验课的原因之一。正是此类种种原因使得实验教学没有达到其真正目的，根据我校检测技术实验室现状提出一点个人见解，旨在提高学生的动手能力，培养创新型人才。

二　传感技术实验教学改革探讨

1　提高学生对实验课重要性的认识

要搞好实验教学和改革，必须要转变理论教学高于实践教学的这种轻视实验教学的传统思想观念。教学效果优秀与否在于教师，而学生的学习效果在很大程度上取决于他们对这门课程的重视程度。通常情况下，学生认为实验课是理论教学的辅助和补充，因此对其不够重视，导致实验做完后只是学会了一些简单的操作和仪器的基本使用方法，而忽略了实验过程中对问题的的分析和解决。所以必须提高学生对实验课的重视程度，变被动学习为主动学习，培养调动学生的积极性，最终实现学生自主创新能力的培养与提高。针对这些问题，我们将实验学时列入计划学时之内，并且体现在教学课表中，使实验教学与理论教学同步，且实验成绩作为该课程成绩的一部分：在采取了这些措施之后，学生对实验课程的重视程度有了明显的提高。

2　加强对实验课的考核

学生最关心的就是成绩，因此成绩评定方式对于实验教学十分重要，要充分利用这一特点来设计合理的考核方案，在达到考察目的的同时，使学生通过实验能够深入理解理论知识，进而培养学生的动手、创新能力，为此，我们设计了较为合理的实验成绩评定公式：实验总成绩=纪律成绩(30％)+操作成绩(40％)+报告成绩(30％)。成绩评定的重点在于学生是否理解并灵活应用了所学知识，同时鼓励创新思想和创新实践过程，而不仅仅是实验结果的正确与否。成绩评定重视实验数据的处理过程而不仅仅是实验报告的形式。另外，对于设计性实验，考核公式中的操作成绩以当面验收为考核依据，通过演示和口头介绍展示实验过程及实验结果。虽然在实验指导及考核过程中，指导教师的工作量有所增加，但这种约束体制有利于培养学生的动手及创新能力。

3　实验教学内容的改革

为了突出实践教学在培养学生应用意识与工程实践能力方面的作用，达到使学生消化理论、提高能力的目的，对传感技术的实验教学内容进行了一系列改革。

其一，保留一些基础验证性实验，如电阻应变、电涡流特性、光纤传感器特性实验等，使学生通过这些实验，理解传感器的基本原理和特性，消化并吸收理论教学内容。

其二，增加一些综合性实验，包括原理上的综合、方法上的综合以及传感器特性的综合；如利用电阻应变片设计数字电子秤，利用霍尔传感器设计测速电路等：也有方法上的综合，如可以利用多种传感器完成转速、位移、重量等被参数的测量。这类实验基本上都是在现有实验设备基础上能够完成的实验，目的是让学生在实验的过程中理解和吸收理论教学中的原理型知识，并加以简单应用。初学这门课程的学生对于这类实验很感兴趣，甚至由此对该课程产生好奇，极大的激发了学生深入探究传感器技术的欲望。

其三，开设一些简单的设计性实验，利用实验台上的某一部分，与学生自行设计的内容连接，来实现对某一信号的检测。如在直线霍尔式位移传感器实验中，让学生自己设计一个信号转换电路来替代实验台配套的处理模块，并将其测量的实验结果与原来的结果进行比较，分析差异的原因，并在其基础上进行改进。这类实验主要是一些设计量小、费时少、需要另加元件也较少的项目。目的是在加深理解理论教学中转换电路作用的同时，锻炼学生的实际动手与设计能力。

其四，开设综合设计型实验，该类实验项目主要是实验教师根据课程及实验大纲要求，设置情景，提供材料，提出问题，在此基础上，让学生通过分析问题、资料收集、理论验证，最后提出解决问题的方法；使学生进一步认识到传感器在控制过程中的实际作用，使其在解决问题中获取知识、应用知识，以培养其创新精神、提高其综合素质和实践能力。例如，针对目前家用天然气设备增多的同时，天然气安全隐患也随之增长的现象，让学生利用传感器设计一个简单的天然气安全报警器，要求实现的功能是检测空气中甲烷(CH4)浓度的含量(天然气主要成分是CH4，浓度介于4～16％时会发生爆炸)，当超出安全限时可以实现声光报警：设计中所必需的元器件由实验室提供。对于这类实验项目，需要学生自己查找资料设计天然气安全报警器的检测电路，并通过实验进行验证。在此实验过程中学生不仅领会了传感器的作用，还了解了传感器在生活中的应用，更重要的是锻炼了学生的动手和实践能力。再比如可以让学生自己制作一些小产品模型，如自动避障小车、恒温控制仪、湿度检测仪等与生活息息相关的各种小仪器，让学生在做实验的同时，也真正的体

会到传感技术在生活中的无处不在。通过一届学生的试验我们发现学生对这类实验项目的兴趣非常高，而且有很多其他班级、年级的同学都期待能够早日步入检测技术实验室，来体验生活中的传感技术。因为实验学时所限。该类实验只局限在一些较简单的设计项目上，起到抛砖引玉的作用。

其五，研究型实验。研究型实验的目的是培养学生独立分析问题、解决问题的能力。对于该类实验，实验室提供进行开发的各种仪器设备，如计算机、示波器、仿真器、开发板、传感器等，学生自拟题目，自由组队，分工合作。在实验进行之前要求学生进行方案论证、可行性分析以及设计‘结果预期，由主要指导教师对报告进行审核，通过后学生方可进入实验阶段，在实验过程中指导老师及实验室老师应给予必要的技术指导。实验结束后由主要完成人并提交实验报告及相关研究论文，并进行汇报。该类实验项目设为全校公开实验项目，或定位为面向全校开放检测技术实验室。目前此项工作正在运行并计划长期坚持下去，我们期待它的成功，并坚信一定能培养出具有更强竞争力的人才。

4　实验教学方法的改革

实验课是验证理论、应用理论以及锻炼学生动手能力的重要环节。在实验指导的方法上，应改变传统的灌入式实验教学方法，采用多种方式同步进行。例如：启发式教学方法，以问题为中心，让学生发现并提出问题，或教师提出问题，或师生共同提出问题，在此基础上，通过分析、资料证明、理论验证，提出解决问题的方法，让学生在问题的提出与解决中获取知识、应用知识，培养创新精神和实践能力：实验探讨教学模式，主要是教师和学生共同设置实验目的，讨论实验要求，分析实验对象、条件，预测实验结果，让学生手、眼、脑并用，广泛参与实验操作，动手实验，观察实验，记载实验，分析实验等。对于实验指导方法要因人而异。有时还要具体问题具体分析。

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1.引言

近年来，港口大型设备事故时有发生，靠传统检测很难及时、全面发现故障发生的预兆及发展趋势。而起重机械事故通常具有不确定性和不可预见性，其造成的结果却是极其严重的。目前，我国大部分港口普遍缺乏一套行之有效地实时监测和评估港口大型设备的技术和方法。若不能及时、准确地获取港口大型设备真实的状态信息，则会给设备运行留下安全隐患。随着经济的飞速发展、货运量的大幅增加，确保港口机械设备的技术性能状态经常处于良好状态，实现实时监测，避免突发性故障的发生是亟待解决的问题。

2.港口大型设备检测存在的问题

通过调研分析，当前港口大型设备在安全管理上主要有以下几个问题。

（1）部分港口缺乏先进的检测手段、方法及设备，对港口大型设备的维护主要以日常检测为主，不能实时、准确地反映设备的实际状况。

（2）各港口的检测人员检测技术水平不一，对关键的失效模式并不能进行准确地判别，检测和诊断则缺乏较强的针对性。

（3）港口现场作业繁忙、环境恶劣，不停机检测和检测数据的传输存在很大的困难。且设备运行状况相关数据大量流失，对设备的健康状况诊断数据匮乏。

（4）港口大型设备缺乏有效的在线实时监测设备、系统及安全评估系统。

以上问题已成为港口大型设备安全、可靠运行的潜在隐患。因此，迫切需要一种能及时发现危险源的实时监测技术来解决这些难题，及早发现缺陷并判断缺陷是否具有危险性，以使能及时维修处理，避免起重机事故的产生。

3.港口大型设备安全监测技术研究

目前，针对港口大型设备检测的常规办法主要有目测、射线检测、磁粉探伤检测和超声波检测等方法。以上检测方法具有很大的局限性。首先，结构表面去漆，不仅耗时长，且对于不规则的构件表面检测比较困难，对人的操作技术水平要求较高，但效率较低。第二，射线检测对人的身体有害，检测时必须有很严格的保护措施。第三，起重设备检测属于高空作业，存在一定的难度，且检测的范围有一定的局限。第四，目测等方法很容易引入主观误差。基于以上原因，一般性检测手段对于港口重大设备的缺陷诊断，误判、漏判很难避免，且不能实时准确反映在役设备的真实状况，对于设备运行将留下安全隐患。

随着科技和工业的发展，国外较早地开展了起重设备的在线监测与诊断研究，将成果应用到实际，并取得显著的经济效益。近年来，国内对于港口起重设备在线监测技术的研究也向多方面进行了拓展。

3. 1港口大型设备安全监测技术

3.1.1基于电阻应变技术的无线应力在线监测系统

电阻应变技术是通过电阻丝应变与电阻变化的对应关系来获得被测件在贴有应变计处的结构应变值，从而实现对结构的检测。该方法技术成熟，成本较低，不会对待测构件造成损伤。当前国内学者开展了无线应力在线监测系统的研究。无线应力在线监测系统是借助遥测技术获取结构受力部位的应力信息，并实时传输到监测设备，以达到实时了解起重机结构受力状态的一种起重机实时监测系统。此技术中应力的采集多采用电阻应变技术。电阻应变片其耐蚀性、耐湿性、耐久性差，环境适应性差，难以实现在线监测系统对起重机长期监测的目的。此外，该在线监测系统在干扰因素过多，传输距离较大的情况下，无法保证数据能够安全无误传输。

3.1.2声发射技术

声发射技术，它是以瞬态应力波的形式迅速释放其内部积累的应变能的过程，可准确捕捉活动裂纹的位置。声发射技术用仪器探测、记录、分析声发射信号，并利用声发射信号对声发射源的状态做出正确判断。声发射技术具有动态、实时、整体和连续等特点，对结构的形状、尺寸不敏感，可以对大型结构进行大面积的检测。它能够在线检测、监测活性缺陷。对于受力情况复杂的起重机金属结构，它比超声波、磁粉检测效果更好、更真实，同时也可以减少检验中不必要的停机。声发射技术可以弥补常规无损检测方法的不足，实现结构状态的整体监测，为有效地安全监测提供准确的依据。

声发射技术不能提供被测件的静态缺陷。在实际中，由于大型起重机械工作环境比较恶劣，噪声非常大，而声发射信号却非常微弱，声发射信号则很容易被噪声湮没，实际测得的声发射信号将含有较多电气、机械噪声，在实际的工程应用中声发射监测效果并不太理想。

3.1.3光纤光栅传感技术

光纤传感技术是一种以光波为载体，光纤为媒质，感知和测量被测量信号的新型传感技术。光纤光栅传感技术的优点是抗干扰性强，不受电磁、噪声影响；灵敏度、可靠性高；能串接复用，可实现分布式监测；耐久性好，动态响应快，信息传输远，信号长距离传输不需要专门的调节，可满足长期健康监测的要求。但传感器、检测仪等设备成本相对较高，且光纤传感器对温度同样敏感，在实际应用中需要采取相应的温度补偿措施。光纤光栅传感技术目前多用于桥梁结构安全监测。

3.1.4数字图形图像处理技术

数字图形图像处理技术是通过将采集到的图像信息转化为数字信息，并利用计算机进行除噪、增强、复原、分割、提取等处理的方法与技术。基于数字图像处理技术的监测方法是一种新型的非接触式监测方法。基于数字图形图像处理技术的监测系统与光纤传感技术等监测技术相比，成本较低。它是一种实时的、高精度的、远距离的、能进行结构静动态位移监测的监测方法。该方法不伤及被测物，不干扰被测物自然状态，且可瞬时获取被测物体大量物理信息和几何信息。基于数字图像处理技术的监测方法对于拍摄环境要求较高。基于数字图像处理技术的监测方法现多用于桥梁、坡道等相对简单的结构。起重设备工作环境复杂，利用照相机技术在无线网络传输速度低的情况下不易满足起重设备监测的需求。利用数字摄影测量技术进行自动实时监测将是今后钢结构安全监测的发展趋势。

3.2港口大型设备监测管理

对监测得到的数据进行详细的分析，若分析得到异常数据，应对用户及时发出警告并寻找产生异常的原因，通过检修维护，排除异常，以达到消除事故隐患的目的，实现安全监控与起重机正常作业同时进行。使用监测系统还可以积累大量史数据，当起重机出现故障，可以为维修人员查找故障提供依据，在故障发生之前做出预报，减少事故发生的概率和损失，提高起重机的安全性和可靠性。

4.结束语

本文充分比较了各种港口大型设备安全监测技术的应用特点及技术特性，为港口企业和相关科研单位提供参考。开展港口大型设备安全监测技术研究，开发起重设备安全在线监测系统，对于港口相关部门及时掌握港口在役设备的运行状况，防止起重事故的发生具有重要的意义。

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一、虚拟现实技术的概述

虚拟现实（VirtualReality，简称VR技术），又称灵境技术，是以浸没感、交互性和感知性为基本特征的计算机高级人机界面[1]。虚拟现实系统的核心设备仍然是计算机，即通过计算机图形构成的三维数字模型，以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器(HMD)、数据手套等辅助传感设备，给用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用者可以直接观察、操作、触摸、检测周围环境及事物的内在变化，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，使人和计算机很好地“融为一体”，给人一种“身临其境”的逼真性，而且能够突破空间、时间以及其他客观限制，感受到真实世界中无法亲身经历的体验。

作为尖端科技，虚拟现实综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和传感技术的最新发展成果，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。虚拟现实技术的应用前景十分广阔，已广泛应用于工业、模拟军事演习、工程、教育、医学、字化酒店、商品展示、娱乐等领域，也同样适用于网络会展。

二、虚拟现实技术在会展业中的应用现状

随着迅速发展的虚拟现实技术与计算机多媒体展示技术的结合，在展览方面也不断涌现出一些结合虚拟现实技术的网络会展。如今国外的虚拟会展业已经十分成熟，如著名的德国汉诺威展，在网络上运用虚拟现实技术建立三维立体的展示系统；国外一些城市宣传也开始采用虚拟现实技术，如网上新加坡、虚拟庞贝古城、虚拟巴黎圣母院等，运用三维虚拟现实技术展示一些有价值的文物、展品和三维场景，使用户能够通过Internet远程连接去体验。

国内的虚拟会展目前还基本属于界面包装，主要通过二维平面静态地网页展示，如中国茶叶博览会，采用虚拟现实技术对茶具和茶文化进行网上浏览，还有虚拟现实环球网站（www．vwww．com）利用虚拟现实技术进行网上展销；再如武汉国际机电博览会，采用网上虚拟武博会和武博会同期开幕，未到展会现场的客户通过点击该网站，就可像亲赴现场一样，可在场馆内每一个展位前流连，任意观看各种产品，了解它们的性能和用途，甚至突破实际参观过程中的限制，深入了解展品的内部结构，浏览武博会的即时信息。

虚拟展览系统按其表现形式可分为三类：①运用图文声像以及环视图展示物品和场景。这类系统因表现形式的局限，不能更生动、更全面的展示。②单纯的三维场景展示，用户可以随意漫游，但只提供展览会的表面形式，不提供展览内容与展览场景的关联。③既提供三维场景，也提供实际展览内容，并与三维场景结合在一起[3]。

三、基于虚拟现实技术的网络会展发展的展望

在综合考虑现有技术条件及未来虚拟现实技术发展前景的情况下，网络会展的发展将会呈现出两种模式，即现阶段的实物会展+网络会展+电子商务模式和未来的实物会展+网络会展模式，具体理念如下：

（一）实物会展+网络会展+电子商务模式

网络会展作为会展业一种新的发展形势，有着广阔的发展前景。但目前网络会展还只是实物会展的补充和配角，网络会展只有作为实体展览的辅助，才能逐渐地被人们认识而发展起来。免费论文，虚拟现实技术。就目前情况而言，线上展会和线下展会二者可相互补充，二者有机融合会相得益彰的。当然双方会有部分重叠，但不可轻言取代，否则就是昏了头了，若干年后或许会的，但至少目前不会。因此，我们不能夸大网络技术的作用，基于传统会展的传统优势，传统会展仍然起着主导作用。免费论文，虚拟现实技术。同时，随着会展业的蓬勃发展，促进了电子商务技术向会展业的渗透，在某种程度上弥补了网络会展技术的不足，促进着网络会展的发展。

总之，在目前甚至今后相当长的一段时间内，我国会展将遵循实物会展+网络会展+电子商务模式，即充分利用电子商务技术大力发展网络会展，实物会展和网络会展并举，实物会展结束后，网络会展作为实物会展的延伸和补充，继续实行“永不落幕的会展”，并不断更新、丰富和完善，使实物会展和网络会展相互促进，共同发展壮大。

（二）实物会展+网络会展模式

由于网络展会的模式模糊和传统展会的主导地位，中国会展业进入网络时代还有很长的一段路要走。但从长远来看，网上会展前景不可限量，随着虚拟现实技术的进一步发展，必将成为现代展览业的重要组成部分，必将代替部分实物会展，从而实现实物会展和网络会展并存的局面，这是一种必然的趋势。免费论文，虚拟现实技术。免费论文，虚拟现实技术。因为网上会展有不受时空限制、节省展览交易成本等优势，很多商品和服务都适合在网上进行展览和销售。如网络图书展就有绝对优势，因为图书没有过多的质地的要求、尺寸的要求，在网上看到的这本书和书店买到的书几乎没有差别。另外，从目前网络交易的商品清单看，网络交易的对象正从数码产品迅速扩展到服装、电器、日用品、玩具、个人护理品等众多产品，而这些产品正是我国制造的优势所在，也是目前办展频率最高的产品。免费论文，虚拟现实技术。这些产品将来都可以作为网络会展展示的对象，市场前景好。免费论文，虚拟现实技术。

此外，会展业的发展与土地资源供给瓶颈的矛盾已见端倪。政府不可能无止境的耗费大量土地进行场馆建设，同时场馆建设投入大、周期长、风险大，而在互联网上建立虚拟展馆，举办网络展览却可以节省大量时间和金钱，大大提高展会的效益。可见，我们既要看到目前实物会展的优势，也要前瞻性的看到网络会展的优势，尤其是网络会展的后发优势和趋势，为大力发展网络会展，共创低碳会展经济做好一切准备。

参考文献

[1]刘伟.基于虚拟现实技术的企业展项的设计[J].现代电子技术，2009（24）：49.

[2]许亚丹，王野.网络会展的传播与经济比较[J].当代传播，2006（5）：66.

篇12

微电子技术和传感器已经成为二十一世纪信息社会的重要标志。随着激光传感器的广泛应用及新型光电扫描与光电探测技术的不断提高，工业、农业、家庭、军事、医学等应用领域的传统方法得到了改善。激光传感可控型水龙头将激光位移传感器与电子信号处理技术结合，应用在了水资源节约领域。市场上的传统插卡式热水龙头在使用时难以估定水瓶内的水位，存在着极大的安全隐患和水资源浪费问题。该项日利用激光位移传感技术检测并定位水的高度，经过数字信号处理器将信号反馈到电子电路，自动切断电源。和传统插卡式热水龙头相比，基于激光位移传感器的可控节约型水龙头具有测量精度高、可靠性好、非接触、自动化、安全等突出优点，有极重要的现实和环保意义。在前期的推广中，这项技术先应用于学校水房保温瓶水位的测试。随着后期技术的成熟和市场的开发，可推广向工厂水箱水位测定等更广的领域，发挥更大的经济和应用价值。

一、激光位移传感器的研究现状

现今光电技术的发展、微机的控制、数据的处理及PSD、CCD、四象限位移探测器的改善，使传统的三角测量法有了广泛的应用。具体包括质量的检测、设备的维护、机械和生产自动化、流程和设备的监控等各个领域。

目前在国内，激光位移传感的主要应用包括：对灵敏度和精确度的分析，如何提高其使用范围以及位移、角度、同轴度的非接触测量和校准领域。不过，我国对激光位移传感器的研究仍处于实验阶段。国外很多专家对其做了大量的研究并取得成果。西班牙的研究者在三角激光位移传感器的系统中，发现周围的杂光对测量的精度有影响，并给出了相应的消除方法。目前，国内外有很多这样的产品，广泛地应用在军事技术、航空航天、检测技术等诸多领域。美国研制出红外测温传感器，使其在恶劣的环境下仍能测量出飞行器各部分的温度；城市的交通管理也运用红外光电传感器进行路段事故检测和故障排除的指挥。总体来说，国外传感器的测量范围大，线性度好，分辨率高，稳定性好。国内对激光位移传感器的研究虽不及一些欧美国家，但是却在研究的种类上屡创新奇。

二、激光三角测量技术的原理

激光三角测量法是指从光源发射一束光线到被测物体表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置，成像位移和实际位移存在一定的换算关系，通过这个关系式可以计算出被测物体表面的实际位移。由于入射光和反射光构成一个三角形光路，因此被称为三角测量法。按照入射光线与被测物表面法线的关系，可分为直射式和斜射式。本项研究采用的是直射式激光三角测量法。

如图l所示，激光发射器发射出一束光线到热水瓶水面形成光斑，光线在表面发生反射后，从另一个方向通过成像透镜，光斑成像在CCD位置传感器上。随着热水瓶水面高度的变化，反射光的角度在发生变化，光斑成像也随之发生位移。设光斑在CCD成像面上相对位移为X’，被测表面（即水面高度）的实际位移为X，则两者关系如下式：

在传感器的选择上，本项研究选用的是CCD激光位移传感器。目前应用于激光三角法测距的光接收元件包括：CCD（Charge-c.oupled Device，光电耦合器件）和PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感元件）。PSD是基于横向光电效应来实现光能、位置的转换，CCD是一种新型光电转化元件，主要由光敏单元、信号输入单元和信号输出单元组成。CCD以电荷作为信号，实现电荷的存储、转移和检测。与PSD相比，CCD具有轻便、体积小、耗能小、精度高、稳定性好、时效性高等特点。基于上述考虑，最终选定了CCD激光位移传感器。

三、基于激光位移传感器的可控型水龙头系统结构

本项目研究的激光位移传感器硬件系统包括：激光电源、半导体激光器、线阵CCD驱动电路、输出信号的处理系统、单片机测量系统和水龙头阀门控制系统。如图2所示为激光位移传感器的可控型水龙头系统的总框图。

3.1 光源的选择

激光器有很多种：气体激光器、固体激光器、半导体激光器等，气体激光器单色性和方向性好，但体积和重量大，需要外部高压电源，不易安装在小型光学测头上。半导体激光器具有超小型、高效率、电压低、电能转换率高、便于安装等优点。激光光束在传播中存在散射，当测量目标越远，光能量分布不均匀，从而导致误差出现，半导体激光位移传感器可以进行体积小的短距离测量。

3.2 线阵CCD驱动电路

目前，应用于激光三角测距系统的光接受元件主要有两种：CCD――光电耦合器件和PSD――位置敏感元件。本测距系统设计中采用精度高、稳定性好的光电耦合器件CCD作为光电探测器，根据被测物体的移动距离，间接进行测量。

3.3 输出信号的处理系统

图像采集后，CCD输出的信号叠加了较大的干扰噪声，所以要先经过预处理电路后在进行二值化处理。预处理即是将CCD输出进行前置放大后进行滤波处理，放大电路将微弱的信号放大同时干扰的噪声信号也得到了放大。

所以经过低通滤波器将放大电路处理后信号中的高频成分滤除，常用低通滤波器包括：三角滤波法、高斯低通滤波器、中值滤波器等不。最后将输出的信号送入电压比较器进行二值化处理得到稳定的数字信号。最后将数字信号送到单片机系统进行脉冲计数就能得到像点位置信息。系统将计算后的结果显示在显示器界面上。

3.4 水龙头阀门控制系统

在理想条件下，热水瓶的高度为H，由上述系统测出水面高度为X，当x的值接近L时，系统通过反馈电路来控制水龙头的阀门。

四、结束语

激光三角法采用非接触测量，以其实时性强、精度高、对被测物体表面没有特殊要求等优点得以广泛应用，本论文利用直射式激光三角法，对系统的结构参数和所选器件做出了合理的设计和选择。论文的主要工作包括以下几个方面：

（1）通过对激光测距系统在国内外的发展现状研究，并结合本系统情况，确定了本系统的测量原理。

（2）数据采集：令热水瓶的高度是定值H，从光源发射一束激光到被测物体（上升水面）表面，在另一方向通过成像观察反射光点的位置。通过线阵CCD对光电信号进行采集，从而计算出水面到瓶口的距离X。

（3）信号处理将采集到的数据经过滤波放大电路处理，然后将输出的结果由模拟信号转化为数字信号，最后将信号送人单片机系统。

（4）数据结果输出：通过单片机的计算被测物体的位移量，当X-H趋近于零时，将其距离显示在显示器界面上，通过电路控制水龙头阀门的关闭。