工业中的多传感器系统
日期：2008-6-30 23:55:58 来源：本站整理
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现代自动化技术中，检测技术的发展日新月异，传感器的不断升级和数据处理技术的革新，使自动化的智能性不断提升。
很多场合中，单一的传感器不能满足或完全满足生产需要。在设备中的某些关键位置，很多时候需要多传感器系统。多传感器系统相比单传感器而言具有其自身的很多优势，在工业中已经广泛使用该技术。
多传感器融合指充分利用不同时间与空间的多传感器数据资源，采用计算机技术对按时间序列获得的多传感器观测数据，在一定准则下进行分析综合、支配和使用，使得对被测对象的一致性解释与描述，进而实现相应的决策和估计，使系统获得比它的各组成部分更充分的信念。
这里，我们不讨论融合技术中所涉及的计算机算法问题，因为目前工业领域所涉及的算法多种多样，主要以卡尔曼法、贝叶斯法、D-S法和人工神经智能法为最经典的方法。当然在军事领域中，算法更加多样。我们针对多传感器融合技术，只讨论一下常见的硬件应用问题。
多传感器的优点
增加可靠度：比一个传感器确认一个目标的可靠度更高
减少模糊度：由多个传感器结合而得到的信息，对观测目标假定的信息要大大减少
改善检测效果：针对同一对象所建立的多传感器系统，相比单传感器而言，抗噪声的能力大大提升。
增加鲁棒性：当其他传感器失灵、不起作用或失效时，即使有一个可以工作，依然可以获得检测信息。
减少成本：多个“普通”的传感器在一起时，可以达到和一个高精度、高可靠性传感器一样的检测结果，而成本大大降低。
多传感器的应用领域
军事：智能武器
车辆指引
遥控侦查
战场侦查
自动化的威胁识别系统
非军事：自动化加工系统的检测
复杂机械系统的维护
机器人技术
医疗设备应用
在了解多传感器系统之前，我们再来看一看传感器的一些基本知识。
传感器分类
1．行业分类：
过程测量 温度 压力 流量 液位
物理测量 位移 速度 加速度 位置 力
生物传感器和化学传感器
2．类型分类：
电阻式传感器
电容式传感器
电感式传感器
电磁感应式传感器
超声波式传感器
光电式传感器
此外，任何一个传感器都具有静态特性和动态特性。在选型时，也是凭借以下特性进行的。
一．静态特性：
1． 准确度
指测量值与真值之间符合的程度。一般包括绝对误差和相对误差两种。通常情况下强调的是相对误差，相对误差=（测量值-真值）/真值*100%
2． 精度
值测量系统在同样测量条件下，对同一被测对象，每次测量所得结果的差异性。一般包括可重复精度和可复制精度。
注意：精度高不一定准确度就高可重复性、可复制性
3．灵敏度
指传感器性能曲线的斜率。
4．测量范围
指传感器所测量对象的物理特性的范围区间。
5．分辨率
指让输出产生最小变化的输入变化。通常，传感器上都有一个一字的调节旋钮，该旋钮就是用来调节分辨率。
6．线性度
指传感器特性曲线随输入变量的变化，其输出变量是否紧随输入变量的变化而改变。如果输入的变化是一条直线的话，通常传感器的特性曲线很难保持为一条直线，线性度即两条曲线之间的紧密程度。
7．不确定性
包括系统误差和随机误差。系统误差是由于测量时人为造成的，是可以修正的。而随机误差一般指不可控制的各种噪声。
在选型中，首要看准确度、精度、灵敏度和测量范围！
二．动态特性：
1．动态误差
指传感器在相同条件下测量同一对象，得到的结果不同。
2. 响应速度
指测量系统对输入变化的响应快慢。
传感器网络
在复习了传感器的基本知识后，我们来看一看多传感器系统的基本内容。
多传感器网络系统主要包括互补式系统、竞争式系统和合作式系统。灵活运用这三种多传感器系统不仅可以得到更加精确和可靠的测量信息，还可以大大降低成本。
互补式传感器系统
各个传感器相互补充，它们并不是相互间直接依赖，但是它们相互结合在一起可以得到更加完整的检测信息。也可以说，每个传感器只能针对被测对象检测出部分信息，结合在一起以后，便可得到被测对象的所有有效数据。
这种互补式系统类似传统的盲人摸象的原理，每个传感器只能检测到对象的某一部分特征，但结合起来便得到了完整的信息。在工业中，很多被测对象的特征比较复杂，很难用一个传感器检测到该对象的所有特征，或需要一个非常昂贵的传感器才能完成。但是往往我们选用几个很普通、很便宜的传感器共同作用的话，一样可以完成检测工作。
比如，检测一个工件时，如果工件是具有一定准确高度的、金属的工件，单独的一个传感器很难同时完成高度和材质的检测，但是如果选用一个电感式传感器和一个能够检查高度的传感器后（如光电传感器或电容传感器），通过两个传感器的共同作用，便可检测出工件的类型。 再比如在军事中，如果侦察某个地区的区域特征的话，一个雷达的覆盖面有限，或许需要四个雷达才可以覆盖整个地区，那么这四个雷达共同作用便构成了一个互补式传感器系统。
竞争式传感器系统
每个传感器针对同一被测对象，独立地提供检测信息。
在竞争式传感器系统中，各个传感器的功能相似，都可以独立完成对被测对象的检测任务并提供有效数据。之所以要使竞争系统，是因为很多情况下，我们需要得到被测对象的准确参数，而任何传感器都存在动态误差，会影响我们判断被测对象的瞬时特征。换句话说，如果我们要在瞬时下得到被测对象的参数，而由于传感器的动态误差的存在，难以满足我们的需求。如果在相同条件下，使用多个传感器同时测量，通常各个传感器得到的数据不完全相同，那么我们可以用滤波的方法得到相对准确的参数，数据的可靠性大大提高。
竞争式传感器系统的最大特点就是冗余可靠性高，当一个传感器无法提供可靠的信息时，可以采用竞争式传感器系统。比如，当我们要测量一个被测对象的温度时，在使用单一传感器时温度是17度。若使用三个同样的传感器测量结果分别是15、16和17，那么根据平均值法会取最终的结果为16度。按照概率论的原理，16度的结果一定比17度更加可靠。
注意，在使用该系统时，一般选用多个相同类型的传感器，在成本上往往大于单一传感器，但是如果想得到高可靠性的被测数据，只能使用竞争式系统。它与互补式系统不同之处在于，互补式系统多用于检测被测对象的基本物理属性，而竞争系统多是为了得到被测对象某个属性的准确数据。
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传感器分类
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1．行业分类：
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物理测量 位移 速度 加速度 位置 力
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生物传感器和化学传感器
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2．类型分类：
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电阻式传感器
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光电式传感器
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此外，任何一个传感器都具有静态特性和动态特性。在选型时，也是凭借以下特性进行的。
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一．静态特性：
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1． 准确度
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2． 精度
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5．分辨率
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6．线性度
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7．不确定性
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互补式传感器系统
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注意，在使用该系统时，一般选用多个相同类型的传感器，在成本上往往大于单一传感器，但是如果想得到高可靠性的被测数据，只能使用竞争式系统。它与互补式系统不同之处在于，互补式系统多用于检测被测对象的基本物理属性，而竞争系统多是为了得到被测对象某个属性的准确数据。
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