智能設(shè)備數(shù)字孿生應(yīng)用 課件 9、數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)-傳感器應(yīng)用、性能指標(biāo)、發(fā)展趨勢

智能設(shè)備的數(shù)字孿生授課教師：卞化梅基礎(chǔ)技術(shù)：感知3.2知識回顧知識回顧：數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)由哪幾層組成？知識回顧1.數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)體2.數(shù)字孿生核心實(shí)體3.用戶實(shí)體4.跨域?qū)嶓w3.2基礎(chǔ)技術(shù)：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(chǔ)，由具有感知、識別、控制和執(zhí)行等功能的多種設(shè)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(yīng)器件以及感應(yīng)器組成的網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。3.2.1感知層概述3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知傳感器是一個功能塊，用來將外界的各種信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǔ)技術(shù)：感知網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的神經(jīng)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(jìn)行采集應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶之間的接口，它與具體的業(yè)務(wù)需求結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知敏感元件是直接感受和響應(yīng)被測量的與被測量之間有對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換元件能將敏感元件輸出的非電量轉(zhuǎn)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(gòu)成3.2基礎(chǔ)技術(shù)：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(guān)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(chǔ)技術(shù)：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(chǔ)技術(shù)：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(chǔ)技術(shù)：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(guān)傳感器。按輸出信號分類3.2基礎(chǔ)技術(shù)：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(xué)型傳感器、生物型傳感器；按其構(gòu)成可以分類分為基本型傳感器、組合型傳感器、應(yīng)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(xì)描述？）3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知傳感器的應(yīng)用領(lǐng)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(jī)械等行業(yè)中應(yīng)用，說明科技正在促進(jìn)不同行業(yè)的發(fā)展。（3）傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知傳感器在工業(yè)及能源管控的應(yīng)用01在石油、化工、電力、鋼鐵、機(jī)械等加工工業(yè)中，傳感器在各自的工作崗位中相關(guān)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(jī)處理等進(jìn)行反饋。3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知02傳感器在航天航空與遙感技術(shù)的應(yīng)用遙感技術(shù)是飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船以及船舶對遠(yuǎn)距離的大區(qū)域內(nèi)對物體進(jìn)行檢測的一門技術(shù)，可以通過紫外線、可見光、遠(yuǎn)紅外線、微波等傳感器進(jìn)行檢測。對船舶可以采用超聲波傳感器進(jìn)行水下觀測，對探測礦產(chǎn)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(jìn)行測量。3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知03傳感器在交通安全駕駛方面的應(yīng)用傳感器還應(yīng)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?，F(xiàn)在落實(shí)比較快的是車內(nèi)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(nèi)是否有人員站位的狀況。3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知傳感器在醫(yī)療健康和環(huán)境保護(hù)應(yīng)用04傳感器可以對血壓、內(nèi)腔壓力、血液、呼吸流量、腫瘤、血液分析、人體表面和內(nèi)部溫度、脈波、心音、心腦電波等進(jìn)行較高準(zhǔn)確的診斷。如香港理工大學(xué)研發(fā)高靈敏度微型光纖傳感器，創(chuàng)新健康監(jiān)測應(yīng)用。3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知05傳感器在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用如大氣污染、水質(zhì)污濁、霧霾、噪聲等可以通過傳感器進(jìn)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(zhì)、污染源監(jiān)測站。天津全市的500個環(huán)境保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)采集網(wǎng)關(guān)，建設(shè)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)基于低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，對天津城域范圍內(nèi)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(jìn)行廣泛收集，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量、污染源、輻射等環(huán)境因素的泛在感知。3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知06傳感器在家電產(chǎn)品多樣化和智能化的應(yīng)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(wù)勞動、空調(diào)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(guān)、門窗感應(yīng)器、智能攝像頭、多種家用警報器。3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知傳感器性能指標(biāo)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?qū)挝徽駝恿枯斎離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(yīng)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(yīng)特性有關(guān)外，還和傳感器安裝條件有關(guān)。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(jī)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(biāo)3.2基礎(chǔ)技術(shù)：感知現(xiàn)代信息技術(shù)主要包括測量技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，這三大技術(shù)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(chǔ)技術(shù)：感知傳感器的集成化是指利用集成加工技術(shù)，將敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路等制作到一個芯片中，傳感器設(shè)置為體積小、質(zhì)量輕、制造成本低、電路設(shè)計簡單等特點(diǎn)。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(fèi)電量向電量的轉(zhuǎn)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(yīng)用（2）傳感器系性指標(biāo)（3）傳感器的發(fā)展趨勢知識回顧（1）列舉傳感器應(yīng)用

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

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(fù)習(xí)鞏固列舉傳感器應(yīng)用傳感器系性指標(biāo)傳感器的發(fā)展趨勢45%65%32%3.3基礎(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)思考：如何將傳感器進(jìn)行組建、傳感器的數(shù)據(jù)如何讀取與傳輸？傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，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(yùn)動或污染物）。3.2.3傳感器網(wǎng)絡(luò)3.3基礎(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WireLessSensorNetWork,WSN）是一種跨學(xué)科技術(shù)，主要集成了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)等，它由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義3.3基礎(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，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(luò)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(guān)，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域?qū)ο蟮谋O(jiān)測。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。感知采集處理傳送3.3基礎(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)①網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)數(shù)量很大，可能達(dá)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(luò)進(jìn)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(diǎn)。②無線傳感網(wǎng)的自組織性在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理。（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)3.3基礎(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)③無線傳感網(wǎng)具有動態(tài)性無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(diǎn)故障或失效；傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)的加入等，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)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(diǎn)數(shù)目巨大，因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。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(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò)由四個實(shí)體對象組成：感知目標(biāo)、感知節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測視場組成。在監(jiān)測視場分布著大量的感知節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)既有數(shù)據(jù)采集功能又有路由功能。感知節(jié)點(diǎn)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(luò)體系結(jié)構(gòu)與組網(wǎng)3.3基礎(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)物體對象運(yùn)行態(tài)勢的多維度、多層次精準(zhǔn)監(jiān)測，對感知技術(shù)提出了更高的要求。在數(shù)字孿生體中感知技術(shù)不但需要更加精確可靠的物理測量技術(shù)，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(biāo)識，確保設(shè)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(chǔ)技術(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)01數(shù)字孿生全域標(biāo)識02智能化技術(shù)03多傳感器融合技術(shù)

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