《传感器与检测技术》课程教学资源（教材讲义）第14章 传感器新技术及其应用

·314 传感器技术设计与应用 14.2.1模糊传感器的概念及特点 模糊传感器是模糊逻辑技术应用发展中发展较晚的一个分支，它起源于20世纪80 年代末期，是一种新型智能传感器，也是模湖逻辑在传感器技术中的一个具体应用。传 统的传感器是数值测量装置，他将被测量映射到实数集合中，以数值形式来描述被测量 的状态。这种方法既精确又严谨，但随着技术领域的不断扩大与深化，由于被测对缘的 多维性，被分析问题的复杂性等原因，只进行单纯的数值测量是远远不够的。比如在测 量血压时，测得18kPa还是17.6kPa并不重要，重要的是对这-一结果来说，是否应对老 年人给出“正常”，对青年人给出“偏高”的结论。这样的定性描述普通传感器是不能 做到的，只有具有丰富医学知识和经验的专家才能分析、判断、推理出来。这种对客观 事物的语言化表示与数值化表示相比，存在精度低、不严密、具有主观随意性等缺点。 但它很实用，信息存储量少，无需建立精确的数学模型，允许数值测量有较大的非线性 和较低精度，可进行推理、学习，并将人类经验、专家知识、判断方法事先集成在一起 不需要专家在场就能给出正确的结论。监狱以上情况，就需要一种新型传感器—一即模 糊传感器。他的显著优点是：输出的不是数值，而是语言化符号 由于模糊传感器概念提出得较晚，目前尚无严格同一的定义，但一般认为模糊传感 器市以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的语言化信息的装置。因此可以说，模 糊传感器是在普通传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成最后以语言符号的 描述形式输出的传感器，可见新的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的基石

·314· 模糊传感器是模糊逻辑技术应用发展中发展较晚的一个分支，它起源于 20 世纪 80 年代末期，是一种新型智能传感器，也是模糊逻辑在传感器技术中的一个具体应用。传 统的传感器是数值测量装置，他将被测量映射到实数集合中，以数值形式来描述被测量 的状态。这种方法既精确又严谨，但随着技术领域的不断扩大与深化，由于被测对象的 多维性，被分析问题的复杂性等原因，只进行单纯的数值测量是远远不够的。比如在测 量血压时，测得 18kPa 还是 17.6kPa 并不重要，重要的是对这一结果来说，是否应对老 年人给出“正常”，对青年人给出“偏高”的结论。这样的定性描述普通传感器是不能 做到的，只有具有丰富医学知识和经验的专家才能分析、判断、推理出来。这种对客观 事物的语言化表示与数值化表示相比，存在精度低、不严密、具有主观随意性等缺点。 但它很实用，信息存储量少，无需建立精确的数学模型，允许数值测量有较大的非线性 和较低精度，可进行推理、学习，并将人类经验、专家知识、判断方法事先集成在一起， 不需要专家在场就能给出正确的结论。监狱以上情况，就需要一种新型传感器——即模 糊传感器。他的显著优点是：输出的不是数值，而是语言化符号。 由于模糊传感器概念提出得较晚，目前尚无严格同一的定义，但一般认为模糊传感 器市以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的语言化信息的装置。因此可以说，模 糊传感器是在普通传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，最后以语言符号的 描述形式输出的传感器，可见新的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的基石

第14章传感器新技术及其应用 ·315 由模糊传感器的定义可以看出，模糊传感器主要有智能传感器和模糊推理器组成， 他将被测量转化为是与人类感知和理解的信号。由于知识库中存储了丰富的专家知识和 经验，他可以通过简单、廉价的普通传感器测量相当复杂的现象。 14.2.2模糊传感器的基本功能 由于模糊传感器属于智能传感器，所以他要求有比较强大的智能功能，及要求他具 有学习、推理、联想、感知和通信功能。 14.2.2.1学习功能 模糊传感器一个特别重要的功能就是学习功能。人类知识集成的实现，测量结果高 级逻辑表达都是通过学习功能完成的。能够根据测量任务的要求学习有关知识是模糊传 感器与普通传感器的重要差别。模糊传感器的学习功能是通过有导师学习法和无导师学 习法实现的 14.2.2.2推理联想功能 模糊传感器有一维和多维之分。一维传感器受到外界刺激时，可以通过训练时记忆 联想得到的符号化测量结果。多维传感器当接收多个外界刺激时，可以通过人类集成知 识、时空信息的整合与多传感器信息融合等来进行推理，得到符号化的测量结果。显然 推理联想功能需要通过推理机构和知识库来实现

14 ·315· 由模糊传感器的定义可以看出，模糊传感器主要有智能传感器和模糊推理器组成， 他将被测量转化为是与人类感知和理解的信号。由于知识库中存储了丰富的专家知识和 经验，他可以通过简单、廉价的普通传感器测量相当复杂的现象。 由于模糊传感器属于智能传感器，所以他要求有比较强大的智能功能，及要求他具 有学习、推理、联想、感知和通信功能。 14.2.2.1 学习功能 模糊传感器一个特别重要的功能就是学习功能。人类知识集成的实现，测量结果高 级逻辑表达都是通过学习功能完成的。能够根据测量任务的要求学习有关知识是模糊传 感器与普通传感器的重要差别。模糊传感器的学习功能是通过有导师学习法和无导师学 习法实现的。 14.2.2.2 推理联想功能 模糊传感器有一维和多维之分。一维传感器受到外界刺激时，可以通过训练时记忆 联想得到的符号化测量结果。多维传感器当接收多个外界刺激时，可以通过人类集成知 识、时空信息的整合与多传感器信息融合等来进行推理，得到符号化的测量结果。显然， 推理联想功能需要通过推理机构和知识库来实现

·316 传感器技术设计与应用 14.2.2.3感知功能 模糊传感器与普通传感器一样，可以由传感元件确定的被测量，根本区别在于前者 不仅可以输出数值，而且可以输出语言化符号；而后者只能输出数值。因此，模糊传感 器必须具有数值一符号转换器。 14.2.2.4通信功能 由于模糊传感器一般都作为大系统中的子系统进行工作，因此模糊传感器能够与上 级系统进行信息交换是必然的，故通信功能也，是模糊传感器的基本功能， 14.2.3模糊传感器的结构 14.2.3.1一维模糊传感器的结构 由模糊传感器的概念可知，模糊传感器主要由智能传感器和模糊推理组成。其硬件 结构和逻辑图如图14-2所示。从142a可以看出，模糊传感器的硬件结构是以微处理器 为核心，以传统传感器测量为基础，采用软件实现符号的生成和处理，在硬件技术支持 下可实现有导师学习功能，通过信号接口实现与外部的通信

·316· 14.2.2.3 感知功能 模糊传感器与普通传感器一样，可以由传感元件确定的被测量，根本区别在于前者 不仅可以输出数值，而且可以输出语言化符号；而后者只能输出数值。因此，模糊传感 器必须具有数值—符号转换器。 14.2.2.4 通信功能 由于模糊传感器一般都作为大系统中的子系统进行工作，因此模糊传感器能够与上 级系统进行信息交换是必然的，故通信功能也是模糊传感器的基本功能。 14.2.3.1 一维模糊传感器的结构 由模糊传感器的概念可知，模糊传感器主要由智能传感器和模糊推理组成。其硬件 结构和逻辑图如图 14-2 所示。从 14-2a 可以看出，模糊传感器的硬件结构是以微处理器 为核心，以传统传感器测量为基础，采用软件实现符号的生成和处理，在硬件技术支持 下可实现有导师学习功能，通过信号接口实现与外部的通信

第14章传感器新技术及其应用 ·317· 被测量 MPU] 存储器 计算机总钱 信号调理与转换层☐ 导师信息 ■数值-符号转换层☐一 指导学习层☐ AD特换器 通信接口 人机智能接工 符号处埋层☐了 系统总线 通倍层 (a)硬件结构 (6)逻辑框图 图142一维模糊传感器的结构 图142b是模糊传感器的逻辑框图。所谓模糊传感器的逻辑框图就是在逻辑上要完 成的功能。一般来讲，模糊传感器逻辑上可以分为转换部分和信号处理与通信部分。从 功能上看，有信号调理与转换层、数值一符号转换层、符号处理层、指导学习层和通 信层。这些功能有机的结合在一起，完成数值—符号转换功能。 14.2.3.2多维模糊传感器的结构 图14-3给出了多维模糊传感器硬件结构框图。由图可知，它有敏感元件、信号处理 电路和AD转换器组成的基础测量单元完成传感测量任务。有数值预处理、数值符号 转换器、概念生成器、数据库、知识库构成的符号生成与处理单元完成核心工作数值、 符号转换。由通信接口实现摸糊传感器与上级系统间的信息交换，把测量结果（数值与 符号量)输出到系统总线上，并从系统总线上接受上级的命令。而人机接口是模糊传感 器与操作者进行信息交流通道。管理器的作用是测量系统实现自身的管理，接受上级的

14 ·317· 图 14-2 一维模糊传感器的结构 图 14-2b 是模糊传感器的逻辑框图。所谓模糊传感器的逻辑框图就是在逻辑上要完 成的功能。一般来讲，模糊传感器逻辑上可以分为转换部分和信号处理与通信部分。从 功能上看，有信号调理与转换层、数值——符号转换层、符号处理层、指导学习层和通 信层。这些功能有机的结合在一起，完成数值——符号转换功能。 14.2.3.2 多维模糊传感器的结构 图 14-3 给出了多维模糊传感器硬件结构框图。由图可知，它有敏感元件、信号处理 电路和 A-D 转换器组成的基础测量单元完成传感测量任务。有数值预处理、数值/符号 转换器、概念生成器、数据库、知识库构成的符号生成与处理单元完成核心工作-数值、 符号转换。由通信接口实现模糊传感器与上级系统间的信息交换，把测量结果（数值与 符号量）输出到系统总线上，并从系统总线上接受上级的命令。而人机接口是模糊传感 器与操作者进行信息交流通道。管理器的作用是测量系统实现自身的管理，接受上级的

·318 传感器技术设计与应用 命令，开启、关闭测量系统，调节放大器的放大倍数并根据上级系统的要求决定输出量 的类型（数值还是语言符号量）等。由此可见，一维模糊传感器只是多维模糊传感器的 一个特殊情况。 被测量 十 十 基础测量单元 倍号调理信号调理2习倍号调理n 数值预处理☐ 数值预处理☐数值预处理数据库 to qe t9m os☐ 0s☐0s☐ 概仑生成器（推理器） 知识库 符号表示的测量结果☐ 符号生成与处理单元 通倍接口 系统总线 导师信息 图14-3多维摸糊传感器硬件结构框图 14.2.3.3有导师学习结构的实现 具有导师学习功能可使模糊传感器的智能化水平进一步提高.图14-4是具有导师学 习功能的模糊传感器原理图

·318· 命令，开启、关闭测量系统，调节放大器的放大倍数并根据上级系统的要求决定输出量 的类型（数值还是语言符号量）等。由此可见，一维模糊传感器只是多维模糊传感器的 一个特殊情况。 图 14-3 多维模糊传感器硬件结构框图 14.2.3.3 有导师学习结构的实现 具有导师学习功能可使模糊传感器的智能化水平进一步提高。图 14-4 是具有导师学 习功能的模糊传感器原理图