要使变频器节电达到最高效率,有以下几点值得借鉴: 
  1）变频器要节电是有一定条件的。在不影响使用的条件下，适当改变工况参数后，把不合理运行参数所消耗电能节省下来，就可做到从一般运行转变成经济运行。
2）要节能一定要降低频率，下降值越大，节电越多。不降低频率，变频器原则上是不能节电的。
3）与电动机负载率有关。负载率在10％～90％时，节电率最多约8％～10％北京汉阳，负载率低相应节电率高些。但无功节电率大约40％～50％，是不计电费的。
4）与原来的运行的工况参数值的合理程度有关。例如，与压力、流量、转速等可调节的量值大小有关，可调整量大，则节电率就高，否则相反。
5）与原来采用的调整方式有关。采用进口或出口阀门方式来调整运行参数的，很不经济，若改为变频器调速ARCHEAN.net版权所有，则经济合理。使用变频器调速后，比用人工阀门调整运行方法，能多节电达20％～30％。
6）与原来采用的调速方式有关。例如，原来用滑差电动机调速塑料工业网，因调速效率低，尤其在中、低速时，效率只有50％以下，很不经济，改为变频器调速后，把这部分电能节省下来了。目前轻工、纺织、造纸、印染、塑料、橡胶等行业中，大多还在使用滑差电动机，故使用变频器来实现节能塑料工业网版权所有，技术改造工作是当务之急的事。
7）与电动机工作方式有关。例如，连续运转、短时运转、间歇运转的节电量是不同的。
8）与电动机开动时间长短有关。例如，一天开机24h，一年开365天的节电量就大鬼知道版权所有，反之则小。
9）与电动机本身功率大小有关。同样节电率下，功率大的节电量值大，经济效益就大，哪怕节电率相对小功率电动机低些塑料工业网版权所有，但实际收益较大。
10）与本单位生产工艺设各重要性有关。首先要选产品电耗大的、产品成本高的、现用的调速方式是不够经济合理的设各加以改造，改用变频器后就能有立竿见影、事半功倍的效果。

　　在选用变频器调速或节能时，应该遵守以上10条原则，作为决定方案的前提。
 

　　电磁阀一般流通系数很小，而且工作压力差很小。比如一般25口径的电磁阀流通系数比15口径的电动球阀小很多。电磁阀的驱动是通过电磁线圈，比较容易被电压冲击损坏。相当于开关的作用，就是开和关2个作用。 电动阀的驱动一般是用电机，比较耐电压冲击。电磁阀是快开和快关的，一般用在小流量和小压力，要求开关频率大的地方电动阀反之。电动阀阀的开度可以控制，状态有开、关、半开半关，可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到这个要求。

1.开关形式：

　　电磁阀通过线圈驱动，只能开或关 ，开关时动作时间短。

　　电动阀的驱动一般是用电机，开或关动作完成需要一定的时间模拟量的，可以做调节。

2.工作性质：

　　电磁阀一般流通系数很小，而且工作压力差很小。比如一般25口径的电磁阀流通系数比15口径的电动球阀小很多。电磁阀的驱动是通过电磁线圈，比较容易被电压冲击损坏。相当于开关的作用，就是开和关2个作用。

　　电动阀的驱动一般是用电机，比较耐电压冲击。电磁阀是快开和快关的，一般用在小流量和小压力，要求开关频率大的地方电动阀反之。电动阀阀的开度可以控制，状态有开、关、半开半关，可以控制管道中介质的流量而电磁阀达不到这个要求。

　　电磁阀一般断电可以复位，电动阀要这样的功能需要加复位装置。

3.适用工艺：

　　电磁阀适合一些特殊地工艺要求，比如泄漏、流体介质特殊等，价格较贵。

　　电动阀一般用于调节，也有开关量的，比如：风机盘管末端。

 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

      要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
      在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。  

      2、灵敏度的选择  

      通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。  
      传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。  

      3、频率响应特性  

      传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
      传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。  
      在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。  

      4、线性范围  

      传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 
      但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。  

      5、稳定性  

      传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。  
      在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 
      传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
      在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。  

      6、精度  

      精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。  
      如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。  
      对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 

1. 引言

机器人视觉伺服系统是机器人领域中的重要研究方向，起源于80年代初，随着计算机技术、图像处理技术、控制理论的发展，取得了很大进步，有一些系统已投入使用。视觉伺服跟通常所说的机器视觉有所不同，视觉伺服是利用机器视觉的原理，进行图像的自动获取分析，从直接得到的图像处理反馈信息中，快速进行图像处理，在尽量短的时间内给出反馈信号，构成机器人的位置闭环控制，实现对机器人的控制。正是由于系统以实现某种控制为目的，所以视觉伺服系统中的图像处理过程必须快速准确。本文主要针对机器人视觉伺服系统要求快速准确的特点，为满足项目研究的需要，讨论研究了基于DSP的图像反馈机器人视觉伺服技术。

2 . 系统工作原理及硬件构成

基于图像的视觉伺服直接计算图像误差，产生控制信号，并变换到机器人运动空间，驱动机械手，完成伺服任务。该方法对标定误差和空间模型误差不敏感。

对于机器人视觉伺服系统,实时性问题一直是一个难以解决的重要问题。图像采集速度较低以及图像处理需要较长时间会给系统带来明显的时滞;此外视觉信息的引入也明显增大了系统的计算量。而图像处理速度是影响视觉伺服系统实时性的主要瓶颈之一。

实时图像处理设计的难点是如何在有限的时间内完成对大量图像数据的处理。从人的视觉理论分析，只有图像处理系统的处理速度达每秒25帧以上时才能达到实时的效果，即要求实时图像处理系统必须在40ms内完成对一帧l图像的运算处理，才能保证图像的实时性。为了达到该处理速度，我们采用了基于DSP的图像视觉伺服方式，其结构如图1所示。

图1 基于DSP的图像反馈机器人视觉伺服结构图

2.1 WTC6201PA板简介

本文选用了闻亭公司的WTC6201PA板，其板上硬件组成如图2所示。

图2 WTC6201PA板硬件组成

WTC6201PA板属于EVM板中的一种，它采用了TI公司的DSP器件TMS320C6201芯片。TMS320C6201芯片的最高时钟频率为200MHZ，每个时钟周期最多可以执行8条指令，从而实现16000MIPS的定点运算能力，它具有如下主要特点：

· 采用了修正的哈佛总线结构，独立的程序总线、数据总线和DMA总线使得取指、读写数据和DMA操作可以并行。

· 采用流水线处理，使两个或多个不同的操作可以重叠执行，提高了程序执行速度。

· 具有高性能的外部存储器扩展接口EMIF，可以直接与同步突发静态存储器SBSRAM、同步动态存储器SDRAM连接，用于大容量、高速存储;还包括直接异步存储器接口，可与静态存储器SRAM、只读存储器EPROM连接，用于小容量的数据存储和程序存储;芯片内部集成的64K程序存储器可配置成CASHE，以提高程序执行效率。

· 16位主机口能够和其它CPU的存储区以及外围电路进行通信。且多通道DMA控制器可在没有CPU参与的情况下完成映射存储空间中的数据搬移，从而减轻CPU的工作量。

同时板上配置了高速同步存储器SBSRAM（128K×32Bit）和SDRAM（4M×32bit），两路A/D转换器，大容量的FPGA器件和外部I/O接口，板上还提供了一个McBSP接口，兼容5V TTL电平，方便用户与外部系统通信。WT6201PA板满足PCI Local Bus Revision 2.1 协议，主机可访问DSP的所有资源，用户可通过主机加载程序。WTC6201PA板提供了Win98和NT下的驱动软件及DSP的应用软件（APIs），利用这个硬件平台和底层软件库，用户可以很容易的进行软件开发。

2.2 系统硬件实现

我们选用了WTC6201PA板上的TMS320C6201芯片、FPGA、SBSRAM、SDRAM、双口RAM、PCI总线、JTAG接口等硬件资源作为视觉图像处理单元，和PC主控机、图像采集卡、CCD摄像机和机器人控制系统组成系统，原理框图如图3所示。

图3 系统原理框图

系统工作过程如下：

CCD摄像机输出标准制式的全电视信号，其中包含着图像信号、复合同步信号、行、场消隐信号、槽脉冲和前后均衡脉冲等七种信号。本系统采用了北京大恒公司的DH-PCI-H图像采集卡来实现视频信号的预处理。CCD摄像机将视频数据输入到图像采集卡，图像采集卡按照设定的窗口位置、大小和方式采集视频数据，采集的数据存储在计算机的内存中。图像传输由图像卡控制的，无需CPU参与，图像传输速度可达40MB/S。

设置图像采集卡的采集方式是25帧/s连续采集，则采集一帧的时间为40ms，每一帧图像由奇偶两场组成，场频为50HZ，即一场扫描时间为20ms。图像采集大小为512×512像素，量化为8bit，256灰度级，则一帧图像的数据量为512×512×8bit=256KB。图像数据存储方式为隔行存放，即奇、偶场的图像数据交叉存放，组成一帧完整图像函数。

C6201由BOOTMODE[4:0]设置芯片的自举方式，加载过程采用主机（HPI）引导方式。外部主机通过主机口初始化CPU的存储空间，主机完成所有的初始化后，将主机口控制寄存器中的DSPINT位设置为1，结束引导过程。CPU退出复位状态，开始执行地址0处的指令。

系统上电后，主机经HPI口对系统初始化，主要完成对各寄存器的设置，包括EMIF、中断、DMA等相关的寄存器初始化操作等。主机向HPI控制寄存器的DSPINT位写1触发DSP运行，系统进入等待状态。CCD摄像机实时采集图像，经图像采集卡处理后存储到主机内存。PC机内存缓冲区一帧存满，向DSP发中断信号，DSP应答后，通过PCI总线将图像数据从主机内存经HPI口传输到WTC6201PA板片外SDRAM。DSP控制波门范围内图像数据以DMA方式传输到内部数据存储器。由于DSP为指令结构处理芯片，具有可编程性好、可以处理大量复杂指令（由程序RAM地址空间的大小决定）等优点，但相对FPGA而言其处理速度比较慢;而FPGA为可编程逻辑器件，具有很强的细粒度并行处理和多级流水线处理能力，但其内部有限的逻辑资源使之不适合实现复杂逻辑运算。因此我们采用FPGA作为协处理器来完成底层操作，再由DSP完成高层操作，两种操作可以采用流水线的方式并行运行，共同完成高速图像处理。从FPGA到DSP之间的图像数据传输使用双端口RAM。处理完一帧图像后，DSP向主机发信息，主机应答后，将图像处理结果经PCI总线传输至PC机内存，PC机再将位置偏差数据信号送至伺服控制系统，完成伺服任务。

3 图像雅可比矩阵

对于图像反馈机器人视觉伺服系统控制机构，图像雅可比矩阵是很关键的，它描述了机器人空间中的运动与图像特征空间中的运动之间的关系：

式 （2），（4）是图像雅可比矩阵的两种表示形式，是基于图像反馈的视觉跟踪研究的基础。需要指出的是，为了确保得到唯一的图像特征矢量，图像特征空间维数应该大于或等于位姿空间维数（n≧m）。

计算图像雅可比矩阵的方法有在线估计法、经验方法和学习方法。在线估计法通过动态估算得到图像雅可比矩阵;经验法可以通过标定或先验模型知识得到图像雅可比矩阵;学习方法主要可以利用离线示教和神经网络方法得到雅可比矩阵。

结论

本文分析了机器人视觉伺服系统的基本原理，并设计了基于TMS320C6201和可编程逻辑器件FPGA协处理结构的视觉系统，实现了图像采集和图像目标的实时处理。在实验室中我们利用所设计的视觉系统构建了实验平台，通过实验验证了所设计的视觉系统满足机器人视觉伺服系统的实时要求。

本文作者创新点：对于机器人视觉伺服系统,实时性问题一直是一个难以解决的重要问题。本文创新采用TMS320C6201芯片来实现机器人视觉伺服的图像处理，并采用FPGA协处理，提高了图像处理速度，实验验证了所设计系统满足机器人视觉伺服的实时要求,具有广泛的工业应用前景。

　　这种调光控制法是利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，从而实现灯输出功率的调节。半桥逆变器的最大占空比为0.5，以确保半桥逆变器中的两个功率开关管之间有一个死时间，以避免两个功率开关管由于共态导通而损坏。

　　这种调光控制法能使功率开关管导通时工作在零电压开关（ZVS）状态，关断瞬间需采用吸收电容以达到ZCS工作条件，这样即可进入ZVS工作方式，这是它的优点，同时EMI和功率开关管的电应力可以明显降低，然而，如果高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比太小，以致电感电流不连续，将会失去ZVS工作特性，并且由于供电直流电压较高，而使功率开关管上的电应力加大，这种不连续电流导通状态将导致电子镇流器的工作可靠性降低并加大EMI辐射。

　　除了高频逆变器中功率开关管小的脉冲占空比外，当灯电路发生故障时，也会出现功率开关管的不连续电流工作状态，当灯负载出现开路故障时，电感电流将流过谐振电容，由于这个电容的容量较小，所以阻抗较大，而在这个谐振电容上产生较高的电压。除非两个功率开关管有吸收保护电路，否则这时功率开关管将承受很大的电压应力。

学习变频器的23个基础知识点

1、什麽是变频器？
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
2、PWM和PAM的不同点是什麽？
PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
3、电压型与电流型有什麽不同？
变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波石电感。
4、为什麽变频器的电压与电流成比例的改变？
非同步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那麽磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用於风机、泵类节能型变频器。
5、电动机使用工频电源驱动时,电压下降则电流增加;对於变频器驱动,如果频率下降时电压也下降，那麽电流是否增加？
频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？
采用变频器运转，随著电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对於带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。
7、V/f模式是什麽意思？
频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。
8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？
频率下降时完全成比例地降低电压，那麽由於交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。
9、在说明书上写著变速范围60~6Hz，即10:1，那麽在6Hz以下就没有输出功率吗？
在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.5~3Hz.
10、对於一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？
通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。
11、所谓开环是什麽意思？
给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。
12、实际转速对於给定速度有偏差时如何办？
开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内(1%~5%)变动。对於要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近於给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。
13、如果用带有PG的电机，进行反馈後速度精度能提高吗？
具有ＰＧ反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决於ＰＧ本身的精度和变频器输出频率的解析度。14、失速防止功能是什麽意思？
如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。
15、 有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什麽意义？
加减速可以分别给定的机种，对於短时间加速、缓慢减速场合，或者对於小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对於风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。
16、 什麽是再生制动？
电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为非同步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生（电气）制动。
17 、是否能得到更大的制动力？
从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由於电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。
18 、转矩提升问题
自控系统的设定信号可通过变频器灵活自如地指挥频率变化，控制工艺指标，如在烟草行业的糖料、香料工序，可由皮带称的流量信号来控制变频器频率，使泵的转速随流量信号自动变化，调节加料量，均匀地加入香精、糖料。也可利用生产线起停信号通过正、反端子控制变频器的起、停及正、反转，成为自动流水线的一部分。此外在流水生产线上，当前方设备有故障时後方设备应自动停机。变频器的紧急停止端可以实现这一功能。在SANKEN、MF、FUT和FVT系列变频器中可以预先设定三四个甚至多达七个频率，在有些设备上可据此设置自动生产流程。设定好工作频率及时间後，变频器可使电机按顺序在不同的时间以不同的转速运行，形成一个自动的生产流程.

19、电机超过60HZ时应注意什么问题？
   1）机械和装置在该转速下运转要充分可能（机械强度、噪声、振动等）
   2）电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维修工作（风机、泵等轴输出功率与速度  的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意）
   3）产生轴承寿命问题，要充分加以考虑。
   4）对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60HZ以上运转时要特别注意。
20、要想高原有输送带的速度，以80HZ运转，变频器的容量该怎样选择？
   设基准速度为50HZ，50HZ以上为恒功率输出特性。像输送带这样的恒转矩负载增速时，容量需要增大为80/50=1。6倍。电机容量也像变频器一样增大。
21、 想使两台2。2KW、4极电机顺序起动，用一台变频器传动时容量应怎样考虑？
    如果两台2。2KW的电机同时起动、同时停止，设2。2KW的额定电流为10A，那么以两倍的20A计算用5。5KW（额定电流24A）的变频器就足够了。顺序起动时，第2台电机起动所需要的电流，相当于全压起动，以额定值的6倍计算，则需要能承受的过电流为（10+6X10）A=70A的变频器，即以15KW以上，因此，用一台变频器进行顺序起动在价格、大小方面没有优势，以采用两台单独的变频器为好。
22、什么是变频器分辨率？有什么意义？
    对于数字控制器的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。
  变频分辨率通常取值为0。015~0。5HZ。例如，分辨率为0。5HZ，那么23HZ的上面可变频23。5、24。0HZ，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题，在这种情况下，如果分辨率为0。015HZ左右，对于4极电机1个级差为1RPM以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。

23、 不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以？
     在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流（6~7倍额定电流），由于变频器切断过电流，电机不能起动.

    机器视觉就是用机器代替人眼进行测量和判断。机器视觉系统是指通过图像摄取装置将需要检测的目标转换成数字量信号,通过图像处理系统对测量到的图像数字信号进行处理、判断,从而控制现场的设备动作。在高速、大批量的工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量在精度和速度上都难以保障,采用机器视觉则可以大大提高生产效率和自动化程度。

1 系统组成

    机器视觉系统一般包括光源、镜头、CCD 照相机、图像处理单元（或图像采集卡） 、图像处理软件、监视器、通讯（或输入输出） 单元等。视觉系统的输出不是图像视频信号,而是经过处理后的图像数字信号。上位机和PLC 实时获得检测结果后,通过运动系统或输入输出系统执行相应控制动作。视觉系统可分为基于PC 系统和基于PLC 系统。在基于PLC 系统中,视觉作用更象一个智能化的传感器,图像处理单元独立于系统,通过串行总线和I/ O 与PLC 交换数据,系统硬件利用嵌入式计算机进行图像处理,系统软件固化在图像处理器中,通过键盘对监视器中的菜单进行配置,或在计算机上开发软件后下载。基于PLC 的机器视觉系统具有集成化、小型化的特点基于PC 的机器视觉系统中,由CCD 摄像头采集检测对象的图像,经过数据采集卡转换成数字图像,输入计算机进行处理。该系统具有简单、可靠、开发周期短等特点。

2 系统应用

    在烟草行业自动化生产中,涉及到各种各样的质量检查等,如烟支钢印位置和产品包装缺陷（诸如破损、翘边、缺盖、露白、反包、包装错位、包装材料印刷错误） 的检测等。这些高速、重复的工作若依靠人工进行检测,检验合格率就得不到保证。为解决外观质量的检测问题,曾使用过接触式电感应检测装置,但由于其本身的局限性,卷烟包装成形过程中的质量检测问题未能得到解决。因此,为提高卷烟的外观质量,机器视觉系统开始应用于烟草行业,成为视觉测量的理想方案。本文以基于PC 系统为例,介绍了机器视觉系统在GDX2 包装机组小盒外观检测中的具体应用及其效果。

    2. 1 系统硬件组成

    系统硬件结构如图1 所示。该系统采用NI（美国国家仪器） 公司的PCI1409 图像采集卡采集烟包外观图像。由CCD 摄像头采集的图像,经过数据采集卡转换成数字化图像输入计算机,应用程序将采集到的图像与预存的标准图像进行对比、判断,并通过相应的控制系统将存在外观缺陷的烟包从设备剔除口剔除（图2） 。

 图1 　基于PC的机器视觉系统组成

图2 　基于PC的机器视觉系统检测流程

    2. 2 系统图像分析处理

    （1） 系统照明。照明是进行图像处理和分析的重要外部条件之一,该系统选用了FOSTEC 可调试光源20750. 2 ,稳定可靠,有利于图像采集。

    （2） 检测信号的同步。为保证检测信号的同步,增设了检测同步传感器,安装在机器背后的机械转轮上（图3） ,可用于烟包检测和残次烟包的剔除。

    1. CCD 同步传感器　2. 轴编码器　3. CCD 同步检测块

图3 　检测信号的同步

    （3） 系统软件的构成。该系统使用了LabVIEW、I2 MAQ Vision 和IMAQ Vision Assistant 等开发软件。Lab2 VIEW的数据流式编程、IMAQ Vision 强大的图像处理能力以及IMAQ Vision Assistant 的代码自动生成功能, 不仅缩短了系统的开发周期,也降低了成本。

    （4） 图像特征比较算法。利用IMAQ Subtract 函数将实时烟包图像与标准图像相减两次,可得到表示两个图像明暗程度主要区别的参数值。利用IMAQ Add 函数将两个参数叠加成一幅图像,IMAQ Threshold 函数产生一个二值图像,由IMAQ RemoveParticle 函数对图像进行处理。另一种方法是用IMAQ BCGLookup 函数替代IMAQ Threshold 函数,利用IMAQ GrayMorphology 函数对图像进行处理,该方法由于没有转换为二值图像,可以使最终产生的图像粒子更加连贯。根据最终产生图像可以判断被检测烟包是否属于残次烟包。

    （5） 残次烟包的剔除。如图4 所示,检测系统利用机器原有的双垛烟包剔除装置对残次烟包进行剔除。

    1. 检测传感组件　2. 烟包运行方向　3. 小包外包透明纸包装成形　4. 被检测烟包　5 烟包输送带　6有机玻璃盖　7烟包堆垛　8 残次烟垛剔除口

图4 　检测传感器及剔除位置

3 　应用效果

    GDX2 包装机组安装了机器视觉系统后,存在包装缺陷的烟包（如烟盒破损、缺盖、露白、反包、包装错位等） 均在残次烟垛剔除口被自动剔除。据市场质量反馈统计,系统安装前1 个月内,有关烟包外观质量问题收到市场反馈3 次共8 包（小盒缺盖、包装错位等） , 系统安装后3 个月内,未接到一起烟包外观质量问题反馈。

    机器视觉系统应用于GDX2 包装机组,保证了高速、自动化卷烟包装生产的顺利进行,提高了卷烟的外观质量,而且还易于实现信息集成,为企业实施计算机集成制造提供了技术基础。同时,视觉系统的检测数据可以帮助管理部门及时发现设备、材料等方面的潜在问题,有利于提升卷烟企业的总体管理水平。

　

        科瑞传感器RECHNER电容KSL系列已经成功应用于机器人（KUKA）上,并获得安全系统<<2007传感器应用奖>>德国. 主要是利用RECHNER电容开关KSL系列高灵敏性,强稳定性,高开关频率等特点.

　　控制安全系统功能有:

　　1.防护人体安全,主要是防止机器人工作时对现场人员伤害.

　　2.防护工件安全,主要是防止机器人工作时,其他工件的进入对工件的损坏.

　　3.保护机器人自身的安全,主要是防止其他部件对机器人的损坏,从而保护了机器人,使客户设备不停产.

　　在已知的范畴里，暗物质好似在宇宙中纵横交错编织了一张巨大而看不见的网，被认为是促成星系、恒星和行星产生的原因，主导了宇宙结构的形成。虽然尚不能确定其在宇宙物质总量中所占的比例，但这个数字应大于80%。因此在天文学和物理学家眼中，对暗物质的认识每前进一小步，都意味着对宇宙未知领域探索迈出一大步。

　　但目前技术上存在瓶颈：现有暗物质探测器仍然最善于择捡出正常物质的粒子，而暗物质粒子于构成原子的质子和中子来说是重粒子，具有强引力效应，它们对正常物质几乎毫无影响。这导致自65年前暗物质的概念产生起，就无法直接得到，只能依靠其干扰星体发出的光波或引力被感受到。

　　物理学家曾在欧洲和美国的地下很深的地方埋藏了精尖装备，一方面用以屏蔽宇宙射线，另一方面为了探测到暗物质粒子与正常粒子之间稀有的碰撞，结果却是无能为力。因此2003年美国加州大学物理学家曾指出，所有的传统暗物质探测方法都是徒劳的。

　　新型探测器由乔斯林·门罗与其团队研制完成，需利用暗物质粒子碰撞所产生的微弱短暂闪光。这种闪光发生的概率很小，而正常粒子之间碰撞的次数却是它的千亿亿倍，以往的探测器就是无法排除这些常规碰撞。新技术则体现在高效的屏蔽材料以及精准的识别力，其可识别出样本中携带的所有已知正常物质的粒子，进而鉴定出其余非常规的暗物质粒子。实际上其由两部分构成，同时启动，中子探测器一旦发现任何信号，暗物质探测器就会将其确实的排除。

　　该探测器现已被送往美国能源部下属的洛斯阿拉莫斯国家实验室，校正敏度后将送往地下实验室投入使用。研究人员表示，暗物质研究是宇宙学中最具挑战性的课题。它一直给人以虚幻之感，但这并不因为暗物质的不确定性，而是缘于人类对它的不了解。虽然新的探测器尚未被科学界所公认，但它定会带给人们一个惊奇的结果。

什么是两线制?两线制有什么优点?
两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两线制与三线制(一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND) 和四线制(两根正负电源线，两根信号线,其中一根GND)相比，两线制的优点是：
1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；
2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。
3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；

4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集， 分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制....
5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。
6,在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。
三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器心片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。
两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。我们以DH4-20变送模块为核心设计了小型、价廉的穿孔型两线制电流变送器。它具有低失调电压(＜30μV)、低电压漂移(＜0.7μV/C°)、超低非线性度(＜0.01%)的特点。它把现场设备动力线的电流隔离转换成4～20mA的按线性比例变化的标准电流信号输出，然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位于监测系统的24V工作电源送到电流变送器中。测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输，抗干扰能力得到极大的加强。

二.电流变送器的4-20mA输出如何转换?
两线制电流变送器的输出为4～20 mA，通过250 Ω的精密电阻转换成1～5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。系统的输入模块采用压频转换器件LM２31将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件TL117进行模拟量与数字量的隔离。
同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。利用压频转换器件LM231也有一定的抗高频干扰的作用。

三.电流输出型与电压输出型有哪些优劣比较?
在单片机控制的许多应用场合,都要使用变送器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如电流变送器,压力变送器、温度变送器、流量变送器等。
早期的变送器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，这是运放直接输出,信号功率<0.05W,通过模拟/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破坏了精度等等等缺点，而两线制电流输出型变送器以其具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。
电压输出型变送器抗干扰能力极差，线路损耗的破坏,谈不上精度有多高,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备，输出０－５Ｖ绝对不能远传，远传后线路压降大，精确度大打折扣。现在很多的ADC,PLC,DCS的输入信号端口都作成两线制电流输出型变送器4-20mA的,证明了电压输出型变送器被淘汰的必然趋势。

四.4～20mA电流输出型到接口一般有哪些处理方法?
电流输出型变送器的输出范围常用的有0～20mA及4～20mA两种，电流变送器输出最小电流及最大电流时，分别代表电流变
送器所标定的最小及最大额定输出值。
下面以测量范围为以0～１００Ａ的电流变送器为例进行叙述。对于输出0～20mA的变送器0mA电流对应输入０Ａ值，输出4～20mA的变送器4mA电流对应输入0Ａ值，两类传感器的20mA电流都对应１００Ａ值。
对于输出0～20mA的变送器，在电路设计上我们只需选择合适的降压电阻，在A/D转换器输入接口直接将电阻上的０－５Ｖ或０－１０Ｖ电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。但劣势是无法判别变送器的损坏,无法辨别变送器输出开路和短路。
对于输出4～20mA的变送器，电路调试及数据处理上都比较烦琐。但这种变送器能够在变送器线路不通时,短路时或损坏时通过能否检测到正常范围内的电流(正常时最小值也有4mA)，来判断电路是否出现故障，变送器是否损坏,因此得到更为广泛普遍的使用。
由于4～20mA变送器输出4mA时，在取样电阻上的电压不等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0，单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。因此一般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换。这类硬件电路首推RCV420,是一种精密的I/V转换电路,

还有应用LM258自搭的I/V转换电路,这个电路由两线制电流变送器产生的4～20mA电流与24V以及取样电阻形成电流回路，从而在取样电阻上产生一个1-5V压降，并将此电压值输入到放大器LM258的3脚。电阻分压电路用来在集成电路LM258的2脚产生一个固定的电压值，用于抵消在取样电阻上4mA电流产生的压降。所以当两线制电流变送器为最小值4mA时，LM258的3脚与2脚电压差基本为0V。LM258与其相连接的电阻构成可调整电压放大电路，将两线制电流变送器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过LM258的1脚输出至模拟/数字转换电路，供单片机CPU读入，通过数据处理方法将两线制电流变送器的4-20mA电流在LCD/LED屏幕上以0-100A值的形式显示出来。(图2)

五.什么是两线制电流变送器的6大全面保护功能：
(1)、输入过载保护；
(2)、输出过流限制保护；
(3)、输出电流长时间短路保护；
(4)、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护；
(5)、工作电源过压极限保护≤35V；
(6)、工作电源反接保护。

六.怎样辨别真假优劣的电流电压变送器?
生产资料市场化以后，加剧激烈的竞争，真假优劣难辨，又因变送器是边缘学科，很多工程设计人员对此较陌生，有些厂家产品工业级别和民用商用级别指标混淆（工业级的价格是民用商用级的2-3倍）有些厂家产品用几角钱的LM324和LM431就可以做出一只变送器，不信的话您打开看看，你几百元买来的是不是用的LM324和LM431，这样的变送器送您，您敢不敢用呵！
笔者试以常用的0.5级精度的电流电压变送器为例，从以下方法着手来辨别真假优劣。
(1)基准要稳,４mA是对应的输入零位基准，基准不稳，谈何精度线性度，冷开机３分锺内４mA的零位漂移变化不超过4.000mA0.5%以内;(即3.98-4.02mA),负载250Ω上的压降为0.995-1.005V，国外IC心片多用昂贵的能隙基准，温漂系数每度变化10ppm；
(2)内电路总计消耗电流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流滤波放大恒流电路不因原边输入变化而消耗电流也随之变化，国外IC心片采用恒流供电；
(3)当工作电压24.000V时,满量程20.000mA时,满量程20.000mA的读数不会因负载0-700Ω变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内；
(4)当满量程20.000mA时,负载250Ω时,满量程20.000mA的读数不会因工作电压15.000V-30.000V变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内；
(5)当原边过载时，输出电流不超过25.000mA+10%以内，否则PLC/DCS内供变送器用的24V工作电源和A/D输入箝位电路因功耗过大而损坏，另外变送器内的射随输出亦因功耗过大而损坏，无A/D输入箝位电路的更遭殃；
(6)当工作电压24V接反时不得损坏变送器,必须有极性保护;
(7)当两线之间因感应雷及感应浪涌电压超过24V时要箝位,不得损坏变送器；一般在两线之间并联1-2只TVS瞬态保护二极管1.5KE可抑制每20秒间隔一次的20毫秒脉宽的正反脉冲的冲击,瞬态承受冲击功率1.5KW-3KW;
(8)产品标示的线性度0.5％是绝对误差还是相对误差,可以按以下方法来辨别方可一目了然:符合下述指标是真的线性度0.5％.
原边输入为零时输出４mＡ正负0.5%(3.98-4.02mA),负载250Ω上的压降为0.995-1.005V
原边输入10％时输出5.6mＡ正负0.5%(5.572-5.628mA)负载250欧姆上的压降为1.393-1.407V
原边输入25％时输出8mＡ正负0.5%(7.96-8.04mA)负载250Ω上的压降为1.990-2.010V
原边输入50％时输出12mＡ正负0.5%(11.94-12.06mA)负载250Ω上的压降为2.985-3.015V
原边输入75％时输出16mＡ正负0.5%(15.92-16.08mA)负载250Ω上的压降为3.980-4.020V
原边输100％时输出20mＡ正负0.5%(19.90-20.10mA)负载250Ω上的压降为4.975-5.025V
(9)原边输入过载时必须限流:原边输入过载大于125%时输出过流限制25mＡ+10%(25.00-27.50mA)负载250Ω上的压降为6.250-6.875V；
(10)感应浪涌电压超过24V时有无箝位的辨别:在两线输出端口并一个交流50V指针式表头,用交流50V接两根线去瞬间碰一下两线输出端口,看有无箝位,箝位多少伏可一目了然啦;
(11)有无极性保护的辨别:用指针式万用表Ω乘10K档正反测量两线输出端口,总有一次Ω阻值无限大,就有极性保护；
(12)有无极输出电流长时间短路保护：原边输入100％时或过载大于125%-200%时，将负载250Ω短路，测量短路保护限制是否在25mＡ+10%；
(13)工业级别和民用商用级别的辨别:工业级别工作温度范围是-25度到＋７０度，温漂系数是每度变化１００ppm,即温度每度变化１度,精度变化为万分之一；民用商用级别工作温度范围是０度（或-10度）到＋７０度（或+50度）,温漂系数是每度变化25０ppm,即温度每度变化１度,精度变化为万分之二点五；电流电压变送器的温漂系数可以用恒温箱或高低温箱来试验验证较繁琐。
上述13种方法同样可用与其它变送器真假优劣的辨别。

网络节点软件功能设计

在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点按照功能不同，需要分别进行设计。终端节点、汇聚节点和网关节点的软件功能如图3所示。终端节点安装不同的传感器用于运动车辆信息采集和道路信息获取等。其功能实现可按照精简功能设备(RFD，ReducedFunctionDevice)标准来实现。终端节点与汇聚节点按照星型网络组网，在固定时间点由睡眠状态醒来与汇聚节点主动通讯。信息路由则交给父(汇聚)节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成，降低了节点功耗和软件实现复杂度。汇聚节点是终端节点软件功能上的扩展，实现了扩展网络及路由消息的功能，允许更多重点节点接入网络。可按照全功能设备(FFD，FullFunctionDevice)标准进行设计。

无线传感器网络节点软件功能

网关节点是网络中所需要的协调器，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、维护节点的绑定关系表等，还负责将所采集的数据初步处理并交付交通信号控制器传输到上一级信息中心，需要较多存储空间、计算及通讯能力。

网络节点硬件功能设计

现有较多的无线传感网解决方案，包括各芯片产商推出的单片机外接射频芯片和集成射频、微处理器的单芯片等。在节点设计中较常采用的ZigBee射频芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片产商推出了单芯片解决方案，如TICC2430延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器；Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x单芯片解决方案等。

●基于Atmel的AT86RF230射频芯片和AVR单片机设计方案

典型的终端节点和汇聚节点设计如图4所示，采用Atmel的8位RISC结构低功耗ATMegal1281VMCU作为系统控制核心。采用512KB的AT45DB041D作为外部程序存储器。射频模块使用Atmel的支持ZigBee协议的AT86RF230，RF功率达到3dBm，室外传输距离可达300米以上节点的扩展接口可连接模拟输入、数字I/O、I2C、SPI和UART接口，这些扩展接口使其易于与传感器及其它外设连接，例如外接光度、温温度、气压、声、地磁和加速度等传感器。

传感器节点设计

●基于TI的CC2420芯片和ARM单片机设计方案

在设计无线传感器网络网关时，需要较强的数据处理能力，用以实现复杂路由协议以及信息处理等。如图5所示Crossbow的imote2节点采用了MarvellPXA271高性能、低功耗处理器。该处理器使用动态电压调节技术，频率范围13MHz~416MHz，可工作于低电压(0.85V)低频率(13MHz)模式，具备了优良的动态电源管理技术。此外，该处理器封装内集成三个芯片256KBSRAM，32MBFLASH以及32MBSDRAM，减小了体积。通过提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器。该处理器还支持一个MMX协处理器，提高多媒体处理能力，可以用于无线多媒体传感器网络中的语音和图像处理。Imote2使用TI的CC2420ZigBee射频芯片，支持2.4GHz、16通道250kb/s数据传输，发送功率-24～0dBm。有效通讯距离是30米，可以通过SMA接口外接天线来增加传输距离。

Imote2系统结构

●节点设计其他考虑

在智能交通系统专用无线传感器网络节点设计时需要如下考虑：

①节点低功耗设计。终端节点都是电池(可用太阳能蓄电池)供电。

②节点成本要低廉。在进行大规模交通信息采集等部署时，节点成本将是项目关键。

③节点的数据处理及存储能力。一些节点需要进行高速信息采集并且运行识别算法，所以需要数据处理能力。还需要考虑在有限的空间之内存储程序、数据、以及支持代码在线更新等功能。

④此外，根据不同应用场合的需要，无线传感器节点要具有不同的传感器接口，能外接不同的传感器。

其中，能耗管理应该作为重点考虑。特别是采用32位ARM处理器外接射频芯片的解决方案，需要有效降低节点能耗，需要在系统级软件上进一步改善能耗管理，例如优化TinyOS或嵌入式Linux电源管理功能。

结语

无线传感器网络技术应用与研究得到更多关注。本文结合智能交通系统中的典型应用，讨论了无线传感器网络的设计等问题。随着技术发展与成熟，无线传感器网络技术可以在智能交通系统中更多关键性场合得到应用，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、停车管理、交通诱导系统等，更进一步推动智能交通系统的发展。

1．OC.过电流，这可能是变频器里面最常见的故障了。我们首先要排除由于参数问题而导致的故障。例如电流限制，加速时间过短都有可能导致过电流的产生。然后我们就必须判断是否电流检测电路出问题了。以FVR075G7S-4EX为例：我们有时会看到FVR075G7S-4EX在不接电机运行的时候面板也会有电流显示。电流来自于哪里呢？这时就要测试一下它的三个霍尔传感器，为确定那一相传感器损坏我们可以每拆一相传感器的时候开一次机看是否会有电流显示，经过这样试验后基本能排除OC故障。

2．OV.过电压，我们首先要排除由于参数问题而导致的故障。例如减速时间过短，以及由于再生负载而导致的过压等，然后我们可以看一下输入侧电压是否有问题，最后我们可以看一下电压检测电路是否出现了故障，一般的电压检测电路的电压采样点，都是中间直流回路的电压。我们以三肯SVF303为例，它由直流回路取样后（530V左右的直流）通过阻值较大电阻降压后再由光耦进行隔离，当电压超过一定值时，显示“5”过压（此机器为数码管显示）我们可以看一下电阻是否氧化变值，光耦是否有短路现象等。

3．UV.欠电压。我们首先可以看一下输入侧电压是否有问题，然后看一下电压检测电路，故障判断和过压相同。

4．FU.快速熔断器故障。在现行推出的变频器大多推出了快熔故障检测功能。（特别是大功率变频器）以LG030IH-4变频器为例。它主要是对快熔前面后面的电压进行采样检测，当快熔损坏以后必然会出现快熔一端电压没有，此时隔离光耦动作，出现FU报警。更换快熔就因该能解决问题。特别应该注意的是在更换快熔前必须判断主回路是否有问题。

5．OH.过热，主要引起原因变频器内部散热不好。我们可以检查散热风扇及通风通道。

6．SC.短路故障。我们可以检测一下变频器内部是否有短路现象。我们以安川616G5A45P5为例，我们检测一下内部线路，可能不一定有短路现象，此时我们可以检测一下功率模块有可能出现了故障，在驱动电路正常的情况下，更换功率模块，应该能修复机器

在100℃高温下亦可以±10秒的绝对精度检测角度传感器系统

　　在开发并采用新的高精度补偿（误差补偿）算法的同时，还应用该公司生产的DD（直接驱动）马达“Megatorque Motor”上采用的“多极旋转变压器技术”，实现了与光学方式相同的高绝对精度。多极旋转变压器方式的特点是不易受振动、温度及油雾等的影响。通过这些措施，即使在高温条件下，也可获得高精度。 

　　尽管是角度传感器，但通过采用4点接触的球轴承使其能够承受直接负荷，因此比原来更坚固、更易操作。另外，通过在轴承内侧配备小型旋转变压器，使高度较原来缩小了一半，只有35mm。旋转速度为600rpm，绝对角度的最小分辨率为0.5秒（262万等分）。 

　　另外，该公司预定在2008年12月3～5日举办的“SEMICON JAPAN 2008”（幕张Messe会展中心）”上展出此开发品。

　　Foven研制的1600万像素图像传感器标志着CCD和CMOS图像传感器在分辨率和质量两方面的飞跃。Foven的1600万像素图像传感器的分辨率是以前发表的照相机CMOS图像传感器的3倍，是当今低档消费数码相机中普遍使用的CMOS图像传感器的50倍。

　　最新进展及发展趋势

1、低压驱动掩埋光电二极管型CMOS图像传感器

　　CMOS图像传感器在低照度下成像质量一直不如CCD，因而提高图像质量是CMOS图像传感器开发的重点。东芝采用掩埋光电二极管新型结构，降低了漏泄电流，在低压下也能确保无电荷残余地完全读出，实现了与CCD摄像器件同等的高质量图像。

2、低噪声高画质CMOS图像传感器

　　索尼采用独特的"DRSCAN"噪声消除技术和抑制暗电流的"HAD"结构，成功地试制出低噪声高画质1/3英寸33万像素CMOS图像传感器，并计划尽快实现商品化。

　　独特的"DRSCAN"（Dot Sequential Readout System with Current Amplified Signal Output Noise Reduction Circuit）技术即是在逐点顺次读出每像素信号和噪声成分的同时，在同一电路中消除晶体管特性不均引起的固定图形噪声，这是以前逐行消除难以做到的。为了消除暗电流引起的固定图形噪声，还借鉴CCD的"HAD"（Hole accumulation diode）结构。在传感器表面形成空穴积累层，从而抑制非入射光引起的暗电流。这两种固定图形噪声的降低，使S/N比提高了25倍，实现了CMOS图像传感器的高画质。而且HAD结构中采用L形门的像素结构，使几乎所有的电子完全转移，实现了无拖影图像信号输出。

3、高灵敏度CMOS图像传感器

　　日本NEC公司采用0.35 m CMOS工艺技术研制成功了具有双金属光电屏蔽和氮化硅（Si3N4）抗反射膜的深P阱光电二极管结构的CMOS-APS。为了改善器件的灵敏度，NEC公司在研制中采用了深P阱，磷掺杂P型硅衬底，Si3N4、抗反射膜、耗尽晶体管、双金属光电屏蔽等新技术。光入射到常规光电二极管和新型光电二极管的反射率，前者为20% 30%，后者小于10%。由于入射光反射率的降低，提高了器件的灵敏度。其性能参数为：光学尺寸为1/3英寸，像素数为658(H) 493(V)，像素尺寸为7.4 m(H) 7.4 m(V)，芯片尺寸为7.4mm 7.4mm，填充系数为20%，饱和信号为770mV。灵敏度为1090mV/Lx.s-1（无微透镜），转换增益为30 V/e，动态范围为51dB，暗电流为1.5fA/像素（25℃时），功耗为69mW，电源电压为3.3V。

4、轨对轨CMOS-APS

　　美国Photo Vision Systems公司2002年4月开发出一种高分辨率CMOS图像传感器，它具有830万像素的分辨率（3840 2160），比高清晰度电视（HDTV）的分辨率高4倍，比标准电视的分辨率高32倍。该器件适用于数字电视，演播室广播，安全/生物测定学、科学分析和工业监视等应用场合。这种超高清晰度电视彩色摄像机可以最大30帧每秒的速度拍摄2500万像素的图像（渐进或隔行扫描）。同样，IBM公司也将这种传感器集成到一种具有9.2兆像素22.2英寸大小的液晶显示器中。该传感器使用了Photon Vision Systems公司的CMOS有源像素图像传感器技术，从而使该传感器的分辨率指标达到甚至超过CCD图像传感器。

5、单斜率模式CMOS-APS

　　美国Photon Vision Systems公司采用常规SOI（silicon-on-insulator）CMOS工艺研制成功了单斜率模式CMOS-APS。像素数为64 64；像素尺寸为20 m(H) 15 m(V)；填充系数为50%；芯片尺寸为2mm 2mm；帧速为60帧/秒。该器件的单个像素由源跟随器、行选择晶体管n+-P二极管和复位晶体管等组成。另外我国香港科技大学采用2 mSOI CMOS工艺开发出了低压混合体/SOI CMOS有源像素传感器，在1.2V VDD工作时，暗电流小于50nA/cm2；二极管响应率为500mA/W；转换增益为1 V/e-；输出摆幅大于0.5V；动态范围为74dB。采用常规SOI CMOS工艺制备CMOS有源像素传感器（CMOS-APS），是CMOS-APS制备工艺的发展方向。因为采用该工艺容易获得低电压、微功耗的CMOS-APS。因此，混合体（hybrid bulk）/SOI CMOS-APS技术是很有吸引力的。使用SOI CMOS工艺是未来制作CMOS图像传感器的理想工艺。

6、CMOS数字像素传感器

　　CMOS图像传感器的发展至今有三大类，即CMOS-PPS、CMOS-APS、和CMOS-DPS（Digital Pixel sensor），而CMOS-DPS是最近两年才开发出来的。2001年12月Kodak、cadak、Hewlett-packard、Agilent Technolgies和Stanford大学和California大学等采用标准数字式0.18 m CMOS工艺开发成功了高帧速(10000帧/秒)CMOS数字像素传感器。其性能参数为：像素数为352 288；芯片尺寸为5mm 5mm；晶体管数为380万个；读出结构为64bit（167MHz）；最大输出数据速率大于1.33GB/s；最大连续帧速大于10000帧/秒；最大连续像素速率大于1Gpixels/s；像素尺寸为9.4 m(H) 9.4 m(V)；光电探测器类型为n MOS光电栅；每个像素的晶体管数为37；该器件的单个像素由光电二极管，模拟数字转换（ADC）、数字存储器和相关双取样（CDS）电路等组成。

　　CMOS-DPS不像CMOS-PPS和CMOS-APS的模/数（A/D）转换是在像素外进行，而是将模/数（A/D）转换集成在每一个像素单元里，每一像素单元输出的是数字信号，该器件的优点是高速数字读出，无列读出噪声或固定图形噪声，工作速度更快，功耗更低。

7、宽动态范围图像传感器

　　继CMOS-PPS、CMOS-APS和CMOS-DPS发展之后，德国西根大学半导体电子学研究所采用0.7 m CMOS工艺、PECVD超高真空系统以及专用集成电路（ASIC）薄膜技术；设计和制造了宽动态范围图像传感器。该器件由两部分组成：即PECVD氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜是在超高真空中制成的，而ASIC使用标准CMOS工艺制备。这是继CMOS图像传感器问世之后，同CMOS图像传感器一样已经引起人们的重视。薄膜专用集成电路（TFA）图像传感器由正面电极、a-Si:H、背面电极、绝缘层和专用集成电路等组成。像素数为368 256、495 128、1024 108像元，像元尺寸分别为30 m 38 m、10 m 10 m、芯片尺寸分别为16.5mm 14.9mm，16.6mm 12.6mm，动态范围为60dB 125dB。

8、APD图像传感器

　　2001年，瑞士联邦技术学院电子学实验室的Alice Biber和Peter Seitz等人，采用1.2 m标准BiCMOS工艺研制成功了雪崩光电二极管图像传感器（APDIS），每个像素由雪崩光电二极管（APD）、高压稳定电路和图像读出电子部件组成。与常规CMOS有源像素传感器（CMOS-APS）比较，集成APD像素现存的反馈电阻将由反馈电容代替，放大器的热噪声为Vn,amp=30nV/Hz1/2，源跟随器热噪声为Vn,sf=17nV/Hz1/2，C=200fF时（1fF=10-15F），复位（KT/C）噪声的计算值为144 V；增益为1和15时，APD的噪声（i n,APD）分别为3.2 10-33A2/Hz和14.4 10-27A2/Hz。每个球形结构的APD的外部直径为48 m，像素数为12 24，芯片尺寸为2.4mm 2.4mm，总的像素尺寸为154 m 71.5 m。用该器件已组装成了首台APDIS摄像机，拍摄出了清晰的黑白图像。

国内发展现状

　　为了在CMOS图像传感器技术领域占有一席之地，目前国内开展CMOS图像传感器设计、研制和应用开发工作的单位主要有、复旦大学、浙江大学、武汉大学、西安电子科技大学、国防科技大学、中国纺织大学机械系、中国科学院微电子研究中心等院所厂商均开展了CMOS图像传感器的设计、研制和应用开发等工作。北京大学和武汉喜玛拉雅数字成像有限公司共同研制成功了具有自主知识产权的30万像素CMOS数码机相，并且已产品化。西安交通大学开元微电子科技有限公司已研制成功了369 287、768 574、640 480、512 512像素CMOS图像传感器，像素尺寸均为10.8 10.8 m，功耗为150 200mW。并且用该器件开发出了M-N型系列CMOS微型摄像机和可视电话。中国科学院成都光电技术研究所用CMOS-APS开发成功了微型星载敏感器成像系统。北京中星科技有限公司在推出30 130万像素CMOS数码相机的基础上，2001年3月开发出具有国际一流水准的百万门级超大规模CMOS数码图像处理芯片"星光一号"，这是具有自主知识产权的百万门级大规模数码摄像芯片。2001年5月该芯片实现产业化并投入国际市场。为三星、飞利浦和富士通等国际知名品牌视频摄像头所采用。2002年5月22日中星科技有限公司的微型数码相机单芯片CMOS图像处理芯片列为北京市重大高新技术成果转化项目。2002年9月5日该公司又研制成功了我国第一枚具有世界领先水平的发声图像处理芯片"星光二号"。该芯片首次将音频和视频固化一体并同步工作。

　   应用及市场前景

1、在医学上的应用

　　在医疗领域，可将CMOS图像传感器应用于一种医疗X射线机，该机的优点是病人所承受X射线的剂量较小，比传统方式的1%还要低，同时其形成的数字图像不仅比X射线胶片更易保存，而且由于它可以进行进一步的修改、比较等操作，所以可以为医生提供诊断和治疗帮助。1998年IEEE国际固体电路会议上，Photobit的一篇文章是关于一种CMOS牙齿X射线芯片，这个芯片是放在病人的口中来检测X射线辐射，并合成图像。2000年还提出用CMOS图像传感器和一个微电子激励器实现一种视网膜植入系统，这个系统用电子激励为有感光恶化的病人提供视觉感受。美光公司曾经为许多客户定制设?quot;药丸式摄像机（Cameral-in-a-Pilly）"并成功地将一个超低功耗的微型CMOS图像传感器放在一个特制药丸内，病人服下此药丸以后可以让医生清楚地看到胃里的情况，从而更好地实现治疗。

　　CMOS图像传感器除用于医用X射线产品外，还可用CMOS图像传感器组装成超微型摄像机，心脏外科医生可以在患者胸部安装一个微型CMOS摄像机（俗称"电子眼"），以便在手术后监视手术效果，CCD图像传感器就很难实现这种应用。

　　除了在医学领域应用外。CMOS图像传感器将广泛用于保安监控、可视门铃、视频电子邮件、汽车尾视、数码相机、可视电话、视频会议、指纹识别，视觉玩具、星载、制导、医疗等等。

2、CMOS图像传感器的市场

　　据美国国际市场调查公司的统计和预测报告显示，1997年，全球CMOS图像传感器的销售总额为0.54亿美元，1998年增至2.18亿美元；1999年增至10.03亿美元，2000年增至20.58亿美元；2001年增至36.78亿美元；2005年突破100亿美元。iSuppli公司市场情报服务部门日前预测，2005年CMOS图像传感器单位出货量将由2001年的1800万个增长至7200万个。其中，2005年CMOS图像传感器出货量占所有图像传感器的比例将由2001年的23%提高至47%。In-Stat预测CMOS图像传感器的价格将从1999年的10美元下跌至2004年的5美元以下。到2004年，预计置入移动设备的CMOS相机全球市场将达到6000万部，销售额达到3亿美元。专家们认为，21世纪初全球CMOS图像传感器市场将在PC摄像机，移动通信市场、数码相机、摄像机市场、游戏机市场等领域获得大幅度增长，呈现出一派红红火火的兴旺景象。

Analog Devices, Inc.最新推出一款6自由度（6 DoF）惯性传感器——ADIS16365，扩展了其iSensor智能传感器产品系列。ADIS16365 IMU（惯性测量单元）实现了高性能、简单性与改进的数据接口的完美结合，具有更快的响应时间和更低的功耗。对于高性能平台控制与导航设备的设计工程师来说，ADIS16365使得复杂的运动检测设计更加容易且性价比更高。新的IMU可使功耗降低至少20%，启动时间提升约10倍，偏移稳定性提高50%，并降低了影响导航精度的噪声。除了传统的工业车载导航系统，ADIS16365的低噪声和快速响应时间特性也有益于多种平台稳定性应用，如车载天线及照相机。

改进的GPS导航

ADIS16365可用于任何需要高性能运动控制与反馈要求的领域。在依靠GPS卫星导航保持精确位置信息的车辆中，如高端农业设备，IMU可以立即检测出因地形崎岖引起的 GPS天线位置的微小移动，从而提高设备性能。该特性支持实时信号校正，并可提供最高的航向精度。此外，利用ADIS16365的快速响应时间和出色的稳定性，车载照相机或工厂自动化机器臂即使在不稳定的条件下仍可以保持极高的分辨率。

ADIS16365提供高性价比、卓越的性能

IMU传感器实现方案涉及复杂的机电设计，包括许多传感器之间与环境依赖性。传统的解决方案比较昂贵，而且都是为特定应用定制。经过工厂校准与可编程的ADIS16365简化了完整IMU传感器能力的实现过程，并可为广泛的客户和应用提供价格合理的精密6自由度检测。这款器件的多个独有特性可以进一步缩短设计时间，并降低设计复杂性，包括自动化传感器参考点重新排列、数字范围扩展、动态环境补偿、自动检测，以及嵌入式传感器条件监控。ADIS16365利用ADI公司特有的、嵌入IMU内的运动与校准测试技术采集传感器数据，并在所有3个轴之间进行排列补偿，对电压变化、温度变化及其它影响进行校准，再在使用中对其进行动态补偿，这些都是用户透明的。

ADIS16365与其它iSensor 6自由度传感器后向兼容，并支持快速的数据访问接口、额外的系统I/O、较宽动态范围的加速计(17g)，以及扩展的温度范围(–40℃～+105℃）。

利用ADI公司MEMS专门技术的6自由度运动检测

ADIS16365 IMU采用ADI公司领先的iMEMS Motion Signal Processing（运动信号处理）技术，集成3个陀螺仪和3个加速计，以提供6自由度运动检测。嵌入的精密自动调零，以及出众的0.05o/sec/g动态线性加速补偿因数，使设计人员无需进行进一步的运动测试即可实现0.009o/sec或更佳的运行偏移稳定性。对于工业应用，ADIS16365达到前所未有的性能水平，并大幅降低后处理复杂性和实现成本。最新IMU传感器具有可编程SPI接口，便于控制数字滤波、采样率、电源管理、自检以及传感器状态与报警等特性。这款传感器的体积不到1立方英寸，与前几代产品引脚兼容。仅需电源和SPI接口连接，ADIS16365即可实现完全的系统内可调，允许设计人员便捷的调试系统，并利用不同的配置进行设计优化试验。

供货与报价

现在可提供ADIS16365样片，千片订量报价为 375美元/片。这款器件采用23 mm × 23 mm × 23 mm的紧凑型模块封装。

评估工具
iSensor系列智能传感器评估板可通过通用连接器及完整的PC评估系统进行访问。

电流传感器

　　如果一个功率模块配备了电流传感器，其信号主要是用作输出电流控制（例如：在传动应用中），并且还可以起到保护器件的作用。电机控制的需求确定电流传感器的特性。在许多情况下，故障（包括温度漂移）都必须低于1 ... 2%。对温度（-40℃～125℃）和低电流损耗的要求是通过功率模块自身来设定的。器件保护功能设定过流能力（最大短路电流为额定电流的5倍），上限截止频率（> 100kHz）。

　　对于中低功率器件，使用电流分流器是一个精确且低成本高效率的解决方案。电流限额约为30A～40A。不足之处是有额外的功率损耗，并且如果分流器用于测量发射极电流，将会失去隔离且IGBT栅极信号中存在干扰。

　　对于高性能和大功率半导体模块，一般使用电气隔离的传感器。无补偿电流的纯霍尔效应传感器在误差和温度稳定性方面的性能较差。传感器可用在用户指定的模块中，因为这些模块中的需求定义的很清楚。具有高线性度和低温度漂移的传感器与补偿电流一起运作。该电流抵消传感器核心内测量电流的磁场。补偿电流放大器的控制信号由霍尔效应、磁场或磁阻探头提供。

　　对于像赛米控SKiiP系统这样的智能功率模块（IPM），由于最终应用对于高性能的要求，使用高精度的传感器是最合适的。在最终应用中，传感器直接集成在模块的外壳中，环绕主端子以节省空间（图1）。用于信号监测和转换的评估电路是驱动器电路的一部分。特殊设计的ASIC芯片保证高集成度和高可靠性，这在采用外部传感器的方案中是难以实现。

　　在IPM内部，电流监测电路与驱动器电路直接相连。它可以在最短时间内检测到外部短路，并且可在2～3µs内关断功率半导体。未来，这一特性将变得越来越重要，因为与过去的IGBT允许10 µs的短路时间相比，新一代IGBT只允许6 µs的短路时间。

　　电压源逆变电路AC端子处的电流传感器不能检测到逆变桥内的短路。这里，通过监测VCE(sat)，处于开态的半导体的斜率电阻用于保护目的。该方法对于短路保护是足够的，但并不适合电流的测量。

温度传感器
对于器件保护而言，有几种温度传感器可供使用。这些传感器具有负温度系数（NTC）或正温度系数（PTC）。标准工业模块中使用最多的是NTC传感器。赛米控使用自己的硅芯片传感器SKCS，该传感器为PTC特性、具有线性度高和误差小的特点。配合适合的监测电路，诸如SKiiP的IPM提供一个模拟输出信号用于温度测量和故障率低于5°C的保护功能。

　　传感器在模块内的位置在很大程度上影响其温度保护的能力。事实上，在这方面传感器的位置比传感器的误差更重要。如果硬件断路电平由驱动器或控制电路设置，则尤为如此． 

图2：功率模块内有关不同温度传感器位置的案例研究；模型和温度模拟

　　对不同位置传感器所带来的影响进行了一项研究。功率模块的一个模型如图 2所示。该模块没有铜底板，安装在一个风冷铝散热器上。不同传感器的热耦合不同，从传感器A）在同一铜层上与功率半导体直接相连，到传感器B）和C）在模块内不同位置进行隔离，到放置在散热器上模块旁的传感器D）。由于不同的热耦合，每个传感器有不同的结（ j ）到传感器（r）热阻Rth(j-r)。

　　用于过热保护的断路电平可在准静态条件为每个传感器设定。例如，如果Tj 不能超过140°C，则所研究案例系统的“过热关断”断路电平将从120°C（传感器A）、110°C（传感器B）、100°C（传感器C）至70°C（传感器D）不等。源和传感器之间的耦合越好，冷却系统的影响越低。这是集成解决方案的一个很大的优势。

　　不过，对于其他冷却条件（散热材料和根基厚度、冷却介质、导热硅脂厚度），断路电平不得不设定为新的值。这使得IPM的制造商很难为任意给定的应用将过热断路电平设定至一个适当值。为此，传感器信号应由外部上位控制器进行监测，并且如果需要的话，热保护电平应与冷却系统相匹配。

　　为显示冷却系统所产生的影响，导热硅脂层的厚度由原来的50 µm增加至100 µm。由于传感器A与功率半导体有着最佳的热耦合，因此可以看出对Rth(j-r) 的影响最低，其值只增加了3%。 传感器B和C的Rth(j-r) 值增加了 7…8%。冷却系统对传感器D的Rth(j-r)影响最大，其值的增加超过 25%。

　　另一个问题是温度传感器是否能够在短时过载的情况下保护功率半导体。每个传感器对结温升高做出反应的时间存在延迟，该延迟与传感器的位置相关。这一特性由热阻抗Zth(j-r)来描述。它的表现与期望的不一致（见图3）。Zth(j-r)与结到散热器的热阻抗Zth(j-s)（直接在芯片下）的比较表明 在一秒钟之后系统的结-散热器热阻抗已达到稳态条件，而系统的结-传感器则需要100秒才能到达稳态。其中的原因是散热器内部存在热扩散。

图3：结（ j ）到不同位置传感器（rX ）和散热器的热阻抗

  　　对于每一个功率半导体，其静态功耗Ptot的最大值是指定的。对于示例中的从50% Ptot至200% Ptot的过载跳变，半导体将一段时间后过热。传感器A将在0.19s后达到其120°C的断路电平，提供可靠的设备保护并将结温保持在约150°C。由传感器B和C提供保护的设备的结温将处在160 °C至170°C这样一个危急的范围内；在这些情况中，传感器需要0.3…0.4s达到断路电平。取决于器件的特性，这可能意味着已经超过了数据手册中规定的限额。传感器D的反应时间超过1秒，因此无法保护设备。对于过载非常高且启动温度低的情况，温度传感器不能提供任何适当的保护。

　　有关不同温度传感器位置优缺点的概述在表1中列出，由于有隔离，位于B位置的传感器如今是首选的方案。如果未来驱动器带保护电路并且信号在驱动器二次侧进行变换，则可能意味着传感器位置A 也许是更好的解决方案。

集成保护
　　如果发生短时过载，设备保护将存在一个空隙。电流传感器的断路值设定为较高值以允许短时过载，比如在电机起动的时候。长期运行在该电流等级下将导致设备过热。在大多数情况下，温度保护元件的反应时间太长而无法检测到这种过热。

　　填补这一空白的一种可能的方式是利用电流及温度信号的软件关断。逆变控制器以传感器的温度和电气运行条件为基础计算结温。tp时刻的结温可由下式计算出：

　　P0为t=0s 时的功耗，Pover为过载时的功耗。

　　这里，热阻抗Zth(j-r)如数据手册中所述，模拟温度信号Tr也是需要的。

 表1：有关不同位置温度传感器是否适合于保护功率半导体的比较

总结

　　IPM内的集成传感器在宽范围运行条件下保护像SKiiP这样的功率模块。配备合适的评估电路，它能作为一个协同效应为过程控制提供高质量的信息。这可以节省空间、成本和开发时间。通过外部观测器，可用传感器信号的联合可填补应用中特定保护的空隙。

1  引言

人脸识别作为一种重要的个人身份鉴别技术,有着广泛的应用,与利用人体其它生物特征,如指纹、虹膜、语音等相比更为直观方便。人脸图像能用于身份识别，主要是因为人的面貌属于人本身固有的生物特征，这种特征具有不可复制，难于伪造的特点，弥补了密码、签字、口令、证据等传统手段容易泄漏、遗忘的缺点。当然人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、骨架、基因等都具有唯一性和稳定性，都可以作为身份识别的依据，但以人脸图像的获取是最方便的。

2  人脸自动识别系统

人脸自动识别系统的基本实现思想通过赋予计算机的“眼睛”(如摄像机、数码相机等)“观察”到的“影像”—－人脸，从中提取有效个体特征来鉴别身份的能力。主要包括两个主要技术环节(如图1所示)，分别对应于人脸的检测和人脸的识别：首先是发现并找出给定图像(静态)或图像序列(动态)中人脸的位置，可以经图像传感器(如ccd摄像机)获取图像，经预处理后检测是否存在有效人脸，如果有，则通过特征提取，得到标识人脸个体的有效特征(包括特征降维处理)对识别分类器进行训练，以得到一个识别率尽可能高而拒识率尽可能低的分类器即然后才是对归一化的人脸图像进行特征提取与识别；然后是对归一化的人脸图像进行特征提取与识别，识别时将提取的人脸特征送入训练好的分类器并根据分类器的输出得到识别结果。

图1 人脸自动识别系统的构成

人脸的检测与人脸的识别是人脸识别技术两个不可分的部分,一个完整的人脸识别系统将是这两部分的有机结合。

3  人脸的检测与识别算法

近年来，国际上发表人脸识别方面相关论文的数量大幅度增长。著名的国际学术会议有afgr，avbpr等，这些会议及时准确地反映人脸识别领域最新的理论和应用成果。下面就主要介绍一下其中涉及的一些广泛应用的人脸检测与识别算法。

3.1 基于可视特征的方法

基于可视特征的方法主要是利用人们从人脸的表观特征总结出来的先验知识，使用规则来描述人脸的几何分布、颜色、纹理等可见特征，来作为人脸检测和识别的依据。基于可视特征的方法是一种自顶向下的方法，主要是寻找人脸的不变特征。

（1）几何特征：众多的人脸看起来各不相同，但其内部存在普遍适用的规律，其中重要的一个几何特征是五官位置分布的相对比例关系，如图2所示，即我国传统上所讲的“三庭五眼”。

图 2  人脸器官的相对位置关系

每张人脸从他的发际到眉间、眉间到鼻尖、鼻尖到下巴的距离大致相等，称为三庭；从正面看，人脸在双眼水平连线处最宽，一般为五个眼睛宽度。即两眼宽度、两眼外角到两耳之间的宽度，和两眼内角之间的宽度，称之为五眼。这表明，虽然每张人脸都不尽相同，但五官的大体位置是一致的。可以通过检测图像中是否存在满足条件的子图像来检测人脸。

基于几何特征的方法的主要缺点是几何特征可能由于光照、噪声、遮挡等原因而被破坏，同时由人脸阴影所形成的边缘可能对几何特征的边缘带来不良影响。

（2）纹理特征：人脸有可以作为区别于其他事物的特殊纹理特性，可以基于sgld(空间灰度依赖矩阵)建立由一组不等式组成的人脸纹理模型,实现人脸检测与定位。

（3）颜色特征：人的皮肤颜色是人脸表面最为显著的特征之一，它也是人脸的一种显著纹理。不同民族的人的面部肤色在颜色空间中的分布是相对集中的，颜色信息在一定程度上可以将人脸同大部分背景区分开。目前已有 rgb，hsv (hsi)，ycrcb，yiq，yes，cie 等颜色空间被用于标记人脸的肤色。肤色算法有如下的优点：第一，可以在普通工作站上以帧速率来实现人脸区域分割；第二，肤色分割算法没有使用特殊的脸部特征，因此头部方向和姿态的变化不会影响对于肤色区域的确定；第三，允许被跟踪对象自由活动，减少对环境的限制。但是由于光源的颜色以及光照的角度不同所造成的高亮和阴影等诸多因素的影响，利用颜色分割人脸仍然一个非常困难的问题。因此，通常需要将皮肤颜色信息与形状分析、运动信息等方法相结合，以便能够更好地在图像序列中定位和跟踪人脸。

3.2 基于模板的方法

很多人脸检测系统是基于模板的，模板匹配的方法主要是通过计算模板和图像之间的相关性来实现识别功能。

（1）通用模板匹配：在模板匹配中，人脸标准模板由人工来定义。对于输入图像，分别计算标准模板中的脸部轮廓，眼睛，鼻子等的相关值，由相关程度来决定人脸的存在。这种方法的特点是实现起来比较简单，但是模板匹配方法在很多场合并不适用，因为简单的模板不能适应尺寸、姿态和形状的变化。因而实际应用中多数采用多分辨率、多尺度、多子模板和可变形模板实现模板匹配，以增加适应性和准确性。

（2）可变形模板匹配：可变形模板法可以说是几何特征方法的改进，其基本思想是：设计参数可调的器官模型，即可变形模板，定义一个能量函数，通过调整模型参数使得能量函数最小化，此时的模型参数即为对象的几何特征。可变形模板方法存在两个问题，一是能量函数中各种代价的加权系数只能由经验确定，难以推广；二是能量函数的优化过程十分耗时，难以实际应用。

3.3 基于代数特征的方法

基于代数特征的方法，通常是将图像空间的像素点变换到一个投影空间。用一定数量的基本图像对人脸图像进行线性编码。把给定的m*n像素的训练样本集称为空间域向量。这个基本的向量被映射到一个优化的子空间。把子空间向量叫做变换域向量。此方法的目的就是寻找一种从空间域到变换域之间的最优表示，并把这个优化的向量叫做特征图像。

（1）主分量分析（pca）：主分量分析(pca，principal co- mponenta

-nalysis)是多元统计分析中用来分析数据的一种方法。它是一种用较少数量的特征对样本进行描述以达到降低特征空间维度的方法，其基础是 karhunen-loeve展开式，简称klt。基于klt的人脸识别方法，即用klt后的图像主特征向量来表示人脸特征，因此叫做特征脸（eigenface）。这样既可以降低空间维数，又可以抽取人脸特征。人脸图像投影到子空间，非人脸图像也被投影到相同的空间。由于人脸图像在投影空间没有根本的变化，而非人脸图像却表现得非常不同，因而可以检测出图像中人脸的存在。

（2）独立分量分析（ica）：从数学上讲，独立分量分析（ica，independent component analysis）是一种对多变量数据进行非正交线性坐标变换的方法，坐标轴的方向由可观察到的混合数据的二阶和高阶统计信息确定，变换的目的是使变换后的变量间相互独立。因为与主分量分析相似而得名。先运用 ica 方法表示人脸，用一组统计独立变量的线性组合来表示人脸。与主分量分析方法类似，独立分量分析也通过原始的样本数据计算求得一个特征空间，之后将新的数据投影到这个特征空间，得到一组特征量，用于识别分类。与 pca 方法不同，ica 方法要求特征空间的各个分量间统计独立。pca 只考虑了模式的二阶统计量，它的特点就是变换后特征向量是相互无关性；ica 不仅考虑了模式的二阶统计量，而且还分析了模式的高阶统计量，ica的特点是变换后的独立量是独立非正交的。人脸的许多重要信息隐含在图像像素的高阶统计关系中，ica 方法可以更好的表示人脸视图的局部特征。

（3）线性判别分析（lda）：线性判别分析（lda, linear/ fisher discrimination analysis）思想是将多维空间的样本投影到一条直线上，形成一维特征空间。在该直线上样本的投影具有最佳可分性，即同类模式尽可能的密集，不同类模式尽可能分开。

该方法实质上就是多维模式空间到一维特征空间的映射，利用类的成员信息形成一组特征向量，特征向量体现了不同的人脸变化，称此特征空间为 fisherface。该方法以训练样本的类内散布矩阵与类间散布矩阵为基础构造最优投影空间。与pca相比，lda更好地反映了不同人脸之间的差异性，即增加了类间差异；但却忽略了同一个体由于光照、姿态等因素的不同而产生的类内差异。

3.4 基于机器学习的方法

在基于几何特征的方法和基于模板的方法中，人脸的特征都是由专家预先定义好的；而在基于机器学习的方法中，人脸的特征或类别是利用统计分析和机器学习的技术从样本中学习来的。学习所得的人脸特征或类别存在于由各种算法所保证的分布规律、模型和判别函数中，并被用于人脸的检测和识别中。

（1）神经网络方法(ann)：神经网络技术(ann,artificial neural networks)作为一类模式识别方法近年来发展迅速。神经网络可视为大量相联的简单处理器（神经元）构成的大规模并行计算系统。神经网络具有学习复杂的非线性输入输出关系的能力，对于模型和规则的依赖性较低，可以利用训练过程来适应数据。

神经网络识别法是将人脸直接用灰度图(二维矩阵)表征，利用了神经网络的学习能力及分类能力。这种方法的优势在于保存了人脸图像中的材质信息及细微的形状信息，同时避免了较为复杂的特征提取工作。而且，由于图像被整体输入，符合格氏塔(gestalt)心理学中对人类识别能力的解释。基于神经网络的方法的特点是信息处理方式是并行而非串行，并且信息编码的存储方式是分布式。

（2）支持向量机(svm)：支持向量机(svm, support vector machines)是一类新型的基于统计的机器学习方法。由于其出色的学习性能，该技术已经成为机器学习领域的研究热点。svm 分类器是一种线性分类器，它选择可分离的超平面，以使不可见的测试模式的预知分类错误最小，目的是使期望总体误差的上边界最小。它是基于结构风险最小化原理的方法，较之于基于经验风险最小化的人工神经网络，一些难以逾越的问题，如模型的选择和过学习问题、非线性和维数灾难问题、局部极小点问题等都得到了很大程度的解决。

（3）贝叶斯方法（bayes）：贝叶斯决策方法是统计模式识别中的一个基本方法。将两幅图像灰度差δ= ij-ik作为模式矢量,当其中的人脸属于同一个人时，δ为类内模式ωi，属于不同人时为类间模式ωe。采用最大后验概率准则能够较好的解决此类模式分类问题。不过,人脸识别不同于一般的模式分类,不仅要判断待检测图像x与数据库中的图像y是属于类内模式还是属于类间模式,还要判断图像x与图像y是否属于同一个人。如果判断出x与数据库中的多个y都属于同一个人,则还需要进一步判断哪一对匹配最好。因此,该问题具有较高的复杂性。

（4）隐马尔科夫模型(hmm)：隐马尔科夫模型(hmm,hidden markov model)的根本思想是假设对象模型能够被表示成一个参数随即过程，并且随机过程的参数能够用一种预先定义的准确方法进行评估。为对象模型隐含状态的数量必须被预先选定。样本被表示成一系列观察向量，训练 hmm 从观察中学习典型概率。

4  结束语

在实际的人脸识别过程中, 人脸识别的复杂性使得仅仅单独使用任何一种现有的方法都不可能取得很好的识别效果，结合多种基本方法,是目前人脸识别技术研究的显著特点之一。例如,针对大多数识别方法的速度较慢的问题,人们提出了基于混合方法的人脸检测方法。基于混合的方法结合了两种或更多种前面提到的方法,进而形成更准确和鲁棒的人脸检测系统。如人们已经提出了基于颜色和运动的融合方法,运动、颜色、形状信息融合方法,颜色分割、运动检测、形状分析的融合方法等进行人脸检测。基于混合方法的优点是实现了信息的融合,混合方法的优势是使一种方法的缺点被另一种方法的优点补偿。因此,混合方法将是未来人脸检测研究领域的主要课题。

特征提取与处理是人脸识别中的关键,无论是人脸检测定位、面部特征提取还是人脸确认识别,每一步都需要大量可靠的人脸特征。特征是根据测量获得的,而在测量空间中提供的图像信息不但维数高,而且不稳定。因此,在人脸图像处理过程中,必须将高维测量空间中的信息转换为低维特征空间中的特征向量,这也是近几年来人脸识别技术发展的另一特点之一。

由于人脸对象的非刚体性，以及姿态、光照、遮挡等各种变化因素的影响和实时性要求，高性能的人脸检测仍是一个困难的问题。相信随着计算机技术和生物识别技术的发展,以及人脸的检测与识别技术的不断完善,在不远的将来,一套准确而高效的人脸检测与识别系统就会呈现在我们的面前。

感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。这一章，将介绍一下移动机器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。

根据传感器的作用分，一般传感器分为：

内部传感器（体内传感器）：主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。

外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。

根据传感器的运行方式，可以分为：

被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。

主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外，激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻两个机器人都发出超声波，这些信号就会产生干扰。

传感器一般有以下几个指标：

动态范围：是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量1mA－20A的电流，那么这个传感器的测量范围就是10log（20/0.001)=43dB. 如果传感器的输入超出了传感器的测量范围，那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。

分辨率：分辨率是指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器，它的分辨率可能是5mA，也就是说小于5mA的电流差异，它没法检测出。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。

线性度：这是一个非常重要的指标来衡量传感器输入和输出的关系。

频率：是指传感器的采样速度。比如一个超声波传感器的采样速度为20HZ，也就是说每秒钟能扫描20次。

下面介绍一下常用的传感器：

编码器：主要用于测量电机的旋转角度和速度。任何用电机的地方，都可以用编码器来作为传感器来获得电机的输出。

光电编码器的原理

电子罗盘：可以检测机器人与地球南北极之间的角度，从而获得机器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物体都会造成罗盘失灵，比如扬声器。所以要配合其它传感器，比如编码器一起使用才能获得比较好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate两种：

Hall-Effect 原理的电子罗盘  Flux-gate 原理的电子罗盘

陀螺仪：又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。但是目前价格过高，只在飞机上采用。目前最好的光电陀螺仪能提供100KHz的采样频率，同时提供0.0001degress/hr的分辨率。但是价格也是同样昂贵。

GPS系统：这个相比不需要太多的解释。GPS系统分为标准GPS和差分GPS系统。标准GPS系统能提供15m的误差定位，而差分GPS系统能提供高达1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话，最新的GPS设备能提供精确到10cm的定位坐标。怪不得美国人现在的导弹精确度如此之高。

差分GPS系统(DGPS)

超声波传感器：超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小，因为回波会随着距离的增加而发散，从而强度变小。但是在刚发射信号的时候，返回信号的阀值会被设定的很高以防止发射波直接触发接受器，但是这样造成一个问题，就是如果检测的距离很短，在阀值没有下降之前，返回信号已经到达接收器，这时，接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号，从而拒绝接受。超声波传感器就会有一个探测盲区，没法这样对近距离物体探测。一般超声波探测器的频率为40Hz，探测范围为12c'm－5m，精度为98%-99.1%,分辨率为2cm。同时超声波是一个20－40度角的面探测，所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列来获得180度甚至360的探测范围。 超声波还有其它几个缺点，比如交叉感应，扫描频率低，尤其是使用超声波阵列的时候，还有回波衰减，折射等问题。不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最廉价和有效的传感器。

TOF（time of flight):TOF 原理就是 距离＝速度×时间，比如声波传输速度是0.3m/ms,如果3m的距离，需要10ms才能到达。然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速的话，光速是0.3m/ns，同样3m的距离，光只要10ns就到了。这就对检测元件提出了非常高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。

TOF 原理

激光传感器：原理就是一个旋转得反射镜，将激光光束或者超声波按一定间隔反射出去，然后根据旋转得角度和时间差来得到不同角度得距离值。是用很典型得TOF原理。

不过对于激光传感器而言，有3种检测方式：
1）使用脉冲激光，按一定间隔发射激光，然后计算返回时间。这种方法和超声波一样，但是激光速度太快，所以对检测元件要求太高，一般LaserScanner不用这种方式。
2）使用不同频率得激光，按照一点顺序，发射不同频率得激光，通过检测返回光束得频率来得到距离。
3）相位差。多数激光传感器用得是这种方法。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到距离。

由此可见，D是由1/x决定的，所以用这个测量法可以测得距离非常近的物体，目前最精确可以到1um的分辨率。但是由于D同时也是L的函数，要增加测量距离就必须增大L值。所以不能探测远距离物体。

但是如果将红外传感器和超声波传感器同时应用于机器人，就能提供全范围的探测范围了，超声波传感器的盲区正好可以由红外传感器来弥补。

多普勒效应传感器：主要用于探测移动物体的速度。目前战斗机上用的雷达就是基于这个原理的。主要用于躲避快速移动障埃物。

多普勒原理（Doppler)：假设发射器以频率ft发射波，接收器以频率fr接受波，发射器和接收器之间的相对速度为v。

如果发射器在移动，则

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移动，则

fr=ft(1+v/c)

通过计算多普勒频移来得到相对速度v。

f=ft-fr=2*ft*v*cosA/c

f=多普勒频移

A＝发射波和运动角度差
 

 静止状态

物体趋近

  物体远离

 目前还没有适合小型移动机器人的相关传感器出现。

视觉传感器：摄像头都是属于视觉传感器，目前200元一个的网络摄像头也都可以用作机器人的视觉传感器。

红外传感器：是利用三角测量法。

三角测量法（Triangulation-based):就是把发射器和接受器按照一定距离安装，然后与被探测的点形成一个三角形的三个顶点，由于发射器和接收器的距离已知，发射角度已知，反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距离就可以求出。假设发射角度是90度的情况，

D=f(L/x)

L=发射器和接收器的距离

x＝接受波的偏移距离

f（）是函数。

    原来的非接触式电流传感器大致有3种结构模式，如图1所示。在图1中，例1所示为以霍尔元件作为磁场检测元件设置在铁芯的间隙内；例2所示为在铁芯的间隙内设置霍尔元件，而在铁芯上设置反馈线圈；例3所示为在铁芯的间隙内设置磁一光效应元件（应用法拉第效应的元件），用作磁场检测元件。

图1 非接触式电流传感器的结构

    上述3种结构模式的缺点如下：

    例1中元件的温度特性不佳，输出均匀性较差，因而电流检测精度不高。再者，此种传感器极易受漂移的影响，稍微受点漂移影响就难以测量含直流成分的电流。

    例2虽可解决例1中出现的问题，但要精密测量线圈中流过的电流还必须排除外界干扰因索，如果受到感应噪声等因素的影响，也就难以实现精密测量。特别是电流传感器的传感部和控制电流传感器信号的控制部之间的距离长，付出的代价就更高。

    例3由于其控制部的信号只用光传送，噪声虽低，但漂移的影响却不小，因而也不能测量含直流成分的电流。

2 技术创新

    本开发立足于技术创新，着重致力于结构改进。其举措是局部铁芯为饱和磁体，并由铁芯形成间隙，铁芯环绕在导体的外周，线圈绕在铁芯上，将磁场检测元件设置在间隙内。

    由于本开发将磁场检测元件设置在铁芯饱和磁体的间隙内，因而在测量导体中所流过的电流时线圈中没有电流。若用磁场检测元件测量间隙内的磁场，根据测得的磁场强度即可知道导体中流过的电流。

    在此情况下，如果磁场检测元件的检测灵敏度始终保持稳定不变，那么要精确测量导体中流过的电流是不成问题的。可是，磁场检测元件的材料、制件、粘接剂等因温度引起的变化以及时效变化、光源变化等因素都会影响磁场检测元件的检测灵敏度．使之产生漂移，因此，不能精密测量导体中流过的电流。为此，本开发采用绕在铁芯上的线圈，可按需要对磁场检测元件的灵敏度加以校正，使磁场检测元件的灵敏度始终如一，经常保持在稳定不变的状态。

    校正灵敏度时经由绕在铁芯上的线圈内流过的电流达到一定量值程度时，就会使铁芯的磁体形成饱和状态而与导体中流过的电流无关。间隙内产生一定量的磁通密度，当其达到一定程度时，即使磁场再增强，磁通密度也不会再增大。此时，可用磁场检测元件测量间隙内的磁场，此测量值中如果不存在上述漂移因素，那么通常即为固定值（基准值）；但若存在漂移因素，其值就会变化。放大器与磁场检测元件的光检测器连接，对其进行调制，并将磁场检测元件的输出值与基准值相比较；同时对磁场检测元件的灵敏度进行校正，此校正可在瞬间进行，并且无需切断导体中流动的电流。
3 实例

    图2所示为本开发提供的非接触式电流传感器的结构。线圈绕在铁芯上，磁场检测元件设置在铁芯的间隙内，光检测器测量磁场检测元件的输出，放大器调制磁场检测元件的输出。 

图2 改进后的结构

    局部铁芯必须形成饱和磁体，但并不局限于此，整个铁芯均为饱和磁体也无妨。若需追求饱和磁体所具有的短暂饱和特性，选用铁紊体或非晶体之类的磁性合金便可奏效。

    图3所示为非接触式电流传感器的铁芯示例。铁芯的两端部采用高磁导率和高磁通密度的磁体，端头以外部分采用饱和磁体，两端头尖细成锥形，以增大间隙的磁通密度；提高电流传感器的灵敏度。

图3 铁芯示例

    磁场检测元件可以采用磁一光效应元件和霍尔元件，但是由于前者仅用光的方式就能进行传感部和控制部之间的信号传送，并且不受感应噪声的影响，因而相比之下前者较为理想。

    在测量导体内流过的电流时，饱和磁体随其流过的电流一旦达到饱和程度，即使再增大导体中的电流，间隙内的磁场也不会再变化。由于其变化量用磁场检测元件检测不出，因而饱和磁体的饱和程度不能由导体内流过的电流来定，而其饱和点主要取决于饱和磁体的形状和尺寸，特别是间隙的形状和尺寸。

4 效果

    实验结果表明，新开发的非接触式电流传感器具有如下成效：消除了磁场检测元件的输出漂移，能精确测量含直流成分的电流；无需精密调制线圈中流动的电流就能精密测量电流；采用磁一光效应元件，其输入和输出信号为光信号，无感应噪声之忧；改善了温度特性。

血压是极为重要的健康指标，血压测量的准确与否直接关系到人们的健康。国家把血压计列为强制检定计量器具。一般医院使用的水银血压计基于人工柯氏音法，这种方法存在一些固有的缺点：一是放气的快慢对读数有直接影响，国际标准放气速度为每秒3～5mmHg，而不同的医生放气有快有慢，会影响测量的准确度；二是这种方法以人的视觉、听觉和协调程度为主要依据，很难标准化。为此，本设计从血压的检测方法着手，采用日本松下公司高速、低功耗的MN101EF32D单片机，作为血压计测量、控制、数据读写、数据显示的核心，可准确地采用示波法（振荡法）测量血压。

工作原理
示波法（振荡法）是根据袖带在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当袖带压力振荡波的振幅最大时，袖带的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。

硬件设计
系统基本工作原理如图1所示。压力传感器输出的电压信号首先通过低通滤波器滤波，之后由运放电路将信号转化为适合单片机的输入信号，最后将模拟的采样信号经过MN101EF32D单片机转化为数字量。程序对采集的数据进行数字滤波后分析，计算出人体血压的两个关键指标"舒张压"和"收缩压"，之后单片机立即将数据存储到外部存储器中，并将这些重要数据显示在LCD上。

 传感器绍及其外围电路的设计

该血压计使用的传感器为MPS-3100-006G压阻式压力传感器，是由四个等值电阻组成的惠式电桥，其输出电压和输入压力成正比，理想状态下当压力输入时，电阻值就跟着改变，但实际上温度的改变也会影响其阻值输出结果。另外，由于晶体和电路设计制作的误差，加上封装过程等方面的影响，零点偏移不是零。所以必须由外加元件来进行个别温度补偿电路校正。其重要指标如下：

a、传感器测定范围：5.8~15 PSIG
b、操作温度范围：?40~85 ℃
c、驱动电流：1.5~3mA
d、驱动电压：5~15V
e、零点漂移：?25~25mV
f、电阻温度系数为：0.2％/℃

因为血压信号取自手臂，测量的信号容易受袖带的位置、手臂的挪动而带来的干扰。根据这些专业特点，要求系统具备高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声以及低漂移等特征。如图2所示，图中的T1即为MPS-3100-006G压阻式压力传感器。整个电路首先将压力信号转换为电压信号，然后进行放大滤波。图中U1、U2为有源运放LM324，它的输入阻抗很高。压力传感器的信号通过放大后，并通过调节VR1的大小来改变运放的闭环增益，以调节为适应于A/D的电压输入范围。U1运放回路用来测量袖带中的压力，测量的数据用来供MCU分析并控制对袖带充气和放气的速度。另外U2运放回路是将通过C11电容隔直的交流信号放大，此回路测量的是人体的脉搏波。两个回路的采集数据构成了血压计各个指标的重要计算参数。

MN101EF32D的特性

MN101EF32D是松下（Panasonic）公司于2008年初推出的产品，MN101Exx系列8位单片机复合了多功能的外围功能，具有灵活而最优化的硬件结构，简洁而高效的指令体系，充分实现经济性和高速性。

MN101E32D型单片机，内置64KB Flash、4KB RAM，具备6个外部中断、20个内部中断(包括NMI)、9个定时器计数器、3个串行接口、8路A/D转换器、32×4段LCD驱动器、监视定时器、单系统的数据自动传送功能、同步输出功能以及蜂鸣器输出等外围功能。最小指令执行时间可达50ns，封装为64引脚LQFP。本血压计使用MN101EF32D的功能大致如下：

a、10位A/D采样，用于静态压力及脉搏波的测量。
b、LCD显示控制器，直接驱动23*4段的液晶显示器，显示测量的过程及结果。
c、定时器功能，用于定时A/D采样数据并计算自动关机时间。
d、采用数字信号处理的技术对A/D采样的信号进行处理，主要有数字低通滤波和相关的计算。
e、电源开启采用硬件控制的方法，电源关闭采用软件控制的方法，关机时除了稳压模块外，其它芯片处于断电状态，功耗极低。
f、测量时可以选择mmHg和Kpa作为主显示方式，测量精度高，达到静态1mmHg、动态3mmHg的测量精度。由于采用铁电存储器作为存储媒介，数据的保存时间很长。

MN101EF32D与外部串行铁电存储器的硬件连接

在选择外部存储器时，由于考虑到要长期反复擦除、写入所设置的工作参数和测量到的重要信息，并保存大量的历史数据，因此必须使用容量较大的静态存储器，以便写入尽可能多的数据信息并保证掉电后数据不丢失。由于EEPROM本身的设计工艺。寿命有限，而且写入的时间较长，因此不适合用于电池供电的系统。血压计需要保存的数据设计依次为收缩压（2个字节）、舒张压（2个字节）、平均压（2个字节）、脉搏（2个字节）、每次记录的时间（5个字节）等，每次测量需要13字节存储数据。假设每天测量4次，需要13×4＝52字节，血压计能够保存7天的数据则需要364字节，故选用"铁电"的24cL04。当打开血压计使用的时候，单片机在其PA0口模拟出IIC总线的SCL，并输入给外部存储器24cL04的SCL引脚，同时PA1口与24cL04的SDA口进行数据交换，将有用的数据显示在LCD上。

电源处理模块及其相关电路设计

本血压计选用2节7号电池作为电源的输入。为了达到较好的供电质量，在此电路中选择了DC/DC升压芯片RN5RK331A，将2节串联的1.5伏7号电池构成的3V左右的电压升到3.3V，供给系统中的模拟电路电源，也作为数字电路的正电源供给MCU（如图3所示）。考虑到气泵、气阀如果与模拟电路、数字电路直接共用一个电源，会引入比较大的干扰，从而影响压力传感器、运放以及MCU的正常工作，所以设计成气泵、气阀不与其它器件接在一起，直接由电池供电。

另外，血压计的重要采集数据通过运放放大的袖带气压和隔直后的脉搏波，由于它们都是通过微小的信号放大后得到的，所以A/D转换的设计也极为重要。系统采用智能充气测量、自动降压，在降压的过程中进行测量。由于在气阀工作降压的时候，电源受到波动，如果用系统电源直接拿来作为A/D的参考电压基准，必然会给测量带来误差。采用National Semiconductor的LM385作为A/D转换的电压基准连接到芯片的VREF+引脚，确保采集的数据转换准确。

LCD显示模块的设计

如图4、5所示，为了使用户更为方便、简单地使用本系统，采用LCD显示。
松下的MN101EF32D芯片内置了LCD驱动模块，可以直接驱动LCD。先初始化LCD方式控制寄存器1(LCDMD)，它是8位寄存器，用来指定LCD时钟、LCD显示的ON/OFF、显示占空比等。

系统软件设计

软件的主要流程如下：

上电后，首先完成系统的初始化工作。单片机开始给气泵供电，让袖带迅速充气至被测者收缩压以上约30mmHg左右。之后单片机通过1路A/D开始采集袖带的气压，并根据袖带内气压下降的速度来控制排气阀排气，使袖带内匀速降压（3~5mmHg /s）。与此同时，另外1路A/D开始采集经过隔直的脉搏波。当脉搏波的振幅最大时，袖带的压力就是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。

软件主要细分为以下3个重要模块：

一）匀速降压控制模块
尽管气阀有自动缓慢放气的特点，但为了使袖带迅速充气至被测者收缩压以上30mmHg左右后匀速降压（3~5mmHg /s），而不能用普通的处理方法，因为整个测量过程中容易受到外界震动的影响，如人为的震动袖带??度也会影响到袖带内气压微弱的变化。所以袖带内的压力降低的速度与气阀开关的频率为非线形关系。

本设计采用了PID算法来控制气阀的开关时间来确保袖带以3~5mmHg /s的速度匀速降压。受到单片机的处理速度和RAM资源的限制，这里不采用浮点数运算，而将所有参数全部用整数，最后再除以2N（相当于移位），作类似定点数运算，可大大提高运算速度。最终赋值给定时器，来控制气阀的开启时间，从而保证降压的速度恒定。

在PID算法中三个基本的参数Kp、Ki、Kd的设定与调整是比较难的部分，根据这些参数的作用原理，总结调整方法大致如下：

1、压力很快就降到目标值，但压力降的太多：
a)比例系数太大；
b)微分系数过小；
2、压力下降达不到目标值：
a)比例系数过小；
b)积分系数过小；
3、基本上能够控制在目标上，但上下偏差较大，且经常波动
a)微分系数过小；
b)积分系数过大；

二）信号处理模块

本血压计测量信号为2路，MPS-3100-006G压力传感器的信号首先进行低通滤波处理，排除因外界干扰造成的信号读数的误差，之后放大送AD1，作为静态血压信号；隔直后经再次放大送AD2，作为脉搏波信号。由于MN101EF32D的A/D为10位，因此最高精度可达1/1024。为了最大限度地利用A/D转换的采样速度，用中断来实现A/D转换后的数据处理。当A/D转换完毕，在中断程序中，用防脉冲干扰移动平均值法来实现简单有效的数字滤波，使测量更加准确。具体做法为在一次定时中断内连续进行5次A/D转换，去掉最大值和最小值，剩余3个数据求算术平均值，该算术平均值作为此次的A/D转换结果。

三）计算血压模块

袖带气压和脉搏波经信号处理模块的处理后，得出如图6所示的数据。图中的下方为被测者的脉搏波，上方为血压计升压和压降过程中的袖带压力。在此基础上分析信号，供收缩压、舒张压、平均压和心率的计算。单片机在测量过程中已经存储各个脉搏波的峰值，以及每个脉搏波的间隔时间。

收缩压判据的确定采用最大振幅法，即在放气过程中脉搏波幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um（平均压）之比刚刚大于Ks时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。

Ps=P/Ui=Ks*Um
舒张压判据的确定也是用最大振幅法来判定的，不过是在脉搏波幅度包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um（平均压）之比刚刚小于Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。

Pd=P/Ui=Kd*Um

先用经验参数Ks = 0.54和Kd = 0.72来计算，经测试后再进行修正。

心率即为脉搏波的周期，具体也为算术平均值做法。

结论

基于MN101EF32D单片机的血压计，充分利用了该芯片本身的功能，具备电路简单、功耗低、电源要求单一、精度高以及实用性强等特点，有着广阔的市场前景.

　　1.引言

无线传感器网络（WSNs）技术发展迅猛得益于近年来传感器和无线通信技术的进步。无线传感器网络中的节点可以同邻居节点通信或者和基站直接通信，大量的节点使得对于大面积区域的感应和监控精确化成为可能。每个节点都可以把感应到的物理信息高效的转化为数字信息，并且根据需要决定是否融合其他节点数据，或者发送自身数据到特定的邻居节点或者是基站。用户可以通过基础设施或者Internet连接到无线传感器网络来取得所需的信息。但是WSNs有一些特定限制，比如：有限的能量供给，有限的计算能力和有限的连接传感器的无线链路带宽，而且在很多WSNs的应用领域中对路由协议中能量消耗提出了很严格的要求，比如，众多的传感器通常用飞机随意地分布在恶劣的或不可到达的环境中，所以人为更换电池是不可能的。这些因素使得这篇路由算法的主要目标也是主要挑战就是在保证有效通信的基础上，尽量的延长无线传感器网络的寿命。

2.无线传感器网络基本概念

无线传感器网络由大量传感器节点和一个或者多个基站（汇聚节点）构成，基站相当于是节点与其它网络通信的网关，众多的传感器采集到需要的数据信息发送到基站，基站根据用户需要把不同的数据发送到不同的用户网络或者终端。但是，传感器节点能量非常有限，如果所有节点和基站直接通信将导致远离基站的节点迅速的死亡（图1）。反之，单纯的采用多跳的路由方法[3]也不理想，因为最接近基站的节点会因路由大量收到的数据而很快死亡，从而导致后来到达的数据不能传给基站。在众多无线传感器路由方法中，分簇路由算法在节省网络能量，提高网络寿命，减少数据冗余方面有非常明显的优势。

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一 概述

1.造纸机对电气传动自动化控制的要求

1.1稳速的要求：

　　造纸机由纸浆到形成纸张，需经过多个分部，因此是一个多单元的速度协调系统，各个分部间的速度要求严格配合，根据工艺流程，一般有以下关系：只要其中一个分部速度不稳，就会无法维持生产，纸幅不是断裂，就是松垮下来。如果整台纸机车速不稳，就不能保证纸张的定量（每平方米纸页的重量）不变。因此要求纸机的各分部都能稳速。但是,在实际运行中，有许多干扰因素破坏速度的稳定，例如电网电压的波动、频率的变化、负载的波动、温度的变化等等，对电气传动自动化控制的要求是克服这些干扰的影响，保证车速的稳定。不同纸机，对稳速精度的要求是不同的，所以对电气传动的要求也有区别，一般来说，薄型纸或大型高速纸机对此要求较高些。

1.2变速的要求：

　　纸机正常工作时，由于工艺上的变化而改变速度的范围不大，一般只在10－15％左右，在纸机调整时，如检查铜网、压榨部换毛毯，烘干部换大布或预热等需低速爬行，车速将降至20米/分左右，此时对稳速没有要求。

1.3平稳起动的要求：

　　纸机中有的分部要求平稳起动，例如网部起动太快就会损坏铜网；烘缸和压光两个分部传动惯量比较大，起动太猛会把机械连轴扭断，因此要求整个系统能平稳起动，而且各分部要能单独起动和停止。

1.4各分部调速的要求：

　　纸机上的纸受到牵引力的作用，在湿部产生纵向伸长，在干部开始时纸张的纵向继续伸长，当纸张含水量降低后，纸张减少纵向伸长变形，在纸张进入压光机和卷纸机时，纸张再度牵引而伸长，因此在整个纸机生产线中，各个分部的速度是不同的，这样可以保持纸幅张力。同时，纸机各分部的速度必须是可以调节的，这样可以避免纸幅松弛或绷紧而断头，各分部的速度调节范围为±(10－15％)。
由于造纸机无须频繁起动，而工艺要求的变速范围也不大，所以达到稳速是电气传动自控最主要的目标。

2.2400/160纸机概况

　　2400/160纸机生产定量为17－30g/m2的薄页纸，设计车速为160米/分，纸幅在长网中成形，通过复合压榨脱水，再经五组烘缸烘干，纸幅经过冷缸后分切，由卷纸机卷成母纸卷。纸机分为部传动，共15个传动点，总装机容量为202ＫＷ。如图,纸机传动图:

二 系统配置

　　在控制系统中，采用S7－200系列PLC运用USS协议通讯控制不同分部的MM440变频器，MM440对电机变频调速，从而达到纸机传动的控制，采用操作台控制按钮操作。具体配置如下：
CPU226
DI模块
DO模块
总线连接器
屏蔽双绞线
MM440变频器（软件版本：V1.16）
进线电抗器

三 MM440变频器特点

1.丰富的控制功能：
可以满足各行业的驱动控制要求，在本控制系统中，采用矢量控制方式来驱动各分部电机；
2.强大的通讯功能：
具有标准的RS485接口，方便上位机通讯，PROFIBUS通讯可选件可以将MM440挂上开放的、快速的DP网上，实现高性能的通讯控制
3.自由功能块和BICO技术：
MM440具有区别一般通用变频器的自由块和BICO技术，可以实现灵活的组态设计，完成工艺复杂的控制要求；
4.多种参数设置方式：
通过基本操作板、高级操作面板进行参数设置，也可利用SIMOVIS和 DRIVEMONITER 调试软件进行参数设置，同时可以运用调试软件监视控制中的过程值。

四 2400/160纸机的电气控制

1.纸机速度链

　　由于各分部传送着生产过程中的纸张，根据造纸工艺的要求，各分部间要求达到线速度比例协调（相邻两个分部间的线速度比值应保持恒定），高精度地、可靠地保持这个比例系数是保证产品质量、生产正常运行的重要条件，任何原因破坏这种比例协调，就会降低产品质量。同时，纸机的这种速度比例协调关系应在该变车速或停机后重新开机时继续保持，而不需重新调节。其次，这种比例协调应具有微调功能，以调节相邻两分部间的速差，避免纸张在传送过程中的松弛和绷紧现象，并且速度微调应该灵敏、可靠，不应在调过程中有明显的滞后现象。比例协调关系如下：
N1＝K1(N0＋DN0)N2＝K2(N1＋DN1)N3＝K3(N2＋DN2)N4＝K4(N3＋DN3)
在2400/160纸机中，采用USS协议通讯结合PLC程序来完成速度链的控制，避免了运算放大器的速度链给定环节的信号漂移，提高了稳定性。

2.速度控制

　　不同纸机、同一纸机生产不同纸种，在速度控制要求上，有不同的要求。但纸机对电气传动控制统一要求为稳速、变速，对低速纸机的速度控制，控制系统只需达到此要求即可满足纸机的连续运转。本控制系统中，由于MM440给定由S7－226通讯传输实现，改变传输值就可达到变速要求。

本台纸机生产薄页纸，对速度的稳定性及动态响应性有较高的要求。由于MM440的矢量控制，在对电机进行优化处理过程中，自动调整速度控制重要参数的设置值，大大提高静态和动态的控制精度，避免了断纸，提高了生产效率。

3.负荷分配控制

　　在压榨部中，多个传动共处于同一毛布圈路内。这几处传动要求负荷进行比例分配，即负荷分配控制。主传动采用基本的速度控制方式，从传动采用负荷分配控制。在控制中，运用MM440内部PID调节器，主传动的电流实际值作为给定值（VSP），从传动的电流实际值作为反馈值（VPV），经PID调节后生成的值，作为附加给定叠加到速度给定通道，实现负荷分配的过程控制。

五 控制系统特征

1.控制系统简单且经济

　　在系统中采用S7－200PLC自由通讯口方式通讯，且在MM440上具有RS485接口，从而可以方便实现变频器给定的数字化控制。在控制系统要求不高的场合，本系统简单而经济，不仅PLC程序简单，而且硬件上无需添加通讯接口。

2.进线电抗器保护变频器

　　由于实际工作现场的复杂环境，往往会导致电网的波动，产生高次谐波。进线电抗器避免了这些因素对变频器的影响，保护了变频器的整流单元。

3.矢量控制

　　MM440变频器的矢量控制，提高动态响应能力，克服纸机由于工艺参数的变化引起的速度波动，保证纸机速度的稳定性。

六 结论

　　本控制系统，是为隶属华川纸业集团浙江义乌双峰纸业有限公司2400/160薄页纸机配套的传动控制系统。自5月初调试运行至今，纸机正常生产，MM440变频器运行良好。

　　在控制系统中，采用软件版本V1.1.6的MM440，控制方式为开环控制。2400/160薄页纸机，其设计车速为160m/min，而MM440变频器的设定值在串行通讯时为0.01Hz，在分部之间速度调节改变牵引力时，能够满足本台纸机的控制要求。当在高速、生产低定量纸种的纸机传动系统中运用MM440时，其软件版本应高于V2.0以上，使速度控制方式为闭环矢量控制，增加PROFIBUS通讯模块，将MM440作为DP网络的从站，提高纸机传动控制精度，达到高速纸机的要求。

　　MM440是SIEMENS全新一代变频器，其许多功能类似于6SE70变频器，但其功能不如6SE70强大，分辨率、控制精度也低于6SE70。但是，在版本V2.0推出且功率达到250KW之后，在国内中小型造纸机中，MM440变频器将广阔的应用。
 

　　粘合应变计技术已在我们生活中应用了40多年并且生产厂商众多。
应变计传感器，如图中所示，其与其它压力检测技术相比具有两个无比优点。由于应变计直接粘合在感测薄膜上，薄膜厚度的变化将随着压力量程的变化而变化。只有粘合的金属片可以测量几万磅psi的压力。因为应力片直接粘合在感测薄膜上，所以无需绝缘膜或填充油的使用。因此该传感器可很好地阻碍研磨介质（常用于薄片隔膜的缝隙）的损伤。
    该类产品精确适度，不能满足较高精度的需求。用于结合应力计的粘合剂局限于常温并且此类产品的长期稳定性也是一个问题。由于这类传感器的感测隔膜响应时间比较慢，它们只能用于水利方面。另外，低价格也是它们的优势。

        薄膜技术具有粘合应力计的所有优点并且其长期稳定性具有很大的改善。
        薄膜压力传感器具有非常好的稳定性并且其它性能也可通过溅射感测元件（可达到应力计材料、绝缘材料和17-4 pH不锈钢感测材料的中等熔接）满足。溅射和薄膜技术在实际使用中可提供多年的测量保证。
        隔膜必须由具有非常优异弹性系数的硬材料制作，如17-4 pH的不锈钢。而相关高质量的感测隔膜制作的产品会影响响应时间。

        压阻硅压力传感器在设计和制作合理的情况下具有与生俱来的静态精度。
        压阻元件是由分散作用的4臂应力计组合在单晶硅隔膜的表面，其面积和厚度会根据压力量程而变化。电路结构为惠斯通电桥。电桥的作用是将应力计引起的应力感应电阻的变化转换为电压的变化，而电压可直接用传统仪器精确测量。
        在大规模生产中，它们是最为廉价的产品。非常轻的硅隔膜可以减少冲击和振动的影响。 精度、可靠性和校准 　　这篇压力传感器的规范主要针对OEM应用，对于全面了解*作环境和性能要求是非常重要的。例如，如果压力传感器要用于天然气等监测性变送器，那么高精度是推荐的主要指标。这是确保日用品公平发票的唯一方法。另一方面，如果传感器用于监测压力压力不是很关键的安全系统，那么较低价格和可靠性是主要指标，而精度次之。
        另一个需要考虑的问题是校准周期。一个稳定的装置需要每隔2–3年校准一次，而一个差些的产品需要1–3月校准一次。校准的时间受产品的状态影响并且需要简单的经验。例如，每3个月检测一次新安装的传感器也许是一个不错的方法，其后，检查频率应在6或12个月一次。有些压力传感器非常稳定，它们近需5年校准一次。
在考虑OEM应用中的特殊传感器时，了解*作环境是非常重要的。在气体或液体应用中是否存在腐蚀问题？产品安装室内还是室外？应用现场是否存在冲击和振动？周围的环境温度如何？现场有否电压冲击或闪电？过压如何处理？是否存在水锤？压力介质是否防碍压力端口？ 　　如果存在腐蚀现象，因重点注意潮湿元件受到的化学腐蚀。如果高压或闪电有可能存在的话，适当的浪涌抑制装置也应安装。在频繁振动的现场使用时，产品应配有电子器件固定装置。在精度指标要求较高的现场，长期稳定性也不可忽视。
（大部分量产的低价OEM压力传感器厂商都不出示稳定性能而仅提供典型数据。）在粘性比较大的现场，因采用直接的隔膜传感器。

　　UPEK指纹传感器已被诸多领先的品牌用于数百万计的笔记本电脑中，如戴尔、惠普、宏碁、索尼、IBM/联想、东芝、Gateway、华硕等。UPEK将在台北国际计算机展上向PC制造商和新闻媒体展示TCS5。

　　UPEK指纹传感器已被诸多领先的品牌用于数百万计的笔记本电脑中，如戴尔、惠普、宏碁、索尼、IBM/联想、东芝、Gateway、华硕等。UPEK将在台北国际计算机展上向PC制造商和新闻媒体展示TCS5。

　　TCS5展示了UPEK的新型SteelCoatTM传感器涂层——耐用性是在认证过程中用户体验的一个关键指标，新型传感器涂层的耐用性是竞争对手的滑动传感器的6倍。这一层厚的SteelCoat传感器涂层是依靠UPEK的独特HD3DTM（高清三维）放大传感技术实现的，该技术能穿透表皮读取皮肤的“真皮层”。HD3D传感技术使UPEK传感器成为唯一获得FIPS201和FBI认证的硅芯片指纹传感器，HD3D传感技术能读取几乎所有条件下的所有指纹，以确保授权和未经授权的个人被可靠地识别。
TCS5指纹传感器具有精致、黑色的外观，符合笔记本电脑日益注重外观设计的趋势。TCS5还具有小巧的体积，以便更容易集成和降低成本，但又不牺牲可用性。
EndpointTechnologies分析师RogerKay表示：“将指纹传感器集成到笔记本电脑中，PC制造商正将他们的重点从企业安全转移到方便消费者上来。随着更多增值服务的推出，如支持企业在线身份验证和一次性密码认证，指纹传感器在PC中的占有率也不断提高。”
TCS5是与UPEK的下一代DigitalIDHardwareEngineTM（数字ID硬件引擎）一起提供的，该引擎是一个安全协处理器，它在安全的硬件环境中执行生物识别过程——指纹模板提取、储存和匹配。UPEK的传感器/处理器芯片组组合在过去五年中为安全生物识别架构设立了标准，实现了企业级的安全，如RSASecurID?身份验证。
UPEK还将展示将安全处理器虚拟集成到主流PC平台中，以实现高性能和高安全性，同时能降低解决方案的成本，并方便方案集成。
此外，UPEK还将预展其屡获殊荣的ProtectorSuite?软件，该软件配合TCS5实现大量的便捷和安全功能，包括登录和访问密码保护的网站，启动最喜爱的应用程序，在共享的计算机上切换用户帐户以及加密私人文件。得益于十多年的不断开发及数百万的笔记本的安装使用，最新的一代的ProtectorSuite是建立在广大客户和用户的反馈意见基础上。

　　UPEKOEM市场营销总监VitoFabbrizio表示：“我们很高兴为我们的PC制造商客户提供这种涵盖广泛的产品组合的突破性的技术创新。我们的硬件和软件产品是建立在多年的市场经验基础上的，这将使我们的PCOEM和ODM客户能够为消费市场提供指纹认证的便利和安全性。”

　　关于UPEK

　　UPEK,Inc.是全球企业和消费者生物指纹解决方案的领先者。UPEK的认证硬件和软件集成到世界顶尖的五家最大的PC制造商的笔记本电脑、领先制造商的USB闪存盘、外置硬盘和移动电话中。UPEK的超过100家硬件和软件合作伙伴组成的产业链系统使得其能够为垂直市场，包括医疗保健、银行、教育和政府提供强大的认证解决方案。UPEK提供唯一通过FIPS201认证的硅芯片指纹识别设备，用于验证超过1000万美国政府雇员和承包商。UPEK还为消费者提供成品商品，包括获得CES奖的Eikon?数码保护神——市场上唯一同时支持PC和苹果机的指纹识别器。UPEK产品使您的数码世界安全而具有个性化。

       相机是机器视觉系统的眼睛，而相机的心脏是图像传感器。传感器的选择取决于准确性、输出、灵敏度、机器视觉系统的成本以及对应用要求的充分理解。对传感器主要性能的基本理解能够帮助开发人员迅速缩小他们的查找范围，找到合适的传感器。
大多数的机器视觉系统的用户认识到相机是系统的关键要素，经常把它当作视觉系统的“芯片”。相机本身是一个复杂的系统：包括镜头、信号处理器、通讯接口，以及最核心的部分——把光子转换成电子的器件：图像传感器。镜头和其它的部件共同配合来支持相机的功能，传感器最终决定相机的最高性能。
业内的许多讨论都集中在加工技术上，以及CMOS和CCD传感器孰优孰劣。这两种技术都有其优势和不足之处，所加工的传感器有着不同的性能。最终用户关心的不是传感器是“如何”被制造出来的，而是其在最终应用中的表现。
在指定的应用中，三个关键的要素决定了传感器的选择：动态范围、速度和响应度。动态范围决定系统能够抓取的图像的质量，也被称作对细节的体现能力。传感器的速度指的是每秒种传感器能够产生多少张图像和系统能够接收到的图像的输出量。响应度指的是传感器将光子转换为电子的效率，它决定系统需要抓取有用的图像的亮度水平。传感器的技术和设计共同决定上述特征，因此系统开发人员在选择传感器时必须有自己的衡量标准，详细的研究这些特征将有助于做出正确的判断。

　　正确理解动态范围

　　传感器的动态范围是最容易使人疑惑和误解的地方，这是因为机器视觉系统是数字的。图像的动态范围包括两部分：一是传感器能够工作的曝光范围（亮度的倍数）；其次是传感器能够数字化像素信号的电平的数量，用位数表示。这两部分通常是紧密相关的。
曝光的动态范围表示传感器能够正常工作的亮度水平。当光子撞击图像传感器的活动像素区域时产生电子，传感器将其捕获并存储起来以备系统读取。撞击活动区域的光子数越多，产生的电子数就越多，在读取的间隔中，该过程持续的时间越长，被存储的电子就越多。决定传感器曝光动态范围的参数之一就是填充存储阱的曝光。制造传感器的半导体加工工艺和电路设计共同决定阱的容量或深度。
电子噪音是传感器能够工作的最低曝光水平，尽管没有任何光子撞击活动的像素区域，图像传感器也将以热量发射的形式产生电子。要产生可识别的信号，必须有足够的光子撞击活动的像素区域，以便在存储阱中有比暗电流噪音所产生的电子数更多的电子。传感器的最低曝光率是产生至少与噪音电子同样多的光电子数。只有在超过噪音等量的曝光水平时，传感器才能产生有用的信息。
传感器的曝光动态范围是由其物理和电路设计所决定的功能，而数字动态范围只是由电路设计所决定的功能。图像传感器的数字动态范围只是说明它能够提供给视觉系统的明显的曝光值。8位的传感器有256个灰度级，10位的有1024个，以此类推。表示动态范围的位数并不是反映传感器能够响应的最高曝光的必须要素，但是这两者通常是相对应的。
比暗电流噪音水平小的等量的信号度不能产生有用的信息，类似地，如果数字化值大于传感器的最大信号值，也不会产生额外的信息。在实践中，传感器需要设计成等量信号度与暗电流噪音水平等值，并有足够信号步进度达到饱和的曝光信号水平。按此方式设计，传感器的数字动态范围与其曝光动态范围说明的是同一事物：饱和等量曝光与噪音等量曝光的比率。

　　交互作用决定取舍

　　传感器的动态范围一定程度上决定机器视觉系统所产生的图像质量，位数越高，系统能够分辨的图像的细节就越细微。对更低的暗电流噪音和高精度的需求的日益提高，使传感器的成本变得越来越昂贵。然而，不是所有的应用都需要精细的图像。因此，设计师们设计了不同动态范围的传感器供选择。例如，邮包分拣或电子生产检查，8位的动态范围就可以有效地工作。但是，医疗和空中侦察就需要14位的动态范围。
应用需求还对传感器的第二项特征速度提出了要求。速度是比动态范围更直观的特征，它只是衡量传感器采集和传送图像到系统的速度有多快。传感器的速度也包括两个方面：一个是帧频，也就是传感器传送像素数据到系统所需要的时间。另外就是传感器为了采集一幅有用的图像所需的曝光时间。帧频永远都不会比曝光时间快，因此帧频是用来说明传感器性能的通用量值。
在加工检查类的应用中，传感器的速度决定系统的输出。如果每一幅图像代表待检的一个零件，那么系统每秒能够检查的零件数量不会高于传感器每秒能够发送的帧数。当成像的物体处于运动状态时，为防止出现图像模糊，必须要求高的采集速度。因此对于高输出量的检测系统和对高速运动物体的成像应用需要高速的传感器。
速度和动态范围是相互关联的，为了快速地传送图像，传感器必须快速地对每一个像素的数据进行数字化。这就意味着模拟到数字转换器需要快速地形成一个稳定的输出。
 

    从物理层面和设计角度上讲，速度应该让步于动态范围。电路运行的速度越快，产生的热量就越多。传感器的暗电流噪音随着温度的增加而增加，因此传感器的速度越高，其噪音就越大，动态范围就越低。高速的传感器比低速的传感器的噪音更大，而且能提供的动态范围更低。
传感器的速度与其第三项特征响应度也是相关联的。应用中所需的帧频越高，用于曝光的时间就越少。为了减少曝光时间，设计师需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能选择高响应度的传感器。
响应度是指在给定的曝光条件下，所产生的信号的强度（V）。在图像传感器中，有三个因素控制响应度：第一是量子的效率，或者说是每个光子所产生的电子的数量。第二个要素是存储电荷（q）的传感器输出电路的电容（C）的大小，电荷的信号电压公式是V=q/C。第三个要素是传感器的输出放大器增益。如果传感器在与噪音等量的曝光水平下运行时，增益本身并不能提高传感器的响应度。
开发人员在为他们的机器视觉系统选购传感器时，必须在动态范围，速度和响应度这三个关键要素之间做出取舍。高速度和低光照度将导致噪音增加并降低动态范围。在动态范围允许的情况下，对成像细节的高要求也需要提高光照强度以弥补较低的响应度。传感器本身所具有的物理属性，不可避免地要在这三项关键要素之间做出平衡。
以上提到的三项关键要素并不是构成传感器选择的唯一考量，另外还有两项重要的因素：传感器的分辨率和像素间距，其中任何一项都能够影响图像的质量并且与上述三项关键要素相互作用。
分辨率是指由多少个像素构成一幅图像，它是反映传感器尺寸和像素间距的量值。应用所需要的传感器的分辨率决定于几项相关的要素：包括视野、工作距离、传感器大小和像素间距以及系统所要求的采集空间细节所需的像素的数量等。传感器的分辨率越高，其时钟必须运行的越快以获得需要的帧频。因此，传感器的分辨率对速度有非常大的影响。
像素间距定义单个像素区域的大小，与传感器的大小共同作用来决定传感器的分辨率。由于传感器通常只有有限的大小可选，所以像素的间距越小，其分辨率就越高。像素间距能够影响响应度，但是间距越小，每个像素能够采集光子的活动区域就越小。
最终，所有这些传感器的要素都要与相机的其它部件相互影响。相机镜头的分辨率是通过调制解调函数（MTF）来衡量的，例如，镜头的分辨率必须与传感器的像素间距相匹配才能获得理想的成像质量。在传感器分辨率允许的范围内，一个5微米 MTF的镜头在3微米的像素间距的传感器上所成的黑白线模式只能形成灰色的图像。因此，在选购传感器时必须采购与之匹配的其它系统部件。
最重要的一点是要充分理解应用对传感器动态范围、速度和响应度的需求。需求决定哪些性能是在可接受的范围之内，最终决定系统的其它部件的要求。

        据美国科学日报报道，目前，美国科学家最新研究一种微型照相机，它的制造原理很简单，这种图像捕捉技术是基于水滴、声音和水的表面张力。该照相机更加智能化，而且重量更轻，可应用于手机、汽车、自动化机器人和微型间谍飞机的摄像装置上。

　　美国伦斯勒理工学院的研究员设计并测试了这种自适应性液态照相机镜头，它可每秒捕捉250个图像，比其他摄像技术需要更少的能量驱动。这种液态镜头是由一对水滴组成，它们暴露于高频声波下往返振动，随之改变透镜的焦距。通过使用图像软件可自动化捕捉焦距范围内的画面，并放弃焦距之外的画面。研究人员可以从这种轻重量、低成本、高保真微型照相机拍摄到流畅、清晰的图像。
伦斯勒理工学院机械、航空和核工程系研究生部副主任埃米尔·赫尔沙是该项研究负责人，他说，“这种照相机很容易操作，它只需要很少的能量驱动，几乎一直保持着聚焦状态，它不需要高电压或其他奇特的激活机械装置，这意味着这种新型照相机透镜技术可以整合不同的装置，并应用于其他领域。”当前许多操控液态透镜的技术都涉及到液体接触一个表面的尺寸大小和其外型，其目的是为了使图像进入聚焦范围之内。为了实现这一点，则需要时间和电能。赫尔沙称，这项新技术的关键特征在于水滴保持在稳定状态，与表面保持着持续不变的接触，因此这种照相机需要很少的能量进行驱动。
以下是具体的工作原理：当两个水滴穿过一个圆柱形小洞，它们暴露于确定的声波频率中，该装置使用惯性和水滴的自然表面张力，使水滴形成一个“振荡器”，或类似于一种小的钟摆——水滴在非常高的速度和类似弹簧发条的作用力下往返共振。研究人员可通过将水滴暴露于不同的声波频率下可以控制其振动频率。
当光线穿过水滴时，该装置将转换成为一个微型照相机透镜，当水滴往返穿过圆柱形小洞时，根据透镜距离拍摄物体的远近，画面将进入或脱离焦距范围。图像拍摄将电子自动化完成，同时软件可用于自动化编辑任何未聚焦画面，从而使操作者获得清晰的图像和聚焦的视频。赫尔沙说，“这种新型照相装置最大的益处是可以通过液态透镜和小型扬声器建立一个新型光学照相系统。但在此之前未曾实现此类技术。”
水滴大小是决定它们振荡多快速度的关键因素，赫尔沙称，提供足够小的光圈以及适合的液体体积，他将能够建立一个每秒振荡10万次的透镜，并且仍能有效地捕捉图像画面。他指出，预计手机制造商将对这种新型照相装置产生浓厚的兴趣，手机制造商一直探索新的方法提高手机照相功能，并试图以轻重量、更节能有效的照相系统超越其他竞争者们。
同时，赫尔沙和同事们还预想小型、轻重量液态透镜照相机能够整合形成新一代的无人驾驶微型飞行器，可用于防御和国土安全应用。

       东芝320排CT的学名是“Aquilion ONE”，它是一款动态容积CT(Dynamic Volume CT DVCT）、320排0.5mm探测器、一次扫描覆盖160mm。DVCT具备160mm超宽覆盖范围，实现CT常规从形态学检查到功能性成像的飞跃，可以完成全身各个脏器全器官各向同性（Iso-tropic）和各时同性（Iso-phasic）的扫描和成像，意义非凡，尤其对动态器官的研究是史无前例的突破。

16厘米宽的探测器设计，可以实现：

1. 一圈扫描全脏器覆盖：心、脑、肝、肾等重要生命脏器。
2. 一次心跳全心采集:一次心动周期完成全心形态检查，无拼接伪影。
3. 实时融合器官解剖和功能信息：“一站”式采集全器官的动态容积数据采集和分析，给临床带来前所未有的应用前景。
4. 低剂量成像：患者检查受照剂量降低了80％
5. 真正的动态容积成像。

Aquilion ONE特点：

3个一 

一次心跳冻结心脏（One beat, whole heart)
一圈全覆盖器官(单器官灌注）（One rotation，organ perfusion)
一次检查完成多重任务（One exam, one scanner)

2个低

低剂量和低造影剂 （Low dose and contrast）
低整体检查费用和运行成本（Low cost）

0等待

实时观察（High efficiency and patient through put)

　　东芝320排CT克服了以往CT的扫描过程中平扫-寻找病灶-动床定位-注射对比剂-再扫描等繁琐的工作流程，以及扫描时动床、病人呼吸运动和扫描范围的限制造成的病灶错位、漏扫和移动伪影等。实现心脏、胃肠等运动器官在内的大范围、全器官的动态容积数据采集和分析，给临床带来前所未有的应用前景。大范围覆盖，不需采用目前CT的多次旋转采集和数据重叠重建等方式，一圈扫描覆盖全器官，完全消除移动伪影和错层伪影的影响，明显提高图像质量。在降低辐射剂量方面有着更大的贡献，相对于64层，患者检查受照剂量降低了80％。

　　在数据处理方面，使用东芝全球战略合作伙伴Vital 公司，和东芝一起开发了全新版本的工作站DV后处理软件，做到10秒之内就可以完成DV数据重建，在一些非心脏检查部位DV数据处理速度比64还要快。

     全球数字投影技术行业领袖InFocus Corporation作为2008北京新闻中心大型投影设备指定服务商，赞助新闻中心4台富可视高端工程投影机LP850，为该中心提供专业高端的投影显示设备和服务。藉此，富可视投影机将成功支持新闻中心在夏季奥运会以及残奥会期间的所有新闻发布活动.

     LP850是面向高端市场的一款高分辨率网络工程用机，特别适用于大型会议室及背投拼接。它具有5000流明的亮度，1000:1的对比度，完全满足投影画质的要求，同时，它集成的4个自动变焦镜头，可任意调整画面位置和大小，自动调节投影亮度，并同时拥有低功耗模式和节能模式，在清晰显示整个屏幕的每一个细节的同时，还能达到绿色环保的效果。
     特别值得一提的是，LP850可以直接进行网络连接，用遥控器就可方便操作。切实满足了新闻中心的演示设备的特殊需求。
     富可视公司全球副总裁兼首席营运官Joe O’Sullivan表示：2008年北京奥运会的举办无疑将再次提升中国在全球的影响力。富可视公司很荣幸能够与2008北京新闻中心一同，用最好的产品帮助新闻中心为中外记者提供最好的视觉影像效果，通过友好合作为北京奥运会带去我们的祝福。同时富可视公司也希望借此机会，和中国建立更深层的联系，共同发展。

1. 定位器　  对象或特征的精确定位是一个检测系统或由视觉引导的运动系统的重要功能。传统的物体定位采用的是灰度值相关来识别物体。尽管这种技术得到了广泛的应用，但是，它在图象质量变差的情况下，就缺乏稳定性。图象质量变差可能是由于凌乱、亮度不同和遮盖等因素的影响。相反，几何对象定位法是一种最新的方法，它使用对象的轮廓来识别对象及其特征。Adept的HexSight 软件和AdeptVision sAVI 系统两者都是用非常先进的轮廓检测技术来进行识别对象。一个可靠的定位器可不需要夹具来定位零件，因此节约了成本。
2. 光学装置与照明    众所周知，适当的光学装置和照明对视觉应用的成功至关重要。有时，尽管选择了最合适的光学装置和照明，但是，如果被监测的对象或特征稍微变动一下，就要求相应改变灯光和照明亮度。例如，晶片的抛光表面的不同，在OCR应用中激光蚀刻的标志的质量的不同。一个稳定性好的定位工具如Adept的几何对象定位器能轻松地处理由于光聚集和亮度不同的改变使得图象质量变差这样的情况。使用适当的软件能让你消除必要的调光操作，无论其图象质量如何改变。
3. 完整的工具集对绑在一起的多个工具 机器视觉软件主要以两种典型的形式出售 —— 一种是完整的视觉工具集，另一种是用于特定任务的工具的应用，如BGA检测。最终用户的应用将决定是使用一套完整的视觉工具集还是使用众多的特定的工具。
视觉工具是一般的应用或算法，它能对图象或图象某个部分完成预定的任务。例如，一个斑点检测工具可以找出一组暗的或亮的象素，并测量出这个斑点的各种尺寸。选择一款视觉系统的重点在于拥有一套完整的视觉工具集。虽然你在作项目之初不需要所有的工具，但是,几年之后你的要求就会改变，对新的应用就可能需要另外的工具。Adept的HexSight软件是一款全面的机器视觉库，它基于当今流行的软件平台，如：Visual Basic，Visual C++与ActiveX控件。可选的HexSight的符号工具与OCR、数字矩阵和条形码解码工具一起提供。AdeptVision sAVI系统与一个用于视觉和运动应用编程的简单图形接口一起提供。
4. 编程和操作方便    简洁、直观的图形界面是容易使用和设置的关键。当今机器视觉产品之间的主要区别在于他们的图形接口。接口应该从“设置”和“操作”这两方面来评价。对一个工程师来讲，它应该非常复杂，而对于一个操作者来说应非常简单。例如，一个视觉系统的校准应该简单得只点击几次鼠标，而不是象在火箭科学中的练习。
5. 亚象素精度    视觉系统的分辨率是系统能分辨的最小特征。例如，1’’的视觉范围（FOV）使用一个640 x 480象素的计算机图象将得到1/640的分辨率或0.00156’’。实际上，机器视觉算法具有亚象素的能力。也就是说，这些算法能够测量或得出比一个象素更小的单位。Adept的几何对象定位工具能精确到一个象素的1/40。而所有其他视觉系统工具只能精确到一个象素的1/10到1/20。视觉工具的亚象素精度取决于图象的质量和算法的强大 ．
6. 将来的升级    机器视觉系统可应用在各种场合，他们的应用范围可从时髦的摄像机到监视系统。当选择一个系统时应考虑系统将来的升级。几种供应商提供的通用视觉软件能为最终用户配置合适的照明、光学系统和视觉工具。专用软件包如BGA检测、OCR等也可当作预先配置好的软件出售。基于通用目的的视觉软件系统更好升级。最终用户应该根据附加的摄像机、照明的变化、视觉工具的变化等来考虑将来对系统的需求。
例如，若一个需要多摄像头的系统，就要对一个基于图像捕捉卡的系统与一个基于时髦摄像机的系统的价格和灵活性进行对比。Adept 的HexSight 软件能够兼容多种第三方生产的图像捕捉卡和摄像头，并包括火线摄像头。
7. 图象预处理    检测特征点和缺陷是非常的重要，不管亮度和对象表面或材料不同。图象预处理算法能把图象的特征点放大，以使视觉工具能更好的检测它们。同样，特征点也能被缩小，以至视觉工具可忽略它们。例如HexSight 的形态操作可用来去掉或填充对象中的小孔，在稀疏的点处分开对象或连接相邻的对象。与此相似，滤波操作可用于输入图象的卷积。可得到如此广泛的预处理算法是复杂的视觉应用成功的关键 。
8. 视觉引导的运动    如果你的应用需要一个视觉系统来引导机器人，那么必须知道视觉系统与运动系统是如何集成的。对于校准和操作，没集成的运动系统与视觉系统是初步的系统，机械人或机构和视觉系统是分开校准的。在操作中，一台独立的视觉系统根据在视觉坐标系统中的已知位置计算出零件位置的偏移量，然后发指令给机器人的手臂在离初始化编程的拾取位置的偏移量处拾取零件。相反，一个集成系统如Adeptvision sAVI控制器，它能在一个坐标系统中校准视觉系统和机器人。零件定位然后可定义与在机器人编程的相同的六自由度坐标空间。
9. 系统集成    如果你对机器视觉技术不是很精通，那么你针对你的项目就需要一个系统集成商。理想的视觉产品能被系统集成商广泛接受。Adept有一个称之为Adept推荐视觉集成商（PVI）的活动，可在Adept的产品上对系统集成商进行训练。这些系统集成商具有处理最棘手的机器视觉项目的应用工程资源。另外，这些PVI非常适合处理Adept的机器人和运动产品。这对于需要运动和视觉的项目来说，是理想的资源。
10. 工厂层连接    目前，有各种与视觉系统通讯的方法，通用的接口象串口（RS-232）、RS-485、并口、Ethernet、Devicenet、数字I/O等。更新的接口如IEEE-1394和USB也得到了广泛的应用。当评估视觉系统时，要考虑工厂层的可连接性。
典型地，机器视觉系统是一个与其它工厂层设备和工厂的信息系统接口的数据获取系统。一些供应商的软件能在局域网或因特网上对视觉系统进行远程操作。在特定行业，如药物，机器视觉系统对特定的应用被要求是独立的，从而确保设置不受远程操作的干扰。当选择一款视觉系统时，视觉系统的通讯接口是一个重要的考虑，不应该被忽视。AdeptVision sAVI控制器能与Rs-232，Rs-485，Devicenet，Ethernet和Firewire接口进行连接。