智能检测技术 习题答案、课堂测试题及答案

智能检测技术习题答案

注：非唯一答案，每个学生可根据上课个人理解进行做答,

同时可以发表个人的观点与见解。作业题目打分情况视题目

完成程度、内容是否符合主题、学生学习态度、学生的个人

理解综合方面进行评价。

第一章：

作业一：简述对“智能检测技术”的理解.

所谓智能检测，应当包含测量、检验、信息处理、判断决策和故障诊断等

多种内容。是检测设备模仿人类智能的结果。是将计算机技术、信息技术和人

工智能等相结合而发展的检测技术。

智能检测是由传统检测技术演变而来，由于传统信息转化和处理多采用硬

件处理，传感器对环境变化引起的参量变化适应性不强，不易进行多参量、多

维度等新型测量缺点。进而产生了智能检测技术，该新型技术具有测量过程软

件化、高度的灵活性、可实现多参数检测和数据融合、测量速度快、精度高、

智能化功能强等优点。鉴于其的智能化程度高、适用面广、测量速度快、精度

高的特点，从而得到了极大发展。

随着技术的发展，智能化检测也不断的更新迭代。初级的智能化检测，只

可以进行简单的数据自动采集、储存、记录以及处理；中级的智能化检测在原

来的基础上增加了辨识对象和自治功能；高级的智能化检测可以分析、组织数

据并将数据变换为机器理解的结构化信息的能力，可以使系统能够在复杂、以

及不确定的环境中选取优化路径自行工作。

在当今工业4.0时代以及工业制造2025的大背景下，作为一名工科生，大

家应该扎实掌握智能检测技术并将其运用到我们以后的生活工作岗位当中。

第三章：

作业一：光栅或增量式光电传感器的辨向原理（画图说明）

光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，对位移测量除

了确定大小之外，还应确定其方向。

为了能够辨向，需要有相位差为”/2的两个电信号。在相隔BH/4间距的位

置上，放置两个光电元件1和2,得到两个相位差n/2的电信号ul和u2（图中

波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号和u2'0

当光栅沿A方向移动时，u「经微分电路后产生的脉冲，正好发生在u2,的“1”

电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而经反相并微分后产生的脉冲，则与

u2,的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。

在光栅沿一A方向移动时，的微分脉冲发生在u2,为“0”电平时，与门Y1

无脉冲输出；而u「的反相微分脉冲则发生在u2,的“1”电平时，与门Y2输出一个

计数脉冲.

u2,的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，所产生

的脉冲输出。

这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入

可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。

3光栅9）右移波形

右谷

左移

左移波形3判向电路

矫向电路原理图

1,2—光电元件3—美尔条纹4—指示光栅

作业二：满足光纤传光的入射角条件（推导公式）

.包层

如图所示，当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角e时，根据折射定律，在光

纤内折射成夕，然后以夕角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,

则纤芯与界面的光线入射角族应大于临界角4，即（4为临界入射角），由

则々，又因为

.”-（sin.A

sin0=—-----

〃。，将

々代入可得〃0"。，既"。。当光

纤所处的环境为空气时，"。=1，或、一%2。

第四章：

作业一：请解释什么是压电效应?压电型超声波传感器的原理？

1.请解释什么是压电效应?压电型超声波传感器的原理？

（1）压电效应指的是电介质在沿一定方向上受外力作用变形时，其内部会产生

极化现象，同时在其两相对表面出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢

复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的

极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形，电场去

掉后，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应。

（2）压电式超声波传感器包括超声波发生器和超声波接收器。

压电式超声波发生器利用逆压电效应原理将高频的电振动转换成高频机械

振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会发

生共振，此时产生的超声波最强。压电材料固有频率为%=卷=点葛=京店

其中瓦为压电片沿x轴方向的厚度，E为压电片沿x轴方向的弹性模量，p7n为压

电片密度，c为波在压电材料中的传播速度。

而压电式超声波接收器利用正压电效应原理工作，当超声波作用到压电晶片

上，引起晶片伸缩，在晶片两相对表面上分别产生正负电荷，电荷被转换成电压

经放大后送到测量电路中，最后记录或显示出来。

作业二：请解释超声波流量传感器中“时差法”与“频率差法”各自

测速的原理。

测量原理如图所示，图中V为被测流体的平均速度，C为超声波在静止流体中

的传播速度，。为超声波传播方向与流体流动方向的夹角（必须小于90°）,

AB为两个超声波探头，L为两者之间的直线距离。

（1）时差法

当A为发射探头，B为接收探头时，超声波的传播速度为c+vcos。，顺流传播

时间为

L

二---------

C+VCOS0

当B为发射探头，A为接收探头时，超声波的传播速度为c-%os6,逆流传播

时间为

L

t=-------

2c—vcosd

则时间差为

2Lvcos6

At=七2—G=

C2—V2COS20

由于c»叽所以上式可以近似为

2LvcosO

At=12-tl=------2-----

解得流速

c2

v=--------At

2LcosO

(2)频率差法

当A为发射探头，B为接收探头时，超声波的重复频率/1为

c+vcosO

fl=L~~

当B为发射探头，A为接收探头时，超声波的重复频率心为

C—VCOS0

h—

L

则频率差为

2vcos0

△/=七一

/i=—L;—t

解得流体的流速为

L

v=-——

2cos6'

频率差法所求流速和c值无关，即与温度无关，和时差法相比具有更高的精

度。

第六章：

作业一：电子鼻的组成、工作原理、核心技术、应用领域、发展现状

与趋势；

电子鼻的组成：电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子

系统，它可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的

气味状况。电子鼻主要由气味取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统三种

功能器件组成。

工作原理：电子鼻主要由气敏传感器阵列、信号预处理和模式识别三部分组

成。某种气味呈现在一种活性材料的传感器面前，传感器将化学输入转换成电信

号，由多个传感器对一种气味的响应便构成了传感器阵列对该气味的响应谱。显

然，气味中的各种化学成分均会与敏感材料发生作用，所以这种响应谱为该气味

的广谱响应谱。为实现对气味的定性或定量分析，必须将传感器的信号进行适当

的预处理(消除噪声、特征提取、信号放大等)后采用合适的模式识别分析方法对

其进行处理。理论上，每种气味都会有它的特征响应谱，根据其特征响应谱可区

分小同的气味。同时还可利用气敏传感器构成阵列对多种气体的交叉敏感性进行

测量，通过适当的分析方法，实现混合气体分析。

电子鼻正是利用各个气敏器件对复杂成分气体都有响应却又互不相同这一

特点，借助数据处理方法对多种气味进行识别，从而对气味质量进行分析与评定。

电子鼻的工作可简单归纳为：传感器阵列一信号预处理一神经网络和各种算

法一计算机识别(气体定性定量分析)。从功能上讲，气体传感器阵列相当于生物

嗅觉系统中的大量嗅感受器细胞，神经网络和计算机识别相当于生物的大脑，其

余部分则相当于嗅神经信号传递系统。

核心技术：电子鼻的核心器件是气体传感器。气体传感器根据原理的不同，

可以分为金属氧化物型、电化学型、导电聚合物型、质量型、光离子化型等很多

类型。目前应用最广泛的是金属氧化物型。

电子鼻系统中，传感器及其阵列作为电子鼻的关键，它的功能是把不同的气味

分子在其表面的化学作用转化为可测的电信号。

气体传感器阵列中的传感器单元可通过以下几种方法制备：

(1)采用不同工作机理的传感器；

(2)运用基于不同气敏材料的传感器；

(3)通过控制材料微细结构，选择新添加剂,改变器件结构、几何尺寸,来获得

具有不同性能的传感器单元。

对于气体传感器阵列，则可以通过采用数个单独的气体传感器组合而成，也可

以采用集成工艺制作专门气体传感器阵列。后者体积小,功耗低，便于信号的集中

采集与处理。

在模式识别处理方面，传感器阵列输出的信号经专用软件采集、加工、处理

后，利用多元数据统计分析方法、神经网络方法和模糊方法将多维响应信号转换

为感官评定指标值或组分浓度值，得到被测气味定性分析结果的智能解释器。早

期的电子鼻多用主成分分析、多元线性拟合、模板匹配、聚类等数据处理方法。

模式识别利用的是人工神经网络的原理，由于气体传感器响应与被测气体体

积分数间的关系一般是非线性的，现在的电子鼻系统多用神经网络方法和偏最小

二乘法(PLS)。

近些年发展起来的人工神经网络(artificialneuralnetwork)由于具有很强的非

线性处理能及模式识别能力而得到了广泛的应用。神经网络通过学习自动掌握隐

藏在传感器响应和气味类型与强度之间的、难以用明确的模型数学表示的对应关

系。

许多统计技术和ANNS是互为补充的，所以常常与ANNS联合使用，以得到一

组比用单个技到的数据更加全面的分类和聚类。这类统计学或化学计量学方法包

括主分量分析、部分最小平方法、辨别分析法、辨别因子分析法和聚类分析法等。

应用领域：电子鼻的应用场合包括环境监测、产品质量检测（如食品、烟草、

发酵产品、香精香料等）、医学诊断、爆炸物检测等。

下面是一些电子鼻应用的实例：

研究人员相信电子鼻将可能对寻找伤口MRSA和其他细菌的方式带来革命

性变化。MRSA是指这样一类细菌，它们对日益普及的抗生素疗法具有抵抗能力。

此外，电子鼻技术还可以用于检查其他部位的感染，帮助病人早发现，早治疗。

在1993年，Pearce等人就首次把传感器应用在啤酒检测上，实验室制造的

由12个有机导电聚合物传感器组成的系统检测了3种近似的商品酒，有2种是

酿造后再贮存的啤酒，还有1种是淡色啤酒，结果表明：这3种啤酒很容易被鉴

别，而且还很快鉴别出一种人为感染的啤酒和未被感染的酒。

以色列科学家研发出“电子鼻”（electronicnose）,只要通过简单的呼吸测试，

就可以查出罹患了肺、乳腺、肠和前列腺癌的病人。研究小组发现，这种检测化

学物质改变的传感器不仅能分辨出健康人和恶性肿瘤病患的呼吸，还能查出这四

种常见的肿瘤。虽然还需要更多工作来完善这项检测技术，但初步成功已经给开

发一种便宜、易于使用和携带的早期癌症诊断技术带来了希望。

美国奋进号航天飞机为国际空间站送去一个电子鼻。它可以“嗅”出空间站

内空气中的危险物质，保护宇航员的健康和安全。2008年12月9日，国际空间站

宇航员把这个鞋盒大小的电子鼻安装到乘员舱内，开始为期6个月的试运行。

发展现状与趋势：

目前电子鼻研究现状主要集中在以下几个方面：

（1）气体传感器阵列的研究，包括新型敏感材料特别是有机敏感材料与复合

敏感材料的探索，和低功耗、高集成度气体传感器阵列的研制。

（2）模式识别系统的研究，包括传感器响应的漂移补偿、特征提取、识别算

法等。

（3）应用研究。

（4）基于新的生物学理解的人工鼻模型研究。

关于发展趋势，在电子鼻系统的研究中,目前十分引人关注的3个方面：

（1）研究对微量气体分子瞬时敏感的检测器，以得到与气体化学成分相对应

的信号。

（2）研究对检测得到的信号进行识别与分类的数据处理器，以便将有用信号

与噪声加以分离。

（3）研究将测量数据转换为感官评定指标的智能解释器，以得到与人的感官

感受相符的结果。

其具体实例包括：酒类的区分与辨识、肉品新鲜度分析、饮料中香精香料分

析、谷物生长分析、水果中芳香类物质分析、食品腐败变质过程分析、香气的等

级区分及质量研究和牛奶新鲜度分析。

在国内有一些公司在代理电子鼻产品，销售对象一般是大学、研究机构，供其用于

应用型研究或对电子鼻产品所带的模式识别算法进行二次开发。但在工农业生产

或者医疗诊断的实际场合，还没有真正应用起来。

第七章：

作业一：简述电化学与生物传感器技术的工作原理

电化学传感器的工作原理：将待测物质以适当形式置于电化学反应池中，测

量其电化学性质（如电位、电流和电导等）变化实现物质组成及含量测定，基于

此原理的化学传感器称为电化学传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时，

电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化，这样通过测定电

流或电势的变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。基于电化学

传感器设计出了电化学生物传感器。

电化学生物传感器的工作原理:电化学生物传感器是一类特殊的化学传感器,

是基于被测物的电化学性质，并将被测物的化学量转换成电学参量进行检测的一

种传感器，主要由两部分组成:一部分是生物分子识别元件，是由对被测物具有

高选择性分子识别功能的生物敏感功能膜组成，可用来制作生物感应元件的物质

有酶、细胞、组织、核酸、抗原抗体等，其主要作用是用来感知样品中是否含有

待测物质;另一部分是信号转换元件，按照信号转换元件所转换的电学参量的不

同，主要包括电位型传感器、电流型传感器和电导型传感器等。原则上讲，任何

一种接收器都可与适应的传导器结合起来制造出具有操作性能的传感器。

电化学生物传感器的设计原理是待测物与生物分子识别原件特异性结合后，

产生被测物的非电信号通过信号转换器转换成可测量的电信息，再经过信号放大

处理，最后输出信号，从而达到分析检测的目的。

具体来讲其原理为：将生物功能材料（酶、微生物组织、动物细胞、底物、

抗原、抗体等）固定化处理，当待测物质与分子识别感受器（即接收器）相互作

用时发生物理或化学变化，然后通过各种物理、化学型信号转换器捕捉目标物与

敏感基元之间的反应，再将反应的程度用离散或连续的信号表达出来，从而得出

被测物的浓度。

智能检测技术习题

画图题请先在纸上画出图形，拍照放在word里面即可。请在最后的答题人上写

本人姓名。请将答案直接写在该课堂测试中，并将word重新命名为“学号-姓名

-测试一”如（2017111111-张三-测试一）

3.1、CCD是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一

个,在半导体硅平面上光敏元按或有规则地排列。

3.2、目前流行的手机使用的为（CCD、CMOS）传感器，该类型传

感器还广泛用于等

3.3、CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数，其次还受到传输效率的影

响。高度集成的光敏单元可以获得。但光敏单元的尺寸的减少将导

致的降低。

3.4、三种基本色为

3.5、出于成本若只能用一个CCD芯片，就得把彩色滤光片像马赛克一样分

布在CCD所有像素上。这样的滤波片称为滤光片。

3.6、当一个像素聚集过多电荷后，溢出电荷会跑到相临像素势阱。这样电量

就不能如实反映原物，下列解决方法中是目前最简单有效的是（）

A、增大单位像素尺寸；

B、缩短曝光时间

C、简歇开关时钟电压

D、溢出沟道和溢出门

3.7、单CCD彩色相机成像原理

3.8、以三相CCD为例画出电荷包在t2-t7时刻的定向转移过程（仅画出时序图

即可）

<-PIXELPn->◄-PIXELPn+1->PIXELPn+2->

答题人：_________

智能检测技术课堂测试

第三章：

前6题每题5分，7、8题每题10分

3.1、CCD是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个」象

春，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。

3.2、目前流行的手机使用的为(CCD、CMOS)传感器，该类型传感

器还广泛用于网络摄像头、超市、楼宇监控、手机照相、汽车倒车影像等

3.3、CCD分辨率主要取决于CCD芯片的像素数，其次还受到传输效率的影

响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导

致灵敏度的降低。

3.4、三种基本色为RGB

3.5、出于成本若只能用一个CCD芯片，就得把彩色滤光片像马赛克一样分

布在CCD所有像素上。这样的滤波片称为马赛克或拜尔滤光片。

3.6、当一个像素聚集过多电荷后，溢出电荷会跑到相临像素势阱。这样电量

就不能如实反映原物，下列解决方法中是目前最简单有效的是()

A、增大单位像素尺寸；

B、缩短曝光时间

C、简歇开关时钟电压

D、溢出沟道和溢出门

3.7、单CCD彩色相机成像原理

如果出于价格因素考虑，一个相机只使用一个CCD芯片，那么可以考虑使用

彩色滤光片像马赛克一样分布在CCD所有的像素上。最经典的滤光片因最初由拜

尔所发明所以被称为马赛克滤光片或拜尔滤光片，如图3-54(a)所示，每个小格

对应CCD的每个像素，每四个小格为一组，称为一个宏像素，分别由1个红色、

1个蓝色和2个绿色小格构成。拜尔滤光片就是由上述不断重复的宏像素组成的。

如图3-54(b)所示为白光照射拜尔滤光片后，透过红色、绿色和蓝色小格的光线

分别在CCD感光元件上成像的结果。

进一步，分析前述白光光源照射下的标准调色板反射的光线，经拜耳滤光片

滤光后的效果。拜耳滤光片与CCD尺寸相同，其宏像素所对应的每个小格的尺寸

也与CCD的像素尺寸完全一致。以左上角、右上角、左下角的宏像素为例，白光

照射的标准色块对应宏像素的相应位置反射的光分别为红、蓝、红+绿，相应的

光线经对应宏像素滤光后，红色的光经拜耳滤光片左上角宏像素滤光后，仅仅红

色小格对应的CCD像素位置能透过此红色的光；同样蓝色的光经过右上角宏像素

后，仅仅蓝色小格对应的CCD像素位置能透过此蓝色的光；同理，黄色的光经过

左下角宏像素后，红色和绿色小格对应的CCD像素位置分别能透过红色和绿色的

光。同理，CCD其它像素位置感受的光电荷如图图3-54(c)所示，进一步经相机

处理单元将上述经拜耳滤光片滤光后的电荷量转化为R、G、B三通道的数字量。

a

三

3S

短lgl

短lal

印

工

短

短laEl

了j

IDI

lql

一

3.8、以三相CCD为例画出电荷包在t2-t7时刻的定向转移过程（仅画出时序图

即可）

PIXELPn->PIXELPn+I>PIXELPn+2->

01(P20301(P2Q3<P102<D3<D101

0000000000

Q2__[

一组控制栅电极即具有特定相序关系的三个栅电极对应一个像素，但各栅电极分

别对应自己的耗尽区，tl时刻仅有为高电平，此时QI、Q2、Q4、Q5等为在曝光

完成后，各像素对应的第一栅电极族所对应势阱位置处积累的电荷；12时刻除了

©为高电平外，此刻我也转变为高电平，则相应栅极所对应位置均形成了耗尽区

即势阱，因此，前述第--栅电极外所对应势阱位置处积累的电荷此时将由这两个

势阱共同存储；而在t3时刻，仅。2为高电平，此刻族所对应位置的势阱消失，

仅我所对应位置存在势阱，从而使得前述由G、人所对应两势阱共同分担的电荷，

转变为全部由。，所对应势阱承担。三相控制栅极循环按照上述相序通电，则可实

现相邻像元电荷的定向有序移动。

DIRECTIONOFTRANSFER—►

智能检测技术习题

计算题可写在纸上，拍照放在word中即可。请在最后的答题人上写本人姓名。

请将答案直接写在该课堂测试中，并将word重新命名为“学号-姓名-测试二”

如（2017111111-张三-测试二）

5.1、电子能级间跃迁同时，总伴随有—和—能级间的跃迁

5.2、习惯上将红外光区划分为三个区域：、、

5.3、近红外区主要对应能量更高的或吸收；中红外光谱也属于分

子振动光谱，但是它主要是的吸收

5.4、近红外光随波长不断增大、散射能力（变强，变弱），透射能力

（变强，变弱）

5.5、一般认为，光谱分辨率在数量级范围内的遥感称为高光谱遥感，光谱

分辨率在10-3X数量级范围内的遥感称为o

5.6、（判断题）平动和转动自由度都属于分子的振动自由度。（因因）

5.7、（判断题）分子吸收红外辐射由基态振动能级向第一振动激发态跃迁产生的

基频吸收峰，其数目等于计算得到的振动自由度。（因0）

5.8、专门用于遥感处理的软件的名称为（）

A、SPSS

B、ENVI

C、MNF

D、PPI

5.9、（多选题）产生红外吸收的条件有（）

A、分子振动过程中其偶极矩必须不发生变化

B、辐射与物质之间耦合作用

C、红外辐射的能量必须小于分子振动能级差

D、辐射光子的能量与发生振动跃迁所需跃迁能量相等

5.10、（多选题）红外光线的能量要被分子基团所吸收，必须满足（）

A、产生振动都能引起红外吸收

B、光辐射的能量恰好满足分子振动能级跃迁所需要的能量

C、振动过程中，必须有偶极矩的改变

D、分子振动中必须存在谐性振动

E、辐射频率与偶极子频率相匹配时

5.11、（多选题）常用来评定模型质量好坏的统计量有（）

A、预测相对标准偏差（RPD）

B、多元线性回归（MLR）

C、预测集样品的标准偏差（SEP）

D、相关系数（R）

E、Fisher判别分析

F、比值光谱指数RSI（ratiospectralindex）

5.12、分别计算“水分子-极性分子”与“二氧化碳分子-线性分子”的振动自由

度？（可添加适当的文字说明）

5.13、简述近红外高光谱成像与常规全色图像、近红外光谱分析的区别联系？

答题人：_______

第五章：

前10题每题—分，5.11-5.13为每题—分

5.1.电子能级间跃迁同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁

5.2、习惯上将红外光区划分为三个区域：近红外区域、中红外区域、

远红外区域

5.3、近红外区主要对应能量更高的合频或倍频吸收;中红外光谱也属

于分子振动光谱，但是它主要是基频的吸收

5.4、近红外光随波长不断增大、散射能力（变强，变弱），透射能力

（变强，变弱）

5.5、一般认为，光谱分辨率在10-2人数量级范围内的遥感称为高光谱（Hyper-

spectral）遥感，光谱分辨率在10-3X数量级范围