光电感知技术

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光电感知技术范文第1篇

关键词电感耦合等离子体质谱；激光剥蚀；元素成像；单细胞分析；鼠脑切片；金纳米颗粒

1引言

生物体内的微量元素具有十分重要的生物功能，参与多种生物化学过程[1＼]，如金属离子常作为蛋白质的活性中心，催化和调节生物体内的化学反应[2＼]。微量元素还与一些疾病的发生发展密切相关[3＼]。研究发现，阿尔茨海默病（Alzheimer′sdisease，AD）患者大脑的沉积斑中有高浓度的铜、锌、铁离子[4＼]；金属离子在脑组织微区内的代谢紊乱、氧化应激与AD的形成和损伤关系密切[5＼]。因此，生物样品中微量元素的分析和检测，特别是元素的原位微区分析，无论对于研究微量元素在生物体内的结构、功能和生物效应，还是对于阐明与微量元素相关疾病的发病机理，寻找这些疾病的预防和治疗策略，都具有重要的意义。

生物体内微量元素的分析主要使用原子吸收、原子发射、原子荧光、无机质谱等原子光谱/质谱仪器完成。常规方法大都需要使用强酸消化样品，前处理过程冗长而繁琐，一般只能得到元素总量的信息，而无法得到元素在生物样品中的分布信息。如果采用具有空间分辨能力的原位分析方法，如二次离子质谱[6＼]、激光电离飞行时间质谱[7＼]、同步辐射X射线荧光[8＼]、激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（Laserablationinductivelycoupledplasmamassspectrometry，LAICPMS）[9＼]等方法，可以实现生物样品中元素的原位、微区分析，得到元素成像图。

在上述原位元素分析方法中，LAICPMS由于具有空间分辨率好（约5μm）、分析检出限低（10

4g/L级）、仪器商品化程度高、运行成本较低等优点，逐渐成为应用最广泛的元素成像方法[10，11＼]。杨红霞等[12＼]利用LAICPMS原位分析了印度芥菜中的7种元素，得到了植物茎中的元素分布图；冯流星等[13＼]将同位素稀释法应用于LAICPMS的定量分析，建立了生物切片中Fe元素的原位定量分析方法。本实验详细描述LAICPMS元素成像的步骤和方法，并将建立的方法应用于鼠脑切片和单个细胞的元素成像分析。

2实验部分

2.1仪器与试剂

NWR213Nd：YAG激光剥蚀系统（美国NewWave公司）；四极杆电感耦合等离子体质谱仪（NexION300DICPMS，美国PerkinElmer公司）；冷冻切片机（德国LEICA1900）；NuncLabTekII腔室载玻片（美国赛默飞世尔科技有限公司）

本实验所用小鼠（C57BL/6J）购自中国医学科学院实验动物研究所；高纯Ar气和He气购自北京普莱克斯公司；LAICPMS调谐用标准物质（SRM612），30nm金纳米颗粒（RM8012）购自美国国家标准与技术研究院（NIST）；细胞培养基、小牛血清、PBS、胰酶、青霉素、链霉素均购自美国赛默飞世尔科技有限公司。

2.2样品前处理

3月龄正常小鼠麻醉后，用生理盐水快速灌注15min，再断头取脑组织。将脑组织快速冷冻，制成30μm厚的冠状切片，置于干燥器中备用。

小鼠巨噬胞（RAW264.7）用含有10%小牛血清（FBS）、100μg/mL链霉素、100units/mL青霉素的DMEM/F12培养基在培养箱中（37℃，5%CO2）培养。NIST金纳米颗粒超声处理后，用纯水稀释至合适的浓度，加入细胞培养液。细胞暴露于0.1mmol/L金纳米颗粒4h后，JP吸出细胞培养液，用PBS反复清洗后，将细胞转移至腔室载玻片，待细胞贴壁后，除去腔室间的隔断，将载玻片置于干燥器中备用。

2.3LAICPMS实验

激光剥蚀产生的气溶胶由He气载带出样品ZH（池，通过三通与Ar气混合后进入ICPMS分析。ICPMS用NIST612调谐，使U、Th信号最强且得到较低的氧化物产率（UO+/U+）。LAICPMS所用的仪器参数见表1。

LA采用线剥蚀模式，激光剥蚀时自动触发ICPMS以时间分辨模式采集质谱数据。所得数据用MicrosoftExcel处理，用IgorPro.（美国WaveMetrics公司）软件画出元素成像图。

3结果与讨论

激光烧蚀系统可以作为ICPMS的固体进样装置，工作时激光束先剥蚀样品表面，产生的固体气溶胶被载气运送至等离子体而完成电离，然后在质谱中得到检测。LAICPMS的准确分析需要尽可能地满足下面3个条件：（1）激光剥蚀产生的气溶胶与固体样品的组成相同；（2）气溶胶可以高效率地传输至质谱；（3）进入质谱的气溶胶可以完全电离[14＼]。在实际分析过程中，上CM（203/5述条件常常很难完全满足，这样会导致“元素分CM）ZH）馏”（不同元素在LAICPMS分析过程中的行为差异）的产生。为了校正激光能量、样品厚度、漂移对质谱响应的影响，LAICPMS元素成像分析时，需要选用适合内标元素。还要使用基体匹配的标准，以获取准确的定量分析结果。研究表明，相比过去常用波长的激光器（如266nm），使用213nm波长的NdKG-3∶KG-5YAG激光剥蚀得到的样品更为均匀，元素分馏效应更小[15＼]。使用氦气作为载气，可以有效地提高气溶胶的传输效率，从而提高分析的灵敏度[16＼]。因此，在本实验中，使用波长为213nm的激光，采用He气作为载气，并采用13C的信号作为内标校正元素。

3.1剥蚀模式的选择

元素成像可采用点剥蚀模式（Spotablation）或线剥蚀模式（Lineablation）完成（图1）。在点剥蚀模式中，激光在样品表面每隔一定距离取一点剥蚀样品，重复操作直到激光采样的点阵覆盖整个样品。在此模式下，采集的数据真实反映每个采样点上的元素信息，激光光斑越小，采样点越多，得到的元素成像图的分辨率越高。而在线剥蚀模式中，在样品表面每隔一定距离设置一条剥蚀线段，重复设置剥蚀线段，直到激光采样的线段覆盖整个样品。工作时激光沿直线连续剥蚀样品，此时，元素成像图的分辨率取决于激光光斑、剥蚀频率、线扫描速率，以及剥蚀线间的距离等条件。

LAICPMS分析时，如果采用点剥蚀模式，在两个剥蚀点之间需要耗费较多的时间等待质谱信号回到本底水平，才能进行下一点的分析。这样减少了有效质谱分析时间的比例，增加了元素成像分析所需要的时间。所以在本实验中，采用线剥蚀模式，并使用两种剥蚀参数分别应用于鼠脑切片和细胞样品（见表1）。需要注意的是，由于剥蚀参数的选择，最终得到的元素成像图在激光扫描的方向常会拉长变形，一般需要在最后处理过程中恢复原始比例。

3.2激光能量的选择

与地质样品不同，生物样品的含水量较高，因此在剥蚀时，必须有效地控制剥蚀条件，既要实现完全剥蚀样品，又要避免用过高的能量剥蚀而使样品中的水大量汽化，造成样品不规则撕裂和严重的元素分馏。此外，在分析生物样品时，选择较低能量密度（

3.3鼠脑和细胞的元素成像图

元素C作为生物样品的内标校正元素，Fe，Cu，Zn是生物体中重要的必需微量元素，具有多种生物功能。所以，本研究选择分析以上元素。LAICPMS分析得到的鼠脑元素成像见图3。从图3可以清楚地分辨小鼠脑的不同区域，并可以看出Fe，Cu，Zn等重要微量元素在各个脑区中的分布情况。由于Fe元素在ICPMS中受到ArO+等多原子离子的严重干扰，所以得到的Fe元素成像图不如其它元素成像图清晰。JP文献＼[18＼]报道，采用碰撞反应池技术可以消除测量时的质谱干扰，得到更加清晰的Fe元素成像图。由于缺乏可用于LAICPMS定量分析的生物标准参考物，定量元素成像分析相对困难。国外实验室常自制基体匹配的生物切片标准物质，采用外标校正的办法，实现生物样品的定量元素成像[10＼]。

如果LAICPMS技术与免疫组织化学方法相结合，使用元素标记的抗体与切片上的待测抗原反应，通过分析标记的元素，可以得到切片上蛋白质（抗原）的分布信息，进一步拓展LAICPMS在生物成像分析的应用范围。Seuma等[19＼]成功得到了两种癌症生物标志物在组织上的成像。利用类似的方法，Wang等[20＼]同时得到了Fe，Cu，Zn等金属元素和β淀粉样蛋白在老年痴呆模型鼠脑切片中的元素和分子成像图。

图4是暴露金纳米颗粒后的单细胞光学成像和元素成像图。在本实验条件下，除了Mg元素外，不能得到其它天然微量元素的清晰成像。@主要是由于细胞中的这些元素含量较低，或者是由于分析这些元素时存在较为严重干扰。从图4可见，Mg和Au元素浓度较高的位置与光学显微镜中细胞所在位置重合，而在没有细胞的位置，Mg和Au元素浓度很低。因此可以确定，Mg和Au的元素信号分别来自于细胞本身和进入细胞的金纳米颗粒。

为了准确得到单个细胞中的元素含量，需要发展合适的定量标准和校正方法。Wang等使用微喷系统制备了与细胞大小和含碳量相似的标准液滴，作为基体匹配的单细胞定量标准，成功实现LAICPMS定量分析单细胞中的金属纳米颗粒[21＼]。此外，现有的激光器最小光斑约为5μm，如果希望用LAICPMS技术得到单个细胞中的元素成像图，则需要进一步提高空间分辨率。Becker等提出的近场剥蚀技术，将LAICPMS空间分辨率提高到亚微米级，有望真正实现单个细胞成像分析[22＼]。

4结论

本研究建立了LAICPMS元素成像方法，得到了鼠脑切片、单细胞等不同水平生物样品的元素成像图。LAICPMS由于具有空间分辨率高、检出限低、运行成本较低等优势，有望作为其它生物成像技术的有力补充，在生物医学研究中得到更广泛的应用，发挥更重要的作用。

References

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22BeckerJS，GorbunoffA，ZoriyM，IzmerA，KayserM.J.Anal.At.Spectrom.，2006，21（1）：19-25）

AbstractTraceelementsplayaveryimportantroleinbiologicalorganismandcloselyrelatedtomanydiseases.Thenewanalyticalmethodsareurgentlyneededforinsitudeterminationoftraceelementsinbiologicaltissuesorsinglecells.Amethodbasedonlaserablationinductivelycoupledplasmamassspectrometry（LAICPMS）wasdevelopedforsuchinsituanalysis.Lineablationmodewaschosenandtheoutputenergyofthelaserwasalsooptimizedatalowfluenceoflessthan1J/cm2.Thetwokindsofelementalbioimagingofbothacoronalsectionfrommousebrainandsinglecellsexposedtogoldnanoparticleswereobtainedbythedevelopedmethod.Becauseoftheuniquecharacteristics，suchasgoodspatialresolution，excellentdetectionlimit，andreasonablerunningcost，LAICPMSwillbeappliedwidelyandbecomeausefultoolinbiomedicalresearchinthefuture.

KeywordsInductivelycoupledplasmamassspectrometry；Laserablation；Elementalbioimaging；Singlecellanalysis；Mousebrainsections；Goldnanoparticles

光电感知技术范文第2篇

【关键词】TFT-LCD；感应器;PLC信号

前言

传感器在非电量检测与工业生产过程中应用越来越广泛。当前，一方面利用新的传感器原理研制各种新型传感器大量涌现，另一方面电子技术在传感器领域普遍应用，使传感器技术迅速发展。

传感器技术涉及面非常广泛，本文就乐金显示（广州）有限公司TFT-LCD生产线为例,介绍常见的传感器及其应用。TFT-LCD生产线主要包括PCB压榨、机构组装以及回路检测。即将一块Drive Assembly 经过PCB贴合、BACK LIGHT 组装、Agging测试、最终检查和包装这一系列工序。

下面详细介绍TFT-LCD生产线中常见传感器的工作原理及其在生产中的应用。

一、电感式接近开关

1、工作原理：

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。

2.现场应用

此类传感器在生产资材投入时应用比较多，在PCB loader 部，tray 投入过程都有应用。汽缸上镶嵌的就是常开式，当汽缸上升后，传感器闭合，给予一个到达上升位置的信号，此时PLC 得到信号，进行下步动作。

3、工作流程方框图：

二、 电容式接近开关

1.工作原理：

电容式接近开关亦属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体,在检测较低介电常数ε的物体时，可以顺时针调节多圈电位器（位于开关后部）来增加感应灵敏度。

2.工作流程方框图

3.现场应用：

感知到物体时，只亮电源灯（置于运送panel的table底部）。此类传感器在BOX loader 部和panel投入移栽时应用，当装有panel的BOX从滚筒传送到下部shutter 上，panel 吸附至panel buffer shutter（即BCR table）时，检测物体是否到位，给予PLC信号，进行下步动作。

三、位移传感器

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

在组装中应用最多的一类传感器，当panel 经过一系列工序进入老化房或者冷却房时，能看到此类传感器，感知金属质托盘的到达，给予PLC信号，升起stopper，使得托盘有序进入老化、冷却房。

四、压力感应器

压力传感器是用于测量液体与气体的压强的传感器。与其他传感器类似，压力传感器工作时将压力转换为电信号输出。

在压力感应器上设置设定值，气体压力达到设定范围内后，感应器有一个信号输出。

PCBloader以及panel移栽时，所有用到真空吸附的地方，用来判断资材是否吸附，从而能正确达到指定位置，如PCB从tray被吸附起来，投放至假压部，假压受台吸附PCB OK的状态，吸附值达到后给予PLC信号，进行下步动作。

结论

工业生产已经慢慢开始脱离了人力约束，随着科技发展，更加趋向与机械运作，相比人力的各种局限性，机械的持续生产力，生产效率都大大大于人力，在这其中传感器的应用也越来越广泛，越来越重要，对传感器的选择与应用直接关系到生产的顺利进行。

一条完整的生产线，从原材料投入到最后成品产出，经过多道工序，每道工序内容和操作环境不同，对传感器应用也都有不同，选择最合适的传感器和良好的利用各种感应器对生产的顺利进行有着致密的关系，处理好产线上各种感应器之间运作关系，良好的搭配都将是我们做好工作的一条有力途径，在工作中我们也将朝着这个方向努力。

参考文献：

[1]谭福年.常见传感器应用电路1996.

[2]王洪业. 传感器工程 1997

光电感知技术范文第3篇

关键词：电液伺服 纠偏 带钢 PLC

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）05-0364-02

0 引言

纠偏控制以电液技术为基础，带钢跑偏的检测方式多样，按其跑偏量检测原理可分为光电检测、电感检测、电容检测三类。纠偏控制一般采用如下三种方式：第一种为单辊纠偏，其作用为保证带钢进入活套前位置适中，具体为在一段较长的自由运行后，带钢以90度夹角卷绕纠偏辊，利用卷绕效应的物理作用，带钢偏差会被校正到一定范围之内。当自由的钢带进带距离和出带距离较长时，一般让带钢绕180度经过纠偏辊。纠偏作用机理为：驱动两根倾斜的连杆转动，带动纠偏辊机架旋转，带钢与纠偏辊中心形成一定的夹角（积分作用），另一个作用为强制带钢横向移动（比例作用）。因此，纠偏机架旋转产生的比例积分的控制作用。该类纠偏一方面对出带位置进行纠正，另一方面对近带也起到一定的纠偏作用，测量信号获取部分一般放置在出带侧。第二种为双辊纠偏，其应用场合为有改变两个带钢运行高度的需求时（如活套的出入口），必须使用双辊纠偏机架过渡作用，起到比例调节的效果。该类型的纠偏机架突出优点为仅需较短的自由进出带距离即完成纠偏，因此，可应用在机组设备较密集的位置。工作原理为纠偏辊在进带平面上以一个固定转轴为中心而转动，使带钢的出带部分横向移动。此时纠偏辊并不能纠正进带的跑偏，但对纠正出带位置具有重要作用，作用为使带钢回到设定的中心位置。带钢运行时的纠偏量与纠偏机架的调节距离为近似比例关系，进带和出带与转动平面的夹角为90度，纠偏性能取决于进带与出带之间的相对距离，该类测量装置信号获取也在出带侧。第三种为三辊对中：在带钢张力较大或带钢较厚的特殊工况下，一般可应用三辊纠偏，其技术有点为带钢不必在辊上绕向即能实现带钢的纠正。为增强纠偏效果，带钢和纠偏辊之间需具有一定的摩擦力，摩擦力的大小可通过辊子本身的直径或上辊的下压力来共同确定。其结构特征为在转动的机架上装三个辊子，依靠两根连杆支撑移动运动，带钢与辊面之间的夹角产生积分作用，带钢横向移动产生比例作用，除对出带位置与进带均有纠偏效果。

许多研究人员对带钢纠偏做了详细的研究，如文献[1]设计了基于比例阀控制的电液伺服纠偏系统，并进行数学建模与MATLAB仿真研究。文献[2]采用CCD作为信号采集元件，设计了基于换向阀的伺服纠偏系统。文献[3]提出了一种基于图像处理技术采集跑偏信息的电液位置伺服纠偏系统。文献[4]设计一种基于光电纠偏技术的电液伺服系统，并在带材清洗机列卷取机自动对中系统中成功应用。

本研究提出一种采用差动光电原理的带钢跑偏检测方法，设计了纠偏伺服机架，对系统进行数学建模，最终设计了电液伺服系统，实现带钢的纠偏控制。

1 系统主要组成

1.1 光电检测原理

光电检测工作原理如图1所示，荧光灯光源S提供高频光源，频率为1000Hz，功率为50W。带材T遮挡光路，光电检测器透镜组L获得经带材遮挡后的光，并经光敏元件D感知，位置信号电压先经色度补偿选频并放大，再经带通滤波器滤波与电压整形变换，最后输出与位置信号成线性的稳定、高可靠信号。光电检测系统经实验室调试，输出跑偏信号电压与钢带遮光位置在较大范围内成接近比例。跑偏信号电压经标准化处理为4-20mA电流，可被单片机或PLC采集。为保证系统工作可靠性，在光电检测系统中设计断光保护输出电路，当光敏三极管无法获得足够强度的光源时，输出断光信号，保证系统可靠运行。

1.2 纠偏机架设计

由于带钢纵向或横向浪形、边缘浪形、中部浪瓢、歪扭、镰刀弯、厚度变化、表面粗糙度及张力变化等原因，造成带钢在运行过程中的侧向滑移与螺旋漂移，其中螺旋漂移作用为主导因素。本研究主要分析其对中纠偏作用的水平单辊，纠偏机架如图2所示。整套纠偏机架固定在水泥浇注的基础地基上，纠偏位于上部为纠偏辊，其转动方向由底部油缸推动机架可动部分旋转来确定。

1.3电液伺服阀控缸原理

电液伺服阀控缸原理如图3所示。

式中，QL为系统流量；KQ为流量增益；KC为流量-压力系数；xv为阀芯位移；pl为负载压差； Ap为缸活塞面积；xp为活塞位移；Ctp为总泄漏系数；Vt为液压缸总压缩容积；βe为有效体积弹性模量；mt为活塞及负载折算到活塞上的总质量；Bp为活塞及负载的粘性阻尼系数；K为负载弹簧刚度；FL为任意外负载力。当K=0时，指令输入的传递函数可表示为：

2 系统总体结构

本文采用SIEMENS S7-200 PLC CPU224 XP型号，扩展A/D及D/A模块，采集系统跑偏信息，并输出控制伺服阀进行纠偏。联网选用工业以太网模块CP243-1。如图4所示。

液压系统的伺服阀具有非线性、参数不确定性及外部的扰动等不利于性能提高因素，且扰动参数随工作状态与温度变化，因此纠偏电液控制系统的各主要参数在系统运行中有可能是时变的，其固定值可由标称值参数推导求得，设计系统目标为：当系统参数变化时，使系统输出量跟踪期望输入信号。通过设定值与实际位置的比较，产生偏差信号，经过PID运算后，到 D/A口输出标准电流信号调节伺服阀控制电流，构成一个闭环恒值控制系统。PID控制器具有的结构简单，易于控制，参数可调、高精度的优点，随着微机技术的迅速发展，数字PID控制器代替了原有的模拟PID控制器，使PID控制易于微机实现。数字PID控制器一般采用位置式PID控制算法或增量式PID控制算法，各有其应用场合。PID控制器是一种线性控制器，通常控制量是给定量r（t）和输出量y（t）的偏差，即依靠偏差来纠正偏差：

由于计算机控制是一种采样控制，因此连续的PID控制算法不能直接运用，只能进行离散化进行控制，离散化由微机编程来实现。

3 结束语

本文根据电液伺服系统的工作原理以及物理构成建立了纠偏系统结构，结合的电液伺服系统模型参数，确定出系统的传递函数。在阐述PID控制理论基础上，给出了出了针对电液伺服系统的PID控制器算法，并最终设计了基于PLC的电液伺服纠偏系统硬件结构，为工程应用奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]郑淑娟， 贾建涛， 段现银. 比例阀控电液纠偏系统的设计与分析 [J].机床与液压，2010，38（16）：57～59.

[2]程丽华， 杨晓明， 毕友明. 一种通用的电液伺服带钢纠偏和对中控制系统[J]. 机床与液压，2004，（6）：126～127.

光电感知技术范文第4篇

由于人们对无线传感器在工业应用领域中的兴趣不断增强，全景和基本功能上也不得不产生明显的变化，以便在未来提供更高的性能。

无线传感器的潜在影响

B&B电子公司的产品管理总监，麦克.法里昂对我们说道：“在技术层面上传感器的主要变化，首先是增加了内嵌式智能，但是，影响最大的却是无线传感器那无间断的驱动，因为它改变了系统开发的体系结构。”

B&B　电子已经为原型设备制造商开发了一种嵌入式的802.11b/g无线模块　（Quatech　机载模块）　。RF技术、网络堆栈和先进的安全功能都压缩到了一个紧凑的单板包上。

（来源：　B&B　电子）

法利昂说，使用无线传感器存在一个固有问题，人们对这一问题的忧虑甚至超过对无线电技术本身的担忧，这就是普遍对电池和外部供电设备的需求。使用电池供电的传感器，会打破原有的设计模式，因为此时对电量的估算会变得极为重要。大多数的传感器设计都需要考虑一个新的要素，那就是在设计的过程中要更多的考虑通信需求而不是传感器本身。

他说，“若使用电池供电或是使用替代性供电设备供电，传统的传感器构造会在遥感期间快速的消耗掉预估电量。而如果通信协议设计不当，对传感器进行数据查询的睡眠电流和采样电流就会白白的浪费掉预估电量。而浪费的程度需要取决于无线电在空中传输的时间。”

如今重要的是怎样延长电池的使用寿命，通常的做法是让传感器节点处于睡眠模式，当必须进行通信时再唤醒传感器的节点。而这使整个结构发生了转变。在过去，因为没必要省电，所以上游设备（可编程控制器PLC或控制器）时常进行轮询。虽然在数据传输上并没有花费多少时间，但是，仅有控制器实现了系统智能化。

然而，如果不能时常对电池的寿命进行检测，这种毫无节制的轮询将无法实现。因而传感器需要实现智能化，以便能够分辨出需要传输的数据和传输的时间。这就需要工程师去考虑如何改变系统的架构。

法利昂说道，“正如所见，无线技术的这种发展趋势使传感器具有只传输重要数据的能力。”“如果传感器能够识别周围其他传感器的运行内容，那么它在分辨有用信息方面会更加智能化。例如，在电流或程序的设置过程中，当上游闸门打开时，传感器会立即上传数据信息。”

法利昂说道，“要想充分的利用有限的估算电量，我们就不得不在传感器的网络上打注意。然而，传感器的无线接口和电量是有限的，但是也不能因为这些困难而停止不前。系统需要一个全新的设计架构，这种架构要带有数据存储和内嵌式软件。而无线路径的使用使一切成为可能，它打开了转变的大门，虽然，我们这样做只是迫于电量限制的问题。”

法利昂又说，“虽然无线传感器仍在这场变革中处于尖端位置，但是一些传感器公司已经开始与专业的无线公司合作，用以寻求更大的技术变革。现在多数传感器公司是通过购买无线模块并内嵌入传感器中的方法来实现这两种技术的有效结合。而无线技术公司方面也开始涉足传感市场，他们在解决方案的前端加入了传感性能。”

“而正当我们仍在如何将传感和无线技术相结合的第一阶段徘徊时，一些公司已经大步向前的构建出更加智能的架构，他们已经摒弃让PLC绕过轮叫算法，以每100毫秒一个的点击速度，快速轮询200个传感器节点的方法了。”

一个智能型的网络可以使传感器处于睡眠状态，因为它具有判断传输数据和传输时间的能力。此外，也能够使无线电接收器电路处于关机状态。传感器可以在设定的时间间隔里定期被唤醒，然后检查本地的数据　。之后，这种“智能型”传感器将根据输入的数据传输程序来决定是简单的存储数据还是要将数据进行处理。

通常当人们谈论　“物联网”，并且没有特定指明的时候，多数是指网络边缘设备的智能，而不是指使用控制器的集中方式。因而就形成了与这些处于边缘地带的设备进行对话的诉求。此外，若是这些设备之间可以直接对话，那么就为生产智能化网络提供了可能性。

法利昂说，“我们的终极目标就是使用更为分散的智能和通信来实现更为优越和本地化的决定和控制运算。如今的智能型手机就是一个很好的例子，智能型手机并不仅仅是我们所见过的最酷的人机界面（HMIs），里面还内嵌有通信、存储和处理等3、4个性能。总之，无论在世界任何地方，你都有可能成为一个传感节点、人机交互节点（HMI）或是处理节点。”

抛开其他因素，现场总线之战使业内人士明白了一个道理，那就是“不要认为由消费者和市场选择的企业技术不行，这无疑是一场毫无胜算的赌博”。在未来，有两种技术我不敢下注说它们不行，那就是WIFI和蓝牙。芯片组正向着更加集成的方向发展。一个集成组能包含全套的无线设备和处理器。此外，电量管理也超乎想象的变得越来越好。也许未来在传感器类的应用设备中，一些组将能轻易获得满足五年使用需求的电量。

等距离对铝和钢的遥感

倍加福的汽车市场部经理托马斯.米勒告诉我们，“在汽车车体的生产车间里，存在两种有待解决的需求。一种是对铝制部件的遥感需求。最典型的是，以前的发动机盖、车门和车身侧边的面板都是钢制的，但是现在，由于咖啡厅的普遍规格、节省燃油消耗和降低车身重量的需求，高端车型的主体越来越多的使用铝制面板。”

米勒说道，通常情况下，近距离传感器会在特定距离下对钢 进行遥感，但是，当使用相同的传感器在相同的距离下对铝进行遥感时，遥感的效果会降低60%　。若是将两者间的距离缩小，铝制材料就会有凹陷的危险，因为铝比钢更易变形。因而，这就需要一种在等距离条件下能对这两种材料进行有效遥感的传感器。

“当既装有钢制部件又装有铝制部件的车体从流水线上下来的时候，人们就希望有一种装置能用于任何一种部件。过去，需要装两个装置，一种金属对应一个装置。这种装置是用来固定并焊接部件的。而在装置里面装有一个传感器，用来分辨部件的种类，看看是铝还是钢。”

另一种是对下线的不同车型的遥感需求。当制造商推出一款新车时，会推出双门、四门和五门（第五个是车尾向上开启的车门）的车型，这就需要传感器来分辨即将下线的是哪款车型。因为车门、尾门和车顶线通常是有区别的。

米勒说，“从去年起，使用一个传感器来辨别3到4种不同的车型变得越来越流行。这种辨别在以前也可以做到，但是不常用，因为对各种车型的辨别都需要使用6到8个传感器。因而，如今制造商开始寻求一种方法，可以用一个传感器来辨别多种车型。”

这种探寻的结果就是，传感器只专注于一个局部，并且使用一种嵌于设备中的配置（这种配置可以跟踪数据并优化执行时间）来辨别双门、四门或五门车型，这种功能使传感器类似于使用离散输出的低档相机系统。米勒接着说道，这些应用为光电传感器的发展增加了阻碍。并且由于解决方案易于编程，对不同车型使用离散输出，传感器正在蚕食掉低端视觉相机的市场份额。

绝对定位应用

目前，传感器存在一种发展趋势，即需要传感器去感知绝对位置，这里的绝对位置并不仅仅是指单点定位。从旋转编码器开始，从增量到绝对位置都有一个级数，有时也会移动到线性包。图尔克公司的商业开发部经理克鲁杰.邓拉普说道，“相比靠点数脉冲的增量输出值，工程师们更想知道绝对位置。关键是要有更好的控制性和控制的可靠性，既要能感知机器的工作内容又要能进行有效地追踪。”

过去，许多自动单元为焊接夹具上的形成终端限制进行遥感。但是现在，通过使用线性反馈，系统不仅可以感知螺母是否就位，甚至还可以感知被焊接到支架上的螺母的型号是否正确并且有没有焊反。此外，有缺陷的部件在流程中可以被更早的发现，从而降低成本，也无须中断组装流程。

邓拉普说，“我们有些较新的线性产品使用了一种遥感技术。这就意味着这些产品将对自动焊接机产生的磁场免疫。现在我们就可以使用以前那些因受磁场影响而无法使用的设备了。”

例如，由于自动单元变得更加复杂，我们可以更有效的使用传感器来优化检测流程；由于更多的使用模型和比例输出，我们就可以精确的确认机器的位置；由于将传感器应用于易碎产品的生产流程中，我们可以更有有效地降低损失。由于生产率的提高，特别是进程的加速，导致了对流程突然开启和停止，这会造成不必要的损失，而针对比例控制所应用的精确位置反馈可以帮助我们降低这种损失。

邓拉普又说道，“电感传感器可以消除因磁场的存在而产生的一些问题。例如，应用于线性马达周围的焊接应用和检测行为。我们的矢量马达和驱动应用即使受到磁场影响，也不太会出现什么问题，但是要想在线性方面将传感器和绕阻隔离开却十分的困难，因为线性马达的绕阻是在外的。

大批量定制的传感器设计

设计新型的传感器是一种发展趋势，而另一种趋势是工厂内的大批量定制。这种大批量的定制可以更加迎合实际应用的需要。它的优点是能够简化安装和配置、定制硬件以及能够轻松的运行优质的软件性能和选项。

邦纳公司光电传感器市场部经理丹尼斯.史密斯说道，“微处理器技术的出现，使机器制造商得以实现大批量的定制。所谓的大批量定制，就是为特定的应用需求提供一种事先定义好的配置，在出厂前就已预先配置好，并可以在机器上直接安装，这样就不需要机器制造商在使用环境下对配置进行额外的手工设定。　”

光电感知技术范文第5篇

关键词：多点触摸 手势识别 油气勘探

1、引言

多点触摸技术，是采用人机交互技术允许用户同时通过多个手指来控制图形界面的技术。[1]目前，触摸技术已经摆脱了只能单点触摸的瓶颈，实现了两点、十点甚至更多点的同时触摸。多点触摸是时下展厅用的较多的新型展示技术之一，它一改以往旧式触摸屏类似鼠标的操作方式，扩充了手势感知功能。配合具体项目开发的触摸软件支持之后，能够极大地提升交互功能体验。

目前，基于计算机视觉和光学的多点触摸技术已经在多种触摸识别系统中得到了应用，但是将多点触摸技术和油气勘探决策结合使用的应用很少。针对油气勘探决策应用背景，基于勘探底图上的交互手势语义定义和触摸信号采集，提出了一整套简捷可适应油气勘探底图操作的多点触摸自然手势定义和识别方法，并基于红外多点触摸设备与油气勘探开发决策进行API编程实现。基于多点触摸的自然手势交互的实现主要包括触摸信息的采集、自然手势的定义、手势识别及处理三部分。

2、触摸信息的采集

多点触摸原理的不同也导致了对双手手势识别方法的不同。该多点互动触摸系统是基于红外光学技术原理[2]，结合光电感应、计算机图形学等多学科资料，通过红外感光、图像捕捉、形态学分析等技术环节，分析出触摸坐标位置，形成多点触摸的基本工作原理。

触摸点信息采集与处理硬件部分主要包括：中空边框（厚度为1cm），红外发光二极管，触摸屏（0.5mm玻璃）、摄像头、计算机和显示器。我们采用的硬件环境是将两组直线等距离排列的若干个红外发光二极管以90度方式放置于触摸框的两边内，将两组直线等距离排列的摄像头以90度方式置于触摸框的另外两边框内，这样组成多个红外光感应器件。红外发光二极管提供红外光源，摄像头捕捉手指遮挡的红外图像进行阴影探测，获得图像中阴影的位置和数目，计算完成触摸点跟踪、手势识别以及手势操作对应的底图点击、放大、缩小等功能。

红外光源从触摸屏上边框和作边框发出红外线，当手指接触到触摸屏时，红外光线在十字交叉点处被遮挡而产生阴影，阴影被摄像头捕捉并被触点追踪模块识别为触点，触点追踪模块把这些触点数据进行处理转换成触点的坐标信息。触点坐标信息以可触摸的用户界面协议（Table-TopUserInterfacesObjects，简称TUIO）[3]格式，通过TCPSocket通信方式传给模块，剖面底图模块负责接收数据包，按照TUIO协议格式分析数据包相应字节信息，以得到触点的ID、x坐标、y坐标、x方向上的加速度、y方向的加速度和触点加速度。

3、多点触摸手势定义

如何将自然手势映射到油气勘探底图的操作，是自然交互手势定义的关键。自然交互手势的识别是根据一个计算周期内（800～1200ms）采集到的各触摸点坐标是否有变化来确定的[4]。若无变化，则该手势判断为静态手势，即是触摸点的集合。在多点触摸API编程中用TouchHandler类表示。若有变化，则将该手势判断为动态手势，在多点触摸API编程用GestureHandler类表示。

对油气勘探底图操作习惯和多点触摸的交互手势进行分析，从动作状态（静态、动态）和动作运动的角度将交互手势分类，并利用接触面类型（点、面）、状态和运动类型（平移、旋转、抓取）对触摸手势进行专业化描述。在交互手势和交互任务映射规则的框架下，有效地设计了油气勘探数字工作室应用系统的自然触摸交互手势。

4、手势处理

多点触摸事件处理主要包括静态手势触摸事件处理和动态手势触摸事件处理。具体处理过程如下：

静态手势触摸事件（TouchHandler）处理：

a.通过CreateHandler判断触摸动作事件的类型，即动态触摸或静态触摸。

b.将事件侦听器附加到从InteractiveObject类继承属性的类实例。

c.指定要处理的触摸事件的类型。

d.调用事件处理函数以执行某些操作，从而响应事件。

5、应用

将多点触摸大屏幕API编程技术的研究成果应用到油气勘探决策支持系统中，所呈现出的更为简便直观友好的人机互动方式让勘探工作者出充分体验到了触摸的快乐，在在提高工作效率的同时，能极大提高综合分析研究和决策的水平。

参考文献

[1]张国华，衡祥安，凌云翔，老松杨。计算机应用研究1737-1739基于多点触摸的交互手势分析与设计。

[2]HanJY.LowCOstMulti-touchSensingThroughFrustratedTotalInternalReflection[C]Proc.ofthe18thAnnualACMSymposiumonUserInterfaceSoftwareandTechnology.Seattle，USA：ACMPress，2005.