模糊传感器的研究意义、概念、理论基础
模糊传感器是在20世纪80年代末出现的术语。随着模糊理论技术的发展，模糊传感器也得到了国内外学者们的广泛关注。模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测量结果的智能传感器。一般认为，模糊传感器是以数值量为基础，能产生和处理与其相关测量的符号信息的传感器件。
二、模糊传感器的研究意义
传统的传感器是数值传感器，它将被测量映射到实数集中，以数值符号来描述被测量状态，即对被测对象给以定量的描述。这种方法既精确又严谨，还可以给出许多定量的算术表达式，但随着测量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或信息的直接获取、存储方面的困难等等原因，只进行单纯的数值测量且对测量结果以数值符号来描述，这样做有很大缺陷，例如：
（1）某些信息难以用数值符号来描述。例如在产品质量评定中，人们常用的是"优"、"次优"、"合格"、"不合格"，也可用数字1，2，3，4来描述，但数字在这里已失去通常的测量值的意义，它仅作为一个符号，不能来表征被测实体的具体特征。
（2）很多数值化的测量结果不易理解。如在测量人体血压时，人们更关注的是：老年人的血压是否正常，青年人的血压是否偏高。而实测的数据往往不能被普通人读懂，因而满足不了人们的需求。
因此，有待用新的测量理论和方法来补充。模糊传感器正是顺应人类的生活实践、生产与科学实践的需要而提出的。
三、模糊传感器的理论基础
1、符号化表示原理
模糊语言是人类表述语言的一种，因为人们对自然界事物的认识存在着一定的模糊性，用模糊符号来表述信息具有较为简单、方便，且易于进行高层逻辑推理等优点。模糊符号化表示就是利用模糊数学的理论和方法，借助于专门的技术工具，把测量得到的信息，用适合人们模糊概念的模糊语言符号加以描述的过程。符号是信息的载体，是对一个物体或事件状态的描述，它定义了实体的特征属性或实体间的关系。设Q为数值域，S为语言域，在各自的论域上有若干个元素qi、si，且表示为：
Q＝〈q1,q2,…〉 qi∈Q （1）
S＝〈s1,s2,…〉 si∈S （2）
同时，在论域Q和S上分别定义一组关系族：
R=〈R1，R2， …，Rn〉 Ri Q×Q×…×Q （3）
P=〈P1×P2×…×Pn〉 Pi S×S×…×S （4）
并且定义：D=〈Q，R〉，L=〈S，P〉
其中，D-对象关系系统，描述数值域元素及其相互关系；
L-符号关系系统，描述符号域元素及其相互关系。
设有两个映射M和F，M：Q→S，使得Si=M（qi），F:R→P，使得Pi=F(Ri)成立，且M Q×S和（qi，si） M，则称si是qi的一个符号。si的含义是qi从数值域下向语言域映射的投影，而对每一次测量qi，符号si成为qi的描述。系统原理如图1所示。
图1 符号化表示原理示意图
如果F映射是一对一映射，而M映射是同态映射，那么一定存在逆映射：F-1(Pi)＝Ri，M-1（si）＝qi。M映射可以是"单对单"或"多对单"映射。那么，在后一种情况下，符号域中的一个符号经M-1映射在数值域对应出的不是一个点，而是一个"子域"。因此，模糊符号化表示有一定的局限性，即在不同测量结构下，同一测量子集的元素对应不同的符号；或在同一测量结构下，存在测量子集的一些元素同时对应于不同的符号的情况。这一局限性可通过基于多值逻辑理论的多值符号化测量来弥补。其基本思想是：在实体测量集中，根据对实体的某一特征表现程度的不同，把测量子集Q中的元素按特征隶属度最大归类于某一子集，忽略其他特征的表现，因此只要在测量集上对实体集选取适当多个特征表示，使之与测量集中的元素相对应，就可把Q分成有限个意义相关又表现不同的子集{Qi}，对每一个Qi进行符号映射，从而实现对实体集多值符号化测量。
2、多级映射原理
虽然符号具有高级逻辑表达、易理解、人类经验与知识易集成、较宽的冗余度等特点，但与数值测量无限可分相比，符号化测量描述细节的程度和范围不够，尤其在利用符号对数值转换实现定量测量时更为突出。而多级映射原理在实现数值对符号和符号对数值转换的同时，可以扩大符号表示的细致程度和范围。
图2 多级映射原理示意图
本文概述了模糊传感器的研究意义及概念，简要介绍了模糊传感器的理论基础及实现方法，并举例说明了模糊传感器的应用。
多级映射的基本功能是实现数值→符号的变换和符号→数值变换。其原理如图2所示，它的信息传输分为两种情况：
首先是数值对符号的转换，并且是由数值域Q中的元素qi经过映射M的第一级M1映射到符号域S的子集Si，如果子集Si描述细致程度不够，则可以进行第二级映射M2，映射M2将qi映射到次子集Sij，经过若干级映射可以得到描述qi信息的符号sy；
其次，则是符号对数值的转换，由经过多级映射得到的符号sy通过映射M-1得到数字值qj。
由于自然语言表现概念的局限性，建议多级映射的级数为3级。例如，对于0℃～100℃的温度范围，每级采用7个概念，在映射级数为3级时，精度达到0.3℃。对于不需要人们直接参与的中间测量结果情况，多级映射级数可以根据需要加以确定。映射级数的多少另一方面还取决于每一级中包含概念（元素）的个数，每一级概念个数多则需要的映射级数就相应少。如果多级映射应用于包含数值输出在内的模糊传感器研究，则映射级数和传感器变换非线性误差是相关的，映射级数应该通过给定的测量不确定度加以确定。