大学精品课件：第04章-物联网传感器技术.ppt

1、传感器与我们的生活密不可分 灯光 烟雾 手机（数一数智能手机里的传感器）车辆（速度、胎压、灯光、雨刷、液位）工作 娱乐 探空火箭探空火箭人脸识别人脸识别新能源汽车关键技术新能源汽车关键技术多用途无人机多用途无人机 航天英雄杨立伟发射北华航天研发的火箭北华航天成果在东北亚博览会开幕式上吴仪副总理参观北华航天新能源汽车副省长矫正中试乘北华智能车传感器是物体的“五官”把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号。可用信号：便于处理的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等 利用各种物理、化学、生物效应实现对被测信号的测量。传感器两个概念：1、检测信号 2、能把检测信号转换成与被测量有对

2、应函数关系、便于传输、处理的物理量。传统传感器基础知识传统传感器基础知识 几种常用传感器介绍几种常用传感器介绍 智能传感器智能传感器MEMSMEMS技术技术4123传感器接口技术传感器接口技术 54.1 传统传感器基础知识 1传感器技术传感器技术：是物联网的基础技术之一，处于物是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层。联网构架的感知层。2传感器传感器：是一种能把特定的被测信号，按一定规是一种能把特定的被测信号，按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。

3、是物联网的基础技术之一，处于物是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层。联网构架的感知层。互联互通。传感器技术3传感器作用传感器作用：传感器处于研究对象与检测系统的传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口窗口，它提，它提供物联网系统赖以进行供物联网系统赖以进行决策决策和和处理处理所必需的原始数所必需的原始数据。据。按按被被测测量量分分类类 物理量物理量 传感器传感器 力学量力学量压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传

4、感器、尺度传感器、密度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、粘度传感器、硬度传感器、浊度传感器粘度传感器、硬度传感器、浊度传感器 热学量热学量温度传感器、热流传感器、热导率传感器温度传感器、热流传感器、热导率传感器 光学量光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器传感器、图像传感器、亮度传感器 磁学量磁学量磁场强度传感器、磁通传感器磁场强度传感器、磁通传感器 电学量电学量电流传感器、电压传感器、电场强度传感器电流传感器、电压传感器、电场强度传感器 声学量声

5、学量声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器 射线射线x x射线传感器、射线传感器、射线传感器、射线传感器、射线传感器、辐射剂量传感器射线传感器、辐射剂量传感器 化学量化学量 传感器传感器离子传感器、气体传感器、湿度传感器离子传感器、气体传感器、湿度传感器 生理量生理量 传感器传感器生物量生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器 生化量生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微

6、生物型传感器、血气传感器、血液酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液电解质电解质传感器的基本原理传感器的基本原理静态特性静态特性：指被测量的值处于稳定状态时的输指被测量的值处于稳定状态时的输 出和出和输入关系。输入关系。衡量静态特性的重要指标是衡量静态特性的重要指标是线性度线性度、灵敏灵敏度度、迟滞迟滞和和重复性重复性等。等。动态特性：动态特性：输出对随时间变化的输入量的响应特性。输出对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的基本指标传感器的基本指标1.工业自动化系统：以传感器一微机为核心的自动检测与控制系统2.航空航天：飞行速度方向、飞行姿态进行检测3.资源探测与环境保护

7、：大气、水质污染、放射性、噪声的检测4.医学领域：人体温度、血压及腔内压力、血液5.家用电子产品6.军事领城 传感器的应用领域传感器的应用领域4.2 4.2 几种常用传感器介绍几种常用传感器介绍基本介绍：1温标温标：用来用来度量度量物体温度数值的标尺。物体温度数值的标尺。2敏感元件与被测介质接触与否，分为：敏感元件与被测介质接触与否，分为：接触式温度传感器接触式温度传感器 非接触式温度传感器非接触式温度传感器3 材料及电子元件特性，分为：材料及电子元件特性，分为：热电阻热电阻 热电偶热电偶1绝对湿度：绝对湿度：是大气中水汽的密度，即单位大气中是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量所含水

8、汽的质量。2相对湿度相对湿度：相对湿度，指空气中水汽压与饱和水相对湿度，指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。湿空气的绝对湿度与相同温度下可汽压的百分比。湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比能达到的最大绝对湿度之比。3 露点：露点：使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度值和水汽所必须降低的温度值。基本介绍基本介绍：分类：电阻电阻湿度湿度传感器传感器 敏感元件为湿敏电阻，其主要敏感元件为湿敏电阻，其主要材料一般为电介质、半导体、多材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷、有机物及高分子聚合物孔陶瓷、有机物及高分子聚合物。电容电容湿

9、度湿度传感器传感器 敏感元件为湿敏电容，主要材料一敏感元件为湿敏电容，主要材料一般为高分子聚合物、金属氧化物。这般为高分子聚合物、金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化。吸附水分的多少随环境湿度而变化。利用超声波的特性研制而成；利用超声波的特性研制而成；一种振动频率高于声波的一种振动频率高于声波的机械波机械波；频率高、波长短、绕射现象小；特别是方向性好、频率高、波长短、绕射现象小；特别是方向性好、能够成为射线而定向传播对能够成为射线而定向传播对液体、固体液体、固体的穿透本领的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中它可穿透几

10、十很大，尤其是在阳光不透明的固体中它可穿透几十米的深度。米的深度。超声波碰到杂质或分界面，会产生显著反射，形成超声波碰到杂质或分界面，会产生显著反射，形成反射成回波碰到活动物体能产生多普勒效应。反射成回波碰到活动物体能产生多普勒效应。广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器超声波传感器 被测气体的种类繁多，它们的性质也被测气体的种类繁多，它们的性质也各不相同。所以不可能用一种方法来检各不相同。所以不可能用一种方法来检测各种气体，其分析方法也随气体的种测各种气体，其分析方法也随气体的种类、浓度、成分和用途而异。类、浓度、成分和用途而异。气敏传感器气

11、敏传感器1气敏传感器：气敏传感器：指将被测气体浓度转换为与其成一指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。定关系的电量输出的装置或器件。主要参数与特性：灵敏度：气敏元件对气体的敏感程度灵敏度：气敏元件对气体的敏感程度 响应时间响应时间：气敏元件的反应速度气敏元件的反应速度 选择性：气敏元件对不同的气体有不同的灵敏度选择性：气敏元件对不同的气体有不同的灵敏度 稳定性：气敏元件的输出特性保持不变的能力稳定性：气敏元件的输出特性保持不变的能力应用 半导体气敏元件半导体气敏元件，由于具有灵敏度高、，由于具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长和响应时间长、恢复时间短、使用寿命

12、长和成本低等待点，所以半导体气敏传感器有成本低等待点，所以半导体气敏传感器有很广的应用。很广的应用。4.3 4.3 智能传感器智能传感器基本概念：1智能传感器：（智能传感器：（intelligent sensorintelligent sensor）具有信息处理功能具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。的产物。2三个优点：三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且

13、成本低；具有一定的编程自动化能力；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。功能多样化。系统组成功能 自补偿和计算自补偿和计算 自诊断功能自诊断功能 复合敏感功能复合敏感功能 强大的通讯接口功能强大的通讯接口功能 现场学习功能现场学习功能 提供模拟和数字输出提供模拟和数字输出 数值处理功能数值处理功能 掉电保护功能掉电保护功能特点 一定程度的一定程度的人工智能是硬件和软件人工智能是硬件和软件的结合体，可实的结合体，可实现学习功能，更能体现仪表在控制体统的作用。可以根据不现学习功能，更能体现仪表在控制体统的作用。可以根据不同的测量要求，选择合适的方案，并能对信息进行综合处理，同的测量要求，选择合适的

14、方案，并能对信息进行综合处理，对系统状态进行检测。对系统状态进行检测。多敏感功能将原来多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏功能的传感器，能同时测量多种物理量和化集成为具有多敏功能的传感器，能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量的综合信息。学量，全面反映被测量的综合信息。精度高、测量范围宽，随时检测出被测量的变化对精度高、测量范围宽，随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确，同时其量程比可达确，同时其量程比可达100:1100:1，最高达，最高达400

15、:1400:1，可用一个智能，可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用要求量程比大的控制传感器应付很宽的测量范围，特别适用要求量程比大的控制场合。场合。通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这事智能传感器的标志之一。这事智能传感器的标志之一。基于IEEE 1451的网络化智能传感器1IEEE 1451IEEE 1451：一种新的一种新的通用智能化传感器接口标准通用智能化传感器接口标准，它为即插即用它为即插即用智能传感器智能传感器与与现有的各种总线现有的各种总线提供了通提供了通用的接口标准。用的接口标准。2标准的目的：标准的目的：开发一种软

16、硬件连接方案，将智能变开发一种软硬件连接方案，将智能变送器连接到送器连接到网络或直接支持现有的各种网络技术网络或直接支持现有的各种网络技术，包，包括各种括各种现场总线、因特网现场总线、因特网等；为不同厂家生产的传感等；为不同厂家生产的传感器提供具有即插即用功能的智能传感器接口。器提供具有即插即用功能的智能传感器接口。IEEE 1451系列准则代号代号名称与描述状态名称与描述状态EEE P1451.0EEE P1451.0智能变送器智能变送器接口标准接口标准IEEE 1451.1-1999IEEE 1451.1-1999网络适配处理器网络适配处理器信息模型信息模型IEEE P1451.1IEEE

17、 P1451.1网络适配处理器信息模型修订版网络适配处理器信息模型修订版IEEE 1451.2-1997IEEE 1451.2-1997变送器与微处理器通信协议和变送器与微处理器通信协议和TEDSTEDS格式格式IEEE P1451.2IEEE P1451.2变送器与微处理器通信协议变送器与微处理器通信协议和和TEDSTEDS格式修订版格式修订版IEEE 1451.3-2003IEEE 1451.3-2003分布式多点系统分布式多点系统数字通信与数字通信与TEDSTEDS格式格式IEEE 1451.4-2004IEEE 1451.4-2004混合模式通信协议与混合模式通信协议与TEDS(TED

18、S(Transducer Electronic Data Sheets(TEDS)格式颁布标格式颁布标准准IEEE P1451.5IEEE P1451.5无线通信协议与无线通信协议与TEDSTEDS格式格式IEEE P1451.6 IEEE P1451.6 CANCAN开放式协议变送器网络接口开放式协议变送器网络接口(CAN是控制器是控制器局域网络局域网络(Controller Area Network,CAN)的的简称简称)IEEE P1451.7 IEEE P1451.7 系统通信协议和变送器电子数据表格式系统通信协议和变送器电子数据表格式IEEE 1451体系内容建立网络化智能传感器的建

19、立网络化智能传感器的软件模型软件模型，包括信息与通，包括信息与通信模型；信模型；定义网络化智能传感器的定义网络化智能传感器的硬件模型硬件模型，包括网络适配，包括网络适配器器NCAPNCAP、智能变送器接口模块、智能变送器接口模块STIMSTIM及两者间的有线、及两者间的有线、无线接口；无线接口；定义定义NCAPNCAP中封装不同网络中封装不同网络通信协议接口通信协议接口，支持多种，支持多种网络模式及总线标准；网络模式及总线标准；对智能传感器的对智能传感器的数据传输、寻址、中断、触发数据传输、寻址、中断、触发等做等做详细规定；详细规定；定义定义电子数据表格电子数据表格TEDSTEDS及其数据格式

20、及其数据格式。该标准规定的软件接口 对象模型对象模型 该标准通过定义每个对象类的该标准通过定义每个对象类的接口和行为接口和行为定义定义每个对象类。系统中，该标准定义每个对象类。系统中，该标准定义4 4种对象类：种对象类：块类块类、组件类组件类、服务类服务类和和非本标准规定的对象非本标准规定的对象类类。通过通过对象模型对象模型、数据模型数据模型和和网络通讯模型网络通讯模型3 3种模型实现种模型实现:数据模型数据模型 该模型规范了符合该模型规范了符合IEEE 1451IEEE 1451标准网络化智能传标准网络化智能传感器所涉及的数据类型，含感器所涉及的数据类型，含基本和结构类型基本和结构类型、物物

21、理数量理数量和和对象属性类型对象属性类型及与及与网络通讯网络通讯相关的类型。相关的类型。网络通信模型网络通信模型:包括包括对象模型对象模型、数据模型数据模型和和网络通信模型网络通信模型，这，这3 3种模型为传感器、网络适配器、通信网络间确定种模型为传感器、网络适配器、通信网络间确定相应的软件接口。相应的软件接口。网络化智能变送器模型IEEE 1451.2协议1IEEE 1451.2IEEE 1451.2协议协议：一种网络化智能传感器接口标一种网络化智能传感器接口标准。准。2IEEE 1451.2IEEE 1451.2协议协议：提出了一种数字化点到点的智提出了一种数字化点到点的智能接口模块到网络

22、适配器的有线传输接口方案。能接口模块到网络适配器的有线传输接口方案。3IEEE 1451.2IEEE 1451.2协议协议：规定智能传感器由网络适配器规定智能传感器由网络适配器和智能传感器接口模块两部分构成。和智能传感器接口模块两部分构成。智能传感器发展趋势（1 1）向高精度发展）向高精度发展（2 2）向高可靠性、宽温度范围发展）向高可靠性、宽温度范围发展（3 3）向微型化发展）向微型化发展（4 4）向微功耗及无源化发展）向微功耗及无源化发展（5 5）向智能化数字化发展）向智能化数字化发展（6 6）向网络化发展）向网络化发展4.4 MEMS技术MEMS是微机电系统（是微机电系统（Micro-E

23、lectro-Mechanical Systems）的英）的英文缩写。文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。器件或系统。MEMSMEMS定义定义1MEMSMEMS：由由微传感器微传感器、微执行器微执行器、信号处理和控信号处理和控制电路制电路、通讯接口通讯接口和和电源电源等部件组

24、成的一体化的微等部件组成的一体化的微型器件系统。型器件系统。2MEMSMEMS目标：目标：把把信息的获取信息的获取、处理处理和和执行执行集成在集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。和可靠性水平。MEMS特点3MEMSMEMS特点：特点：体积小、重量轻、功耗低、成本低体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等。等。微机械压力传感器微机械压力传感器 微加速度传感器微

25、加速度传感器 微机械陀螺仪微机械陀螺仪 微流量传感器微流量传感器 微气体传感器微气体传感器 微机械温度传感器微机械温度传感器 常用的常用的MEMSMEMS传感器传感器 微加速度传感器加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。加速度传感器甚至可

26、以用来分析发动机的振动。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。目前最新目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另

27、外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。概括起来，加速度传感概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；

28、鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。美国美国ICSensors加速度传感器，加速度传感器，3031,3022,3052,3035,1210,1220,1230,1240等。适等。适用于地震监测，低频应用，测试仪器，机械控制等。用于地震监测，低频应用，测试仪器，机械控制等。微气体传感器4.5 传感器接口技术传感器输出信号的特点传感器输出信号的特点 (1)(1)输出信号比较微弱输出信号比较微弱有的传感器输出电压仅有有的传感器输出电压仅有0.1V0.1V。这就要求接口电路必须有一定的放大能。这就要求接口电路必须有一定的放大能力。力

29、。(2)(2)输出阻抗比较高输出阻抗比较高这样会使传感器信号输入到这样会使传感器信号输入到测量电路时产生较大的信号衰减。测量电路时产生较大的信号衰减。(3)(3)输出信号动态范围很宽输出信号动态范围很宽。输出信号随着输人。输出信号随着输人物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定物理量的变化而变化，但它们之间的关系不一定是线性比例关系。是线性比例关系。传感器与微机接口的一般结构传感器与微机接口的一般结构输入通道的特点：输入通道的结构类型输入通道的结构类型取决于传感器送来的取决于传感器送来的信号大小和类型。信号大小和类型。输入通道的主要技术指标输入通道的主要技术指标是信号转换精度是信号转换精度和

30、实时性，后者为实时检测和控制系统的特殊要求。和实时性，后者为实时检测和控制系统的特殊要求。输入通道是输入通道是一个模拟、数字信号一个模拟、数字信号混合的电混合的电路，其功耗小，一般没有功率驱动要求。路，其功耗小，一般没有功率驱动要求。被测信号所在的现场可能存在各种被测信号所在的现场可能存在各种电磁干电磁干扰扰。输出通道的特点：通道的结构取决于系统要求，其中的信号通道的结构取决于系统要求，其中的信号有有数字量数字量和和模拟量模拟量两大类，要用到的转换器件是两大类，要用到的转换器件是D DA A转换器。转换器。微机输出信号的微机输出信号的电平和功率电平和功率都很小，而被都很小，而被控装置所要求的信号电平和功率往铰比较大，因此控装置所要求的信号电平和功率往铰比较大，因此在输出通道中要有功率放大，即输出驱动环节。在输出通道中要有功率放大，即输出驱动环节。输出通道连接被控装置的执行机构，各种输出通道连接被控装置的执行机构，各种电磁干扰会经通道进人被控装置，因此必须在输出电磁干扰会经通道进人被控装置，因此必须在输出通道中采取抗干扰措施。通道中采取抗干扰措施。