物联网技术概论2016(第3章)

桂小林11物联网技术概论（课程第3章）西安交通大学桂小林西安交通大学电子与信息工程学院计算机科学与技术系2014.3.13桂小林2AR3物联网感知技术最少学时：6学时知识点：标识的方法感知的方法学习目标：了解物联网中标识和感知的作用理解常用的定位和标识技术及方法熟悉常见的感知技术的工作原理和信息感知的基本方法桂小林3第3章传感器技术桂小林4传感器作用在人们的生产和生活中，我们经常要和各种物理量和化学量打交道，例如经常要检测长度、重量、压力、流量、温度、化学成分等。在生产过程中，生产人员往往依靠仪器、仪表来完成检测任务。这些检测仪表都包含有或者本身就是敏感元件，能很敏锐地反映待测参数的大小。在为数众多的敏感元件中，我们把那些能将非电量形式的参量转换成电参量的元件叫作传感器。桂小林5传感器输出电量传感器输出电量有很多种形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常，传感器由敏感元件和转换元件组成（如图3-1所示）。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着IC发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件通常会集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。桂小林6传感器的特性传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出/输入关系。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。线性度灵敏度桂小林7迟滞性重复性传感器的动态特性往往可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。删去桂小林8传感器的发展趋势当前传感器技术的发展趋势主要是微型化、智能化、多样化，主要形式有微型传感器、智能传感器、纳米传感器等桂小林9传感器的应用领域传感器在军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等不同领域的需求与日俱增，其应用的领域已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常文化生活之中。例如要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，要求机器人具有判断能力，这就要给机器人安装物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动和重量的感觉。这类机器人被称为智能机器人，它不仅可以从事特殊的作业，而且一般的生产、事务和家务，全部可由智能机器人去处理。传感器应用桂小林10桂小林11传感器的分类传感器一般是根据物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的，同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量因此传感器有许多种分类方法。桂小林12传感器的分类根据被测对象进行划分，常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器。按照原理分类:电学式传感器：电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。桂小林13按照能量分类传感器分类转换原理传感器名称典型应用转换形式中间参量电参数电阻移动电位器角点[E1]改变电阻电位器传感器位移改变电阻丝或片尺寸电阻丝应变传感器、半导体应变传感器微应变、力、负荷利用电阻的温度效应热丝传感器气流速度、液体流量电阻温度传感器温度、辐射热热敏电阻传感器温度电容改变电容的几何尺寸电容传感器力、压力、负荷、位移改变电容的介电常数液位、厚度、含水量电感改变磁路几何尺寸、导磁体位置电感传感器位移涡流去磁效应涡流传感器位移、厚度、含水量利用压磁效应压磁传感器力、压力改变互感差动变压器位移自整角机[E2]旋转变压器频率改变谐振回路中的固有参数振弦式传感器压力、力振筒式传感器气压石英谐振传感器力、温度等计数利用莫尔条纹光栅大角位移、大直线位移改变互感感应同步器利用拾磁信号磁栅数字利用数字编号角度编码器大角位移电能量电动势温差电动势热电偶温度、电流[E3]霍尔效应霍[E4]尔传感器磁通、电流电磁感应磁电传感器速度、加速度光电效应光电池光[E5]照度电荷辐射电离电离室离子计数、放射性强度压电效应压电传感器动态力、加速度对吗？对吗？对吗？热流量?霍尔？发光强度？桂小林14传感器分类转换原理传感器名称典型应用转换形式中间参量电参数电阻移动电位器角点[E1]改变电阻电位器传感器位移改变电阻丝或片尺寸电阻丝应变传感器、半导体应变传感器微应变、力、负荷利用电阻的温度效应热丝传感器气流速度、液体流量电阻温度传感器温度、辐射热热敏电阻传感器温度电容改变电容的几何尺寸电容传感器力、压力、负荷、位移改变电容的介电常数液位、厚度、含水量电感改变磁路几何尺寸、导磁体位置电感传感器位移涡流去磁效应涡流传感器位移、厚度、含水量利用压磁效应压磁传感器力、压力改变互感差动变压器位移自整角机[E2]旋转变压器频率改变谐振回路中的固有参数振弦式传感器压力、力振筒式传感器气压石英谐振传感器力、温度等计数利用莫尔条纹光栅大角位移、大直线位移改变互感感应同步器利用拾磁信号磁栅数字利用数字编号角度编码器大角位移电能量电动势温差电动势热电偶温度、电流[E3]霍尔效应霍[E4]尔传感器磁通、电流电磁感应磁电传感器速度、加速度光电效应光电池光[E5]照度电荷辐射电离电离室离子计数、放射性强度压电效应压电传感器动态力、加速度桂小林15传感器技术原理传感器技术是一门知识密集型技术，涉及多种学科，其技术原理各种各样。根据传感器工作原理我们可以分为应变式、电容式、压电式、磁电式等。压力、位移等弹性敏感元件电阻应变片电桥电路RU应变式传感器原理桂小林16应变式传感器桂小林17电容式传感器电容式传感器以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路(测量电路)转换为电压、电流或频率，以达到检测的目的常见的电容传感器的应用有电容式位移传感器、电容式物位传感器、电容式指纹传感器等由公式3-23可知，在三个参量中，改变其中任意一个量，均可使电容量C改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。据此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。1.变极距型电容传感器原理变极距型电容式传感器的优点是灵敏度高，可以进行非接触式测量，并且对被测量影响较小，所以适宜于微位移的测量。2.变面积型电容传感器原理变面积型电容传感器的优点是输入与输出之间呈线性关系，但灵敏度较低，所以适宜于测量较大的直线位移和角位移。3.变介质型电容传感器原理桂小林22压电式传感器压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动、加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积、质量小，频响高、信噪比大等特点。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：d33为压电系数桂小林24图3-28压电陶瓷极化图3.3.5磁电式传感器磁电感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它是一种机—电能量变换型传感器，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，所以有着广泛的应用，例如转速测量、振动测量以及扭矩测量等。霍尔式传感器桂小林283.4常见传感器介绍温度传感器是一种能够将温度变化转换为电信号的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性进行测温的，如将温度变化转换为电阻、热电动势、磁导率变化以及热膨胀的变化等，然后再通过测量电路来达到检测温度的目的。桂小林29温度传感器热电偶名称正热电极负热电极分度号测温范围特点B（超高温）纯铂S（超高温）镍铬合金镍硅K（高温）镍铬合金铜镍合金E（中温）铁铜镍合金J（中温）铜铜镍合金T（低温）热电偶名称正热电极负热电极分度号特点B适用于氧化性气氛中测温，测温上限高，稳定性好，在冶金等高温领域得到广泛应用S适用于氧化性、惰性气氛中测温，热电性能稳定，抗氧化性强，精度高，但价格贵，热电动势较小。常用作标准热电偶或用于高温测量K（高温）适用于氧化和中性气氛中测温，测温范围很宽，热电动势与温度关系近似线性，热电动势大，价格低。稳定性不如B、S型电偶，但是非贵金属热电偶中性能最稳定的一种镍铬合金E适用于还原性或惰性气氛中测温，热电动势较其他热电偶大，稳定性好，灵敏度高，价格低铁J适用于还原性气氛中测温，价格低，热电动势较大，仅次于E型热电偶。缺点是铁极易氧化铜T（低温）适用于还原性气氛中测温，精度高，价格低。在-200~0℃可制成标准热电偶。缺点是铜极易氧化铁康铜铜康铜镍铬康铜镍铬镍硅10%铂铑铂30%铂铑6%铂铑30%铂铑6%铂铑10%铂铑℃0~+1700℃0~+1600℃-200~+1200℃-200~+900℃-200~+750℃-200~+350桂小林30湿敏传感器湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀并加速老化，从而丧失其原有的性质；桂小林31光电式传感器光电式传感器就是将光信号转化成电信号的一种器件，简称光电器件。要将光信号转化成电信号，必须经过两个步骤：一是先将非电量的变化转化成光量的变化；二是通过光电器件的作用，将光量的变化转化成电量的变化，这样就实现了将非电量的变化转化成电量的变化桂小林32光电式传感器桂小林33光纤传感器光纤传感器有两种类型，一种是传光型光纤传感器，光纤在传感器中起光的传输作用，又称为光纤式光电传感器。另一种是功能性光纤传感器，光在光纤内部传输过程中，受到外界物理因素（如温度、压力、电场、磁场等）的影响，会引起光纤中光的强度、相位、波长或偏振态等的变化，只要测出这些参量随外界物理因素的变化关系，就可以用它作为传感器来测量一些物理量的变化。桂小林34CCD图像传感器图像传感器是采用光电转换原理，用于摄取平面光学图像并使其转换为电子图像信号的器件。三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相CCD传感器机，以产生高的分辨率和光谱色阶。CCD是由许多个光敏像元按一定规律排列组成的。每个像元就是一个MOS电容器(大多为光敏二极管)，它是在P型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000A～15CCD传感器00A的SiO2,再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。这些信号电荷储存在由电极形成的“势阱”中。桂小林35CCD桂小林36桂小林37气敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度或成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。一般对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小