常用传感器工作原理(智能式)

第3章常用传感器的工作原理智能式传感器1智能传感器的特点2智能传感器的实现3智能传感器的应用4智能传感器的设计思想智能传感器作为一种新型传感器发展起来。它是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限报警、故障诊断等功能的传感器。智能传感器就是一个最小的微机系统，其中作为控制核心的微处理器通常采用单片机，其基本结构框图如图示。1智能传感器的特点（1）精度高（2）可靠性与高稳定性强（3）高信噪比与高分辨率（4）自适应性强（5）性能价格比高2智能传感器的实现（1）集成化实现这种智能传感器系统是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体材料硅作为基本材料来制作敏感元件，将信号调理电路、微处理器单元等集成在一块芯片上构成的。故又可称为集成智能传感器。其外形如图所示。（2）非集成化实现非集成化智能传感器是将传统传感器(采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能)、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。其框图如图所示。（3）混合实现混合实现是指根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并装在一个外壳里为混合实现的几种方式。集成化敏感单元包括弹性敏感元件及变换器；信号调理电路包括多路开关、仪用放大器、基准、A/D转换器等；微处理器单元包括数字存储(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微处理器、D/A转换器等。3智能传感器的应用（1）ST-3000系列智能压力传感器图示为ST-3000系列智能压力传感器图，它是由检测和变送两部分组成。（2）固体图像传感器固体图像传感器主要有三种类型：第一种是电荷耦合器件(CCD)；第二种是MOS图像传感器，又称为自扫描光电二极管阵列(SSPA)；第三种是电荷注入器件(CID)图为这种三维结构智能化传感器的一种形式。图为一由多个智能图像传感器组成的图像识别系统。这个系统由光学透镜系统、多个智能图像传感器和一个主计算机组成。4智能传感器的设计思路下面以智能压力传感器的设计为例介绍一下智能传感器的设计思路：（1）智能压力传感器的结构设计智能压力传感器由半导体力敏元件（制作力敏元件时,同时制作两只温敏二极管）、放大器、转换开关、双积分A／D转换器、单片机、接口电路、IEEE-488标准接口、存储器和部分外围电路组成（2）敏感元件设计利用集成电路工艺，根据圆形平膜片上各点应力分布,在半导体圆形基片上扩散出四个电阻，同时生成两个温敏二极管。（3）传感器工艺设计（4）软件设计主要构成的智能压力传感器软件有控制程序、数据处理程序及辅助程序。微型传感器微型传感器MEMS技术与微型传感器MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）通常称微机电系统，在欧洲和日本又常称微系统（MicroSystem）和微机械（MicroMachine），是当今高科技发展的热点之一。1994年原联邦德国教研部（BMBF）给出了微系统的定义，即：若将传感器、信号处理器和执行器以微型化的结构形式集成一个完整的系统，而该系统具有“敏感”、“决定”和“反应”的能力。微机电系统通常具有以下典型的特性：（1）微型化零件；（2）由于受制造工艺和方法的限制，结构零件大部分为两维的、扁平零件；（3）系统所用材料基本上为半导体材料，但也越来越多地使用塑料材料；（4）机械和电子被集成为相应独立的子系统，如传感器、执行器和处理器等。与一般传感器比较，微传感器具有以下特点：（1）空间占有率小。（2）灵敏度高，响应速度快。（3）便于集成化和多功能化。（4）可靠性提高。（5）消耗电力小，节省资源和能量。（6）价格低廉。无线传感器网络WSN是一种无基础设施的网络，它由一组传感器节点协同感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，处理后的信息通过无线方式发送，并以自动组网、多跳的网络方式传送给观察者。无线传感器典型的网络拓扑结构及整体构架微型的嵌入式系统；处理能力、存储能力、通信能力较弱；电池供电；监测终端、路由器双重功能。WSN简介传感器节点又称网关节点，处理能力、存储能力和通信能力相对较强；连接传感器网络与Internet、GPRS等外部网络；将节点传递过来的数据转发到外部网络，同时能发布用户的监测任务至各个节点。WSN简介汇聚节点用户通过终端的管理和分析软件来观测网络的运行状况，并能对网络中的各个节点进行管理和监控。无线传感器典型的网络拓扑结构及整体构架WSN简介终端用户WSN运作演示WSN的特点传感器节点的特点节点能量有限计算和存储能力有限通信能力有限WSN的特点传感器网络的特点大规模网络自组织网络多跳路由数据为中心动态性网络应用相关性WSN所涉及的问题WSN所涉及的问题WSN应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。WSN应用案例英特尔研究实验室加州大学伯克利分校(2002年)2005年，澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研人员将采集到的信号在节点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发回给控制中心。通过处理，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。WSN应用案例澳大利亚科学家开发一套创新型无线传感网络，用于环境监测，希望有助于濒危雨林的恢复。工作组在Springbrook国家公园采用了10个基于太阳能充电的传感器节点，测量各种环境因素，如温度、湿度、光线、土壤湿度和风速，并将这些信息传送给位于昆士兰布里斯班市的一台中央数据库。WSN应用案例华东师范大学软件学院与上海市计算技术研究所成立“无线传感器网络联合实验室”——“基于无线传感器网络技术的水环境灾害预警系统”系统采用光照度、空气温湿度、静态图像、水温、PH、溶解氧等传感器节点监测华东师范大学校内的水环境信息.WSN应用案例实例：夏威夷大学在夏威夷火山国家公园内铺设传感器网络，以监测那些濒临灭种的植物所在地的微小气候变化。实例：美国俄勒冈洲研究生院在哥伦比亚河设置了13个站来监测每个站所在区域的流速、盐度、温度及水位。实例：美国ALERT系统中利用多种传感器来监测降雨量、河位水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪暴发的可能性。实例：澳洲的CSRIOICT研究中心将节点安置在动物身上对动物的生理状况(脉搏、血压)和外界环境进行检测，研制成完善的草地放牧与动物模型。实例：…….WSN应用案例最新动态（关于传感器）物联网成为国家的发展重点之一，其核心仍然是传感设备的研发。1、物联网的概念物联网是指通过各种传感器、射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。2、物联网的起源和发展物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院(MIT)在1999年建立的自动识别中心(Auto-IDLabs)提出的网络无线射频识别(RFID)系统，把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理.2005年ITU（国际电信联盟）在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了物联网的概念，并随后发布了ITUInternetreports2005theInternetofthings，介绍了物联网的特征相关的技术面临的挑战和未来的市场机遇。IBM的智慧地球2008年11月6日，IBMCEO彭明盛(SamPalmisano)在纽约市外交关系委员会做了一次重要的演讲，题目是“智慧地球：下一代的领导议程”(ASmarterPlanet:TheNextLeadershipAgenda)。“将智能技术应用到生活的各个方面，如应用到各系统和程序之中，以便货物能被顺利地研发，制造购买，人们能享受各种服务，万物（包括人，货币，石油，水电等）可以顺畅流通，人们可以安居乐业。”IBM的智慧地球美国战略奥巴马就任美国总统后，对IM首席执行官彭明盛首次提出的“智慧地球”概念给予了积极的回应，并上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。该战略认为，IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成“物联网”。中国政府的重视2009年8月7日，国务院总理温家宝在考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时曾表示，至少三件事情可以尽快去做，一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。中国政府的重视2009年11月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话。他指出，“未来要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的‘发动机’”。温家宝此次讲话，清晰地点明未来将着力发展物联网的相关技术与应用。中国政府的重视2010年3月5日，温家宝总理在政府工作报告中指出，要“大力培育战略性新兴产业。国际金融危机正在催生新的科技革命和产业革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制高点，决定国家的未来，必须抓住机遇，明确重点，有所作为。要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高端制造产业。积极推进新能源汽车、“三网”融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。”3、物联网的体系结构物联网体系架构分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。IUT提出的物联网体系结构4、物联网的关键技术感知设备安全通信智能处理4.1感知设备传感器RFID全球定位（GPS/北斗/伽利略）条形码、二维码视频4.2安全通信互联网是将机器和人连接起来，而物联网将机器、人、设备等所有东西都连接起。4.3智能处理物联网通过信息感知设备得到海量的数据，这些数据经过通信网络送到数据中心，如何将这些数据变成信息，是物联网应用的一个关键层，必须通过信息处理的相关技术，对所得到的数据进行高效、智能处理，并由所处理的结果来影响、规范、优化现实个体行为，实现一个智慧、低碳的世界。