電子科大 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件 wsn_chapter_2_傳感器與執(zhí)行器

1、0University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksChapter 2:Sensor and Actor1University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks什么是傳感器？什么是傳感器？能夠把特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、能夠把特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號（電信號、光信生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號（電信號、光信號等）的器件

2、或裝置，稱為傳感器。號等）的器件或裝置，稱為傳感器。傳感器傳感器又稱為敏感元件敏感元件、檢測器檢測器、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器等。例1：在電子技術(shù)領(lǐng)域，常把能感受信號的電子元件稱為敏感元件，如熱敏元件、磁敏元件、光敏元件及氣敏元件等。例2：在超聲波技術(shù)中則強(qiáng)調(diào)的是能量的轉(zhuǎn)換，如壓電式換能器等。傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探頭終端探頭通常代表了用戶的功能需求，終端傳感通常代表了用戶的功能需求，終端傳感器技術(shù)是支撐和最大化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能的基石，為網(wǎng)絡(luò)提供了豐器技術(shù)是支撐和最大化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能的基石，為網(wǎng)絡(luò)提供了豐富多彩的業(yè)務(wù)功能。富多彩的業(yè)務(wù)功能。傳感器的概念和作用傳感器的概念和作用2University of

3、Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks變換器變換器換能器換能器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器變送器變送器發(fā)送器發(fā)送器檢測器檢測器傳感器的其他名稱3University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks 傳感器傳感器是生物體是生物體感官的工程模擬感官的工程模擬物；反過來，物；反過來，生物體的感官又可以看作是天然的傳感器。隨著生物體的感官又可以看作是天然的傳感器。隨著數(shù)字化和信息技術(shù)與機(jī)械裝置的融合，數(shù)字化和信息技術(shù)與

4、機(jī)械裝置的融合，傳感器和傳感器和執(zhí)行器已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、控制功能和控制執(zhí)行器已經(jīng)開始實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、控制功能和控制參數(shù)協(xié)調(diào)一體化參數(shù)協(xié)調(diào)一體化，并通過現(xiàn)場總線與外部連接。，并通過現(xiàn)場總線與外部連接。隨著基礎(chǔ)自動化控制功能的重新分配，許多計(jì)算隨著基礎(chǔ)自動化控制功能的重新分配，許多計(jì)算機(jī)控制功能下放到傳感器和執(zhí)行器中完成，如參機(jī)控制功能下放到傳感器和執(zhí)行器中完成，如參數(shù)檢測、控制、診斷和維護(hù)管理等。數(shù)檢測、控制、診斷和維護(hù)管理等。傳感器的作用4University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Netwo

5、rksl傳感器一般由傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路組成組成敏感元件敏感元件是傳感器中能是傳感器中能感受或響應(yīng)被測量感受或響應(yīng)被測量的部分。的部分。轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于是將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的信號（一般指電信號）部分。傳輸或測量的信號（一般指電信號）部分?；净巨D(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路可以對獲得的微弱電信號進(jìn)行放大、運(yùn)算可以對獲得的微弱電信號進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等。另外，基本轉(zhuǎn)換電路工作時必須有輔助電源。調(diào)制等。另外，基本轉(zhuǎn)換電路工作時必須有輔助電源。傳感器的組成傳感器的組成傳感器的基本轉(zhuǎn)換電傳

6、感器的基本轉(zhuǎn)換電路可安裝在傳感器殼路可安裝在傳感器殼體里或與敏感元件一體里或與敏感元件一起集成在同一芯片上，起集成在同一芯片上，構(gòu)成集成傳感器。構(gòu)成集成傳感器。傳感器傳感器敏感敏感元件元件轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器信號調(diào)節(jié)與信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路輔助電源輔助電源非非電電量量非非電電量量電電量量5University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks 傳感器接口處理技術(shù)傳感器接口處理技術(shù)是非常實(shí)用和重要的技術(shù)。各種是非常實(shí)用和重要的技術(shù)。各種物理量用傳感器將其變成電信號，經(jīng)由諸如放大、濾波、物理量用傳

7、感器將其變成電信號，經(jīng)由諸如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測和預(yù)處理電路，將模擬量干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測和預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送的電壓或電流送A/DA/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)或者微轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)或者微處理器處理。處理器處理。傳感處理電路接口6University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks電壓電壓電流電流脈沖脈沖頻率頻率 傳感器輸出信號傳感器輸出信號通常是電量，它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出

8、信號的形式由傳感器的原理確定。電容電容電阻電阻傳感輸出信號7University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networksn傳感器的分類方法很多。按被傳感器的分類方法很多。按被測量與輸出電量的測量與輸出電量的轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理劃分，可分為劃分，可分為能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型和和能量控制型能量控制型兩兩大類。大類。能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測對象（如機(jī)械量）的輸入傳感器直接將被測對象（如機(jī)械量）的輸入轉(zhuǎn)換成電能。轉(zhuǎn)換成電能。傳感器分類 能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)熱電動勢效應(yīng)熱電動勢效應(yīng)磁

9、致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)光電滯后效應(yīng)光電滯后效應(yīng)熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)熱磁效應(yīng)熱磁效應(yīng)光電動勢效應(yīng)光電動勢效應(yīng)熱電磁效應(yīng)熱電磁效應(yīng)光電放射效應(yīng)光電放射效應(yīng)8University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networksn傳感器的分類方法很多。按被傳感器的分類方法很多。按被測量與輸出電量的測量與輸出電量的轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理劃分，可分為劃分，可分為能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型和和能量控制型能量控制型兩兩大類。大類。能量控制型能量控制型傳感器直接將被測量轉(zhuǎn)換成電參量（如電阻傳感器直接將被測量轉(zhuǎn)換成電參量（如電阻等），等）

10、，依靠外部輔助電源依靠外部輔助電源才能工作，并且由被測量控制才能工作，并且由被測量控制外部供給能量的變化外部供給能量的變化傳感器分類 能量控制型能量控制型電阻、電感、電壓電阻、電感、電壓磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)應(yīng)變電阻效應(yīng)應(yīng)變電阻效應(yīng)霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)電離效應(yīng)電離效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱阻效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)約瑟夫遜效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)9University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networksn傳感器按傳感器按測量原理測量原理分類，主要有分類，主要有物理和化學(xué)原理物理和化學(xué)原理，包括電，包括

11、電參量式、磁電式、磁致伸縮式、壓電式和半導(dǎo)體式等。參量式、磁電式、磁致伸縮式、壓電式和半導(dǎo)體式等。n按被測量的性質(zhì)不同劃分為按被測量的性質(zhì)不同劃分為位移傳感器位移傳感器、力傳感器力傳感器、溫度溫度傳感器傳感器等。等。n按輸出信號的性質(zhì)可分為按輸出信號的性質(zhì)可分為開關(guān)型開關(guān)型（二值型）、（二值型）、數(shù)字型數(shù)字型、模模擬型擬型。數(shù)字式傳感器能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，。數(shù)字式傳感器能把被測的模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于微機(jī)接口、便它的特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于微機(jī)接口、便于信號處理和實(shí)現(xiàn)自動化測量于信號處理和實(shí)現(xiàn)自動化測量傳感器分類10Univers

12、ity of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks1、按被測參數(shù)分類按被測參數(shù)分類溫度、熱量、溫度、熱量、比熱、壓力、比熱、壓力、壓差、流速、壓差、流速、風(fēng)速、真空度風(fēng)速、真空度熱工量熱工量11University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks位移、尺寸、形狀、力、位移、尺寸、形狀、力、應(yīng)力、力矩、振動、加應(yīng)力、力矩、振動、加速度、噪聲、旋轉(zhuǎn)力、速度、噪聲、旋轉(zhuǎn)力、旋轉(zhuǎn)角、質(zhì)量、重量、旋轉(zhuǎn)角

13、、質(zhì)量、重量、機(jī)械量機(jī)械量12University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks氣體（液體、固體）氣體（液體、固體）分析、化學(xué)成分、分析、化學(xué)成分、濃度、鹽度、粘度、濃度、鹽度、粘度、密度、比重、密度、比重、pH值值化學(xué)量化學(xué)量13University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks心音、血壓、心音、血壓、體溫、氣流量、體溫、氣流量、心電流、眼壓、心電流、眼壓、腦電波、心磁波腦電

14、波、心磁波生物量生物量醫(yī)學(xué)量醫(yī)學(xué)量14University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks電流、電壓、電流、電壓、電位、功率、電位、功率、電荷、阻抗、電荷、阻抗、電阻、電容、電阻、電容、電感、電磁波電感、電磁波電氣電氣15University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks光敏傳感器光敏傳感器 光敏傳感器是一種感應(yīng)光線強(qiáng)弱的傳感器。當(dāng)感應(yīng)到光光敏傳感器是一種感應(yīng)光線強(qiáng)弱的傳感器。當(dāng)

15、感應(yīng)到光強(qiáng)度不同時，光敏探頭內(nèi)的電阻值就會有變化。強(qiáng)度不同時，光敏探頭內(nèi)的電阻值就會有變化。 常見的光敏傳感器有光電式傳感器、色敏傳感器、常見的光敏傳感器有光電式傳感器、色敏傳感器、CCDCCD圖像傳感器和紅外圖像傳感器和紅外/ /熱釋電式光敏器件等。將光量轉(zhuǎn)換為電熱釋電式光敏器件等。將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。量的器件稱為光電傳感器或光電元件。16University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks1 1、靈敏度、靈敏度：傳感器的：傳感器的靈敏度靈敏度高，意味著傳感

16、器能感應(yīng)微弱的變化量，高，意味著傳感器能感應(yīng)微弱的變化量，即被測量有一微小變化時，傳感器就會有較大的輸出。但是，在選擇傳即被測量有一微小變化時，傳感器就會有較大的輸出。但是，在選擇傳感器時要注意合理性，因?yàn)橐话銇碇v，傳感器的靈敏度越高，測量范圍感器時要注意合理性，因?yàn)橐话銇碇v，傳感器的靈敏度越高，測量范圍往往越窄，穩(wěn)定性會越差。往往越窄，穩(wěn)定性會越差。傳感器的特性參數(shù)2 2、響應(yīng)特性、響應(yīng)特性：傳感器的：傳感器的動態(tài)性能動態(tài)性能是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的是指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能真實(shí)再現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映，響應(yīng)特性。它是傳感器的輸出值能真實(shí)再

17、現(xiàn)變化著的輸入量的能力反映，即傳感器的輸出信號和輸入信號隨時間的變化曲線希望一致或相近。即傳感器的輸出信號和輸入信號隨時間的變化曲線希望一致或相近。3 3、線性范圍、線性范圍：在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，：在線性范圍內(nèi)它的輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測量則表明傳感器的工作量程越大。傳感器工作在線性范圍內(nèi)，是保證測量精確度的基本條件。任何傳感器很難保證做到絕對的線性，在某些情況精確度的基本條件。任何傳感器很難保證做到絕對的線性，在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以在近似線性區(qū)域內(nèi)使用。下，在許可限度內(nèi)，也可以

18、在近似線性區(qū)域內(nèi)使用。17University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks4 4、穩(wěn)定性：、穩(wěn)定性：穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長期使用之后，輸出特性不發(fā)生穩(wěn)定性表示傳感器經(jīng)過長期使用之后，輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。 為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以為了保證穩(wěn)定性，在選定傳感器之前，應(yīng)對使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，以選擇合適類型的傳感器。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會影響到它的絕選擇合適類型的傳

19、感器。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會影響到它的絕緣性，溫度會影響零漂；光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r，會改緣性，溫度會影響零漂；光電傳感器的感光表面有塵埃或水汽時，會改變感光性能，帶來測量誤差。變感光性能，帶來測量誤差。5 5、重復(fù)性：、重復(fù)性：重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全重復(fù)性是指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特征曲線的不一致性，在數(shù)值上用各測量測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特征曲線的不一致性，在數(shù)值上用各測量值正反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍于滿量程值正反行程標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值的兩倍或三倍于滿量程 的百分比來表示。的百分比來表示。傳感器的特

20、性參數(shù)18University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks6 6、漂移：、漂移：由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時的漂移稱為零點(diǎn)漂移。傳感器無輸入化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時的漂移稱為零點(diǎn)漂移。傳感器無輸入（或某一輸入值不變）時，每隔一段時間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或某一輸入值不變）時，每隔一段時間進(jìn)行讀數(shù)，其輸出偏離零值（或原指示值）。（或原指示值）。 在其它因素不變的情況下，輸出隨

21、著時間的變化產(chǎn)生的在其它因素不變的情況下，輸出隨著時間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時間漂移。漂移稱為時間漂移。 隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移，它表示當(dāng)溫度隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移，它表示當(dāng)溫度變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化變化時，傳感器輸出值的偏離程度。一般以溫度變化1 1度時，度時，輸出的最大偏差與滿量程的百分比來表示。輸出的最大偏差與滿量程的百分比來表示。傳感器的特性參數(shù)19University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks7 7、精度：、精度：傳感器精度指

22、測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度來表傳感器精度指測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度來表示重復(fù)某個讀數(shù)的能力，其誤差越小則傳感器精度越高。傳感器的精度示重復(fù)某個讀數(shù)的能力，其誤差越小則傳感器精度越高。傳感器的精度表示為傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸表示為傳感器在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差相對傳感器滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)。出的百分?jǐn)?shù)。8 8、分辨率、分辨率( (力力) )：分辨力是指能檢測出的輸入量：分辨力是指能檢測出的輸入量的最小變化量，即傳感器能檢測到的最小輸入增的最小變化量，即傳感器能檢測到的最小輸入增量。在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生量。在輸入零點(diǎn)附

23、近的分辨力稱為閾值，即產(chǎn)生可測輸出變化量時的最小輸入量值。可測輸出變化量時的最小輸入量值。 如圖所示上圖為非線性、下圖為線性輸出結(jié)如圖所示上圖為非線性、下圖為線性輸出結(jié)果，其中的果，其中的x x0 0均表示可以開始檢測的的最小輸出值。均表示可以開始檢測的的最小輸出值。數(shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率是指分?jǐn)?shù)字式傳感器一般用分辨率表示，分辨率是指分辨力辨力/ /滿量程輸入值。滿量程輸入值。傳感器的特性參數(shù)20University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks傳感器選型的原則傳感器選型

24、的原則現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)現(xiàn)代傳感器在原理和結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象和測量環(huán)境合理選用具體的測量目的、測量對象和測量環(huán)境合理選用傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的問題。問題。 當(dāng)傳感器的型號確定之后，與之相配套的測量當(dāng)傳感器的型號確定之后，與之相配套的測量方法和設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，方法和設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理21University of Electronic Science and Techn

25、ology of ChinaWireless Sensor Networks1 1、測量對象與環(huán)境、測量對象與環(huán)境 根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下問題：根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下問題： 量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的輸出方法，有線或非接式為接觸式還是非接觸式；信號的輸出方法，有線或非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口；價格能否承受，觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口；價格能否承受，是否自行研制。是否自行研制。傳感器選型的原則傳感器選型的原則22University of E

26、lectronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks2 2、靈敏度、靈敏度 通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值會比較大，這有利于信號處理。但傳感器的靈敏度較高的值會比較大，這有利于信號處理。但傳感器的靈敏度較高時，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)時，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，從而導(dǎo)致影響測量精度。因此，選用

27、傳感器本身應(yīng)具放大，從而導(dǎo)致影響測量精度。因此，選用傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入干擾信號。有較高的信噪比，盡量減少從外界引入干擾信號。 傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對方向性要求較高時，應(yīng)選擇在其它方向上靈敏度小的傳且對方向性要求較高時，應(yīng)選擇在其它方向上靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好越小越好傳感器選型的原則傳感器選型的原則23University of Electronic Science and Technol

28、ogy of ChinaWireless Sensor Networks3 3、頻率響應(yīng)特性、頻率響應(yīng)特性 傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)時間總有一定的延遲，通常希望延遲時間傳感器的響應(yīng)時間總有一定的延遲，通常希望延遲時間越短越好。越短越好。 傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測的信號頻率范圍就傳感器的頻率響應(yīng)越高，則可測的信號頻率范圍就越寬。由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，越寬。由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因

29、而傳感器頻率低，則可測信號的頻率就較低。在動態(tài)因而傳感器頻率低，則可測信號的頻率就較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)，以免產(chǎn)生過大的誤差。測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)，以免產(chǎn)生過大的誤差。傳感器選型的原則傳感器選型的原則24University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks4 4、線性范圍、線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。理論傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。理論上在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，上在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性

30、范圍越寬，則它的量程就越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳則它的量程就越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看它的量程是否滿感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看它的量程是否滿足要求。足要求。 但在實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，它的但在實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，它的線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)可將非線性誤差較小的傳感器近似看作是線性的，這范圍內(nèi)可將非線性誤差較小的傳感器近似看作是線性的，這會給測量工作帶來很大的方便會給測量工作帶來很大的方便傳感器選

31、型的原則傳感器選型的原則25University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks5 5、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性 傳感器在使用一段時間后，它的穩(wěn)定性會受到傳感器在使用一段時間后，它的穩(wěn)定性會受到影響。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身影響。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身的結(jié)構(gòu)以外，還包括傳感器的使用環(huán)境。因此，要的結(jié)構(gòu)以外，還包括傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，需要有較強(qiáng)的環(huán)境適使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，需要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。應(yīng)能力。傳感器選型的原則傳感器選型的

32、原則26University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks6 6、精度、精度 精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確程度的一個環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，它的價量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確程度的一個環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，它的價格就越昂貴。因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精格就越昂貴。因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以了，不必過高。這樣可以在滿足同一測量目的的度要求就可以了，不必過高。這樣可以在滿足同

33、一測量目的的諸多傳感器中，選擇比較便宜和簡單的傳感器型號。諸多傳感器中，選擇比較便宜和簡單的傳感器型號。 如果測量目的是定性分析，選用相對精度高的傳感器即可，如果測量目的是定性分析，選用相對精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的型號；如果是為了定量分析，必須不宜選用絕對量值精度高的型號；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就要選用精度等級能滿足要求的型號獲得精確的測量值，就要選用精度等級能滿足要求的型號傳感器選型的原則傳感器選型的原則27University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor N

34、etworks 這里以這里以磁阻傳感器磁阻傳感器為例，介紹微型傳感器的探測原理和為例，介紹微型傳感器的探測原理和應(yīng)用方法。應(yīng)用方法。 磁性傳感器通常又稱為磁力計(jì)，它的使用特點(diǎn)在于測量磁磁性傳感器通常又稱為磁力計(jì)，它的使用特點(diǎn)在于測量磁場并不是主要目的，通常能夠同時探測獲得其它參數(shù)，如車輪場并不是主要目的，通常能夠同時探測獲得其它參數(shù)，如車輪速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動方向等。速度、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動方向等。 各向異性磁阻（各向異性磁阻（Anisotropic Magnetoresistive, AMRAnisotropic Magnetoresistive, AMR）傳）傳感器，它屬于磁性傳感器中的一種，

35、工作量程在地磁場范圍內(nèi)。感器，它屬于磁性傳感器中的一種，工作量程在地磁場范圍內(nèi)。 磁阻傳感器的特征在于當(dāng)探測出磁場發(fā)生變化時，它會產(chǎn)磁阻傳感器的特征在于當(dāng)探測出磁場發(fā)生變化時，它會產(chǎn)生一個阻抗變化值，因而也就有了磁阻這一概念，阻抗變化的生一個阻抗變化值，因而也就有了磁阻這一概念，阻抗變化的同時會改變電壓輸出值。磁阻傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)同時會改變電壓輸出值。磁阻傳感器的用途較多，最典型的應(yīng)用是用于車輛探測。用是用于車輛探測。傳感器應(yīng)用示例傳感器應(yīng)用示例28University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Se

36、nsor Networks1 1、磁感應(yīng)探測原理、磁感應(yīng)探測原理 運(yùn)動車輛的每個部分都會產(chǎn)運(yùn)動車輛的每個部分都會產(chǎn)生一個可重復(fù)的對地球磁場的擾生一個可重復(fù)的對地球磁場的擾動，不管車輛向哪個方向行駛，動，不管車輛向哪個方向行駛，這個特征都會被可靠地檢測到。這個特征都會被可靠地檢測到。 檢測車輛存在的另一種方法檢測車輛存在的另一種方法是觀察磁場變化的大小，磁場大是觀察磁場變化的大小，磁場大小的變化表明了對地磁場整體的小的變化表明了對地磁場整體的干擾程度。干擾程度。磁阻傳感器用于車輛探測磁阻傳感器用于車輛探測29University of Electronic Science and Technol

37、ogy of ChinaWireless Sensor Networks2 2、運(yùn)動車輛探測信號分析、運(yùn)動車輛探測信號分析 地球的磁場在很廣闊的區(qū)域內(nèi)是恒定的，可以看作是地球的磁場在很廣闊的區(qū)域內(nèi)是恒定的，可以看作是均勻磁場。大的鐵磁物體會引起地球磁場的擾動。這些擾均勻磁場。大的鐵磁物體會引起地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)動在汽車發(fā)動機(jī)和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)。在道路中間和部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)。在道路中間和旁邊放置磁阻傳感器，可以探測由于車輛經(jīng)過而導(dǎo)致的畸旁邊放置磁阻傳感器，可以探測由于車

38、輛經(jīng)過而導(dǎo)致的畸變磁場，從而監(jiān)測車輛的存在，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、變磁場，從而監(jiān)測車輛的存在，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)車輛類型、行駛方向等交通參數(shù)。行駛方向等交通參數(shù)。30University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks3 3、車輛探測算法、車輛探測算法 運(yùn)動車輛探測算法需運(yùn)動車輛探測算法需要有足夠的魯棒性，保證要有足夠的魯棒性，保證在不同工作環(huán)境下的車輛在不同工作環(huán)境下的車輛能被可靠探測。由于無線能被可靠探測。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器的傳感器節(jié)點(diǎn)的微處理器的處理能力有限，車輛探測處理能

39、力有限，車輛探測需要的計(jì)算應(yīng)盡可能的簡需要的計(jì)算應(yīng)盡可能的簡單。單。31University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks執(zhí)行器執(zhí)行器按控制系統(tǒng)要求，應(yīng)具備高精確度執(zhí)行器按控制系統(tǒng)要求，應(yīng)具備高精確度控制和快速響應(yīng)的能力控制和快速響應(yīng)的能力, ,主要有主要有電動執(zhí)行器電動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器氣動執(zhí)行器液壓執(zhí)行器液壓執(zhí)行器壓電陶瓷執(zhí)行器壓電陶瓷執(zhí)行器納米執(zhí)行器等納米執(zhí)行器等32University of Electronic Science and Technology of ChinaWi

40、reless Sensor NetworksSinkTask Manager NodeSensor/Actor Field SensorsActorsWireless Sensor and Actor Networks I.F. Akyildiz and I. H. Kasimoglu,“Wireless Sensor and Actor Networks: Research Challenges” Ad Hoc Networks Journal (Elsevier), pp.351-367, Oct. 2004.33University of Electronic Science and T

41、echnology of ChinaWireless Sensor NetworksActuators vs. ActorsWhy do we call them actors?Actuator (Texas Instruments Technical Glossary):“An actuator is a device to convert an electrical control signal to a physical action. Actuators may be used for flow-control valves, pumps, positioning drives, mo

42、tors, switches, relays and meters.”The mobility of a robot may be enabled by several actuators (motors, servo-mechanisms, etc)However, the robot represents one single network entity which we refer to as actorHence, one actor can be endowed with multiple actuators34University of Electronic Science an

43、d Technology of ChinaWireless Sensor NetworksWireless Sensor and Actor NetworksSensorsPassive elements sensing from the environmentLimited energy, processing and communication capabilitiesActorsActive elements acting on the environmentHigher processing and communication capabilitiesLess constrained

44、energy resources (Longer battery life or constant power source)35University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks Sub-Kilogram Intelligent Tele-robots (SKITs): Networked Robots having Coordination & Wireless Communication CapabilitiesHelicopter Platform36Universit

45、y of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksComponents of Sensor & Actor NodesSensing UnitADCProcessor & StorageTransceiverPower UnitSensor NodeActor Node Actuation UnitProcessor & StorageDACTransceiverPower UnitController(Decision Unit)37University of Electron

46、ic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSensor ProcessingSensing UnitActuation UnitControllerDecision ProcessPower UnitTransceiverIntegrated Sensor & Actor Nodes38University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksReal-Time Requirements for Timely A

47、ctionsRapidly respond to sensor input (e.g., fire application)To perform right actions, sensor data must be valid at the time of actingCoordination RequirementsSensor-Actor CoordinationActor-Actor CoordinationHeterogeneous Node DeploymentSensorsActorsDensely deployedLoosely deployed due to the diffe

48、rent coverage requirements and physical interaction methods of acting taskWSANs vs. Wireless Sensor Networks 39University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSinkEvent AreaWSAN Communication Architecture Semi-Automated ArchitectureSensors Sink ActorsRequires manual i

49、ntervention at sinkNo sensor-actor and actor-actor coordination neededSimilar to the conventional WSN architecture40University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks Sensors Actors No intervention from sink is necessary Localized information exchange Low latency Distri

50、buted sensor-actor and actor-actor coordination requiredSink Event AreaWSAN Communication Architecture Automated Architecture41University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSensor-Actor CoordinationChallenges:Which sensor(s) communicate with which actor(s) (Single o

51、r Multiple Actors)How should the communication occur? (i.e., single-hop or multi-hop) What are the requirements of the communication (i.e., real-time, energy efficiency)42University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSensor-Actor CoordinationWhich sensor(s) communic

52、ate with which actor(s)?CASE 1:Minimum number of sensors to report the sensed eventCASE 2:Minimum set of actors to cover the event regionBoth cases aboveThe entire set of sensors and actors in the vicinity of the regionThe set of actors whose acting regions do not overlap43University of Electronic S

53、cience and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksnSelection of the most appropriate actornTo select, sensors need to coordinate with each otherSensor-Actor CoordinationSINGLE ACTORActorEvent Area Sensor44University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks Sensor-Act

54、or Coordination SINGLE ACTORSelecting a single actor node may be based on:The distance between the event area and the actorThe energy consumption of the path from sensors to the actorThe action range of the actor45University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSensor

55、-Actor CoordinationMULTI ACTORSn Clustering is requiredn Sensors only need to coordinate with sensors within some neighborhood to form clusters or groupsActorEvent Area Sensor46University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSensor-Actor Coordination MULTI ACTORSClust

56、ers may be formed such a way thatThe event transmission time from sensors to actors is minimizedThe events from sensors to actors are transmitted through the minimum energy pathsThe action regions can cover the entire event area47University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Senso

57、r NetworksACTOR-ACTOR COORDINATIONChallenges:Which actor(s) should execute which action(s)?How should multi-actor task allocation be done?48University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksActor-Actor CoordinationSingle-Actor Task vs. Multi-Actor Task Single-Actor Task

58、How is the single actor selected?Multi-Actor TaskWhat is the optimum number of actors performing actions?Selection of most fit actors among the capable actors for that taskOnly a subset of actors covering the entire event region may perform the task to save action energy49University of Electronic Sc

59、ience and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksCoordination RequirementsSensor-Actor CoordinationEstablish data paths between sensors and actorsMeet energy efficiency and real time requirementsActor-Actor CoordinationDecision: Does an action need to be performed?Which action should be performe

60、d?How to share the workload among actors?50University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor NetworksSensor-Actor CoordinationObjectives:Establish data paths between sensors and actorsMeet energy efficiency and real-time requirementsQuestion: To which actor does each sensor send its data?Solutio