傳感器技術(shù)模板實(shí)用教案

1、內(nèi)容提要(ni rn t yo)傳感器作為信息獲取的重要(zhngyo)手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。本章將介紹傳感器的發(fā)展與應(yīng)用以及軟硬件平臺。第1頁/共30頁第一頁，共31頁。第2章介紹了常見的自動識別方法和技術(shù)，重點(diǎn)介紹了RFID技術(shù)IC卡系統(tǒng)構(gòu)成，一維和二維條形碼RFID的概念和系統(tǒng)組成，標(biāo)簽的存儲(cn ch)方式、分類以及常用頻率RFID標(biāo)簽防沖突方法（基于ALOHA協(xié)議/基于二進(jìn)制樹協(xié)議）本章重點(diǎn)介紹傳感器技術(shù)，涉及傳感器的基本概念和典型應(yīng)用，以及常用的硬件平臺和操作系統(tǒng)等內(nèi)容。內(nèi)容(nirng)回顧第2頁/共30頁第二頁，共31頁。3.1 傳感器概述3

2、.2 傳感器技術(shù)(jsh)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計(jì)需求3.5 硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)究竟什么是傳感器？傳感器有哪些部分組成呢？本章(bn zhn)內(nèi)容第3頁/共30頁第三頁，共31頁。 在物聯(lián)網(wǎng)的感知層中，信息的獲取與數(shù)據(jù)(shj)(shj)的采集主要采用自動識別技術(shù)和傳感器技術(shù)。傳感器技術(shù)和自動識別技術(shù)完全不同，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件，可以感知周圍的溫度、速度、電磁輻射或氣體成分等，主要用來采集傳感器周圍的各種信息。3.1傳感器概述(i sh)第4頁/共30頁第四頁，共31頁。 傳感器（Sensor；Measuring Element；Tran

3、sducer）是一種以一定的精確度把“被測量”轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置，能完成檢測任務(wù)；它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；輸入與輸出的轉(zhuǎn)換規(guī)律(gul)已知，轉(zhuǎn)換精度要滿足測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。3.1傳感器概述(i sh)第5頁/共30頁第五頁，共31頁。3.1傳感器概述(i sh)定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(xnho)的器件或裝置”。傳統(tǒng)傳感器的局限

4、性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器特點(diǎn)：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無線傳感節(jié)點(diǎn)第6頁/共30頁第六頁，共31頁。 3.1傳感器概述(i sh)第7頁/共30頁第七頁，共31頁。傳感器的分類(fn li) 按工作原理分類(fn li)3.1 傳感器概述(i sh)第8頁/共30頁第八頁，共31頁。常見(chn jin)的傳感器介紹 1 應(yīng)變式傳感器 2 光電傳感器 3 超聲波傳感器 4 半導(dǎo)體傳感器 5 MEMS傳感器 第9頁/共30頁第九頁，共31頁。應(yīng)變式傳感器 當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形會引起應(yīng)變敏感元件阻值的變化，這樣就構(gòu)

5、成了電阻應(yīng)變式傳感器。這種傳感器通過轉(zhuǎn)換電路(dinl)可以將阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓輸出，電壓變化的大小就可以反映出被測物理量的大小。應(yīng)變式傳感器的靈敏度較高，目前已經(jīng)應(yīng)用于各種檢測系統(tǒng)中。第10頁/共30頁第十頁，共31頁。 光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。光電傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)，是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種(y zhn)傳感器。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應(yīng)快等特點(diǎn)，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電器件三部分組成，其中表示被測量可以直接引起光量變化的檢測方式，表示被

6、測量在光傳播過程中調(diào)制光量的檢測方式。光電傳感器第11頁/共30頁第十一頁，共31頁。光電傳感器 第12頁/共30頁第十二頁，共31頁。聲音是由物體(wt)振動產(chǎn)生的。人們能聽到的聲音頻率在20Hz-20KHz范圍內(nèi)，超過20KHz稱為超聲波，常用的超聲波頻率為幾十KHz至幾十MHz。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，在不透明的固體中尤其適用，可穿透幾十米的深度。 超聲波傳感器第13頁/共30頁第十三頁，共31頁。 半導(dǎo)體傳感器（Semiconductor Transducer）是利用半導(dǎo)體材料各種物理和化學(xué)(huxu)特性制成的傳感器。半導(dǎo)體傳感器利

7、用了近百種物理效應(yīng)和材料特性，種類繁多。半導(dǎo)體傳感器所采用的半導(dǎo)體材料多數(shù)是硅以及化合物，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕，便于集成化、智能化，能使檢測與轉(zhuǎn)換一體化。半導(dǎo)體傳感器第14頁/共30頁第十四頁，共31頁。半導(dǎo)體傳感器第15頁/共30頁第十五頁，共31頁。MEMS傳感器 微機(jī)電系統(tǒng)(xtng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。比它更小的，在納米范圍的類似的技術(shù)被稱為納機(jī)電系統(tǒng)(xtng)。 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)(xtng)）是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理

8、和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)(xtng)。 MEMS傳感器的特點(diǎn)：微型化、智能化、多功能、高集成度、適于大批量生產(chǎn) 第16頁/共30頁第十六頁，共31頁。MEMS生物(shngw)醫(yī)療和生物(shngw)醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 微機(jī)械技術(shù)在生物醫(yī)療中的應(yīng)用尤其令人驚嘆。例如:將微型傳感器用口服或皮下注射法送入人體 ,就可對體內(nèi)的五臟六腑進(jìn)行直接有效的監(jiān)測 。將特制的微型機(jī)器人送入人體 ,可刮去導(dǎo)致心臟病的油脂沉積物 ,除去體內(nèi)的膽固醇 ,可探測和清除人體內(nèi)的癌細(xì)胞 ,進(jìn)行視網(wǎng)膜開刀時(shí) ,大夫可將遙控機(jī)器人放入眼球內(nèi) ,在細(xì)胞操作、細(xì)胞融合、精細(xì)外科、血管、腸道內(nèi)自動送藥等方面應(yīng)

9、用甚廣。MEMS的微小 可進(jìn)入很小的器官和組織 和智能 能自動地進(jìn)行細(xì)微精確的操作 的特點(diǎn) ,可大大提高介入治療的精度 ,直接進(jìn)入相應(yīng)病變地進(jìn)行工作 ,降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)(tngsh) ,可進(jìn)行基因分析和遺傳診斷 ,利用微加工技術(shù)制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計(jì)的器件適合于操作生物細(xì)胞和生物大分子。所以 ,微機(jī)械在現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)中的應(yīng)用潛力巨大 ,為人類最后征服各種絕癥延長壽命帶來了希望。第17頁/共30頁第十七頁，共31頁。MEMS壓力(yl)傳感器原理 目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機(jī)電傳感器。硅壓阻式壓力傳感器

10、是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成(z chn)惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2。第18頁/共30頁第十八頁，共31頁。MEMS壓力(yl)傳感器 MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(qch)電子：如TPMS（輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車(qch)剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車(qch)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器;消費(fèi)電子，如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰

11、箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器、洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業(yè)電子，如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。 第19頁/共30頁第十九頁，共31頁。 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力(ynl)，也就是重力。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。能感受加速度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器 。 常用的加速度傳感器有二軸、三軸幾個(gè)測度。 MEMS加速度傳感器第20頁/共30頁第二十頁，共31頁。 壓電式 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是

12、利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測加速度成正比。 壓阻式 基于世界領(lǐng)先的MEMS硅微加工技術(shù)(jsh)，壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點(diǎn)，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，廣泛應(yīng)用于汽車碰撞實(shí)驗(yàn)、測試儀器、設(shè)備振動監(jiān)測等領(lǐng)域。加速度傳感器的類別(libi)第21頁/共30頁第二十一頁，共31頁。 電容式 電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。電容式加速度傳感器/電容式加速度計(jì)采用了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝，在大量生產(chǎn)時(shí)變得經(jīng)濟(jì)，從而保證了較低的成本。是比

13、較通用(tngyng)的加速度傳感器。在某些領(lǐng)域無可替代，如安全氣囊，手機(jī)移動設(shè)備等。 伺服式 伺服加速度傳感器在閉環(huán)狀態(tài)下工作。由于有反饋?zhàn)饔?，增?qiáng)了抗干擾的能力，提高測量精度，擴(kuò)大了測量范圍，伺服加速度 測量技術(shù)廣泛地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，在高精度的振動測量和標(biāo)定中也有應(yīng)用。加速度傳感器的類別(libi)第22頁/共30頁第二十二頁，共31頁。 汽車安全 加速度傳感器主要用于汽車安全氣囊、防抱死系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)等安全性能方面。 硬盤保護(hù) 利用加速度傳感器檢測自由落體狀態(tài)，從而(cng r)對迷你硬盤實(shí)施必要的保護(hù)。 防手抖功能 用加速度傳感器檢測手持設(shè)備的振動/晃動幅度，當(dāng)振動

14、/晃動幅度過大時(shí)鎖住照相快門，使所拍攝的圖像永遠(yuǎn)是清晰的。加速度傳感器的應(yīng)用(yngyng)第23頁/共30頁第二十三頁，共31頁。 游戲控制 加速度傳感器可以檢測上下左右的傾角的變化，因此通過前后傾斜手持設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對游戲中物體的前后左右的方向控制，就變得很簡單。 圖像自動翻轉(zhuǎn) 用加速度傳感器檢測手持設(shè)備的旋轉(zhuǎn)動作及方向，實(shí)現(xiàn)所要顯示圖像的轉(zhuǎn)正。 計(jì)步器功能 加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動，人在走動的時(shí)候會產(chǎn)生一定規(guī)律性的振動，而加速度傳感器可以檢測振動的過零點(diǎn)，從而計(jì)算出人所走的步或跑步所走的步數(shù)，從而計(jì)算出人所移動的位移。并且利用(lyng)一定的公式可以計(jì)算出卡路里的消耗。加

15、速度傳感器的應(yīng)用(yngyng)第24頁/共30頁第二十四頁，共31頁。 陀螺儀能夠測量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動的角速度，是補(bǔ)充MEMS加速計(jì)功能的理想技術(shù)。事實(shí)上，如果組合使用加速計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就可以跟蹤并捕捉三維空間(snwikngjin)的完整運(yùn)動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。MEMS陀螺儀第25頁/共30頁第二十五頁，共31頁。智能手機(jī)上的傳感器第26頁/共30頁第二十六頁，共31頁。智能手機(jī)上的傳感器第27頁/共30頁第二十七頁，共31頁。無線傳感節(jié)點(diǎn)(ji din)無線傳感節(jié)點(diǎn)的組成：電池、傳感器、微處理器、無線通信芯片(xn pin)；相比于傳統(tǒng)傳感器，無線傳感節(jié)點(diǎn)不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無線通信芯片(xn pin)等，能夠?qū)Ω兄畔⑦M(jìn)行分析處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸。第28頁/共30頁第二十八頁，共31頁。Thank you!第29頁/共30頁第二十九頁，共31頁。謝謝您的觀看(gunkn)！第30頁/共30頁第三十