物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(第3章)

1、導(dǎo)讀本章主要介紹在物聯(lián)網(wǎng)中各種傳感器的應(yīng)用，首先是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器所引起的作用及智能傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹；其次是介紹傳感器技術(shù)，包括傳感器的數(shù)學(xué)模型及數(shù)學(xué)特性；再介紹多種傳感器，包括超聲傳感器、激光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、智能塵埃等。通過根本章對(duì)傳感器的介紹，能對(duì)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的作用有所了解。1傳感器 工業(yè)應(yīng)用在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位.現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占5070%日常應(yīng)用 家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦-紅外測(cè)距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)-光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測(cè)-熱敏電阻、熱電偶電話

2、、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD掃描儀：文檔掃描-線陣CCD紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管醫(yī)療衛(wèi)生：電子血壓計(jì)：血壓檢測(cè) - 壓力傳感器血糖測(cè)試儀、膽固醇檢測(cè)儀 - 離子傳感器3.1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)傳感器是人類五官的延長，又稱之物聯(lián)網(wǎng)的“電五官”。在物聯(lián)網(wǎng)科研究中，傳感器具有突出的地位。要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。5概述傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，成為人類全面感知自然的最核心元件，各類傳感器的大規(guī)模部署和應(yīng)用是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的基本條件。對(duì)應(yīng)

3、不同的應(yīng)用有著不同的傳感器，覆蓋范圍包括智能工業(yè)、智能安保、智能家居、智能運(yùn)輸、智能醫(yī)療等。6傳感器的特性傳感器技術(shù)包括傳感器的研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測(cè)與應(yīng)用，已逐漸形成了一門相對(duì)獨(dú)立的專門學(xué)科。內(nèi)容范圍廣且離散知識(shí)密集程度甚高、邊緣學(xué)科色彩極濃技術(shù)復(fù)雜、工藝要求高功能優(yōu)、性能好品種繁多、應(yīng)用廣泛7傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行信息采集和簡(jiǎn)單加工處理的設(shè)備，被稱為物聯(lián)網(wǎng)傳感器，并通過固有協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息傳給物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行處理。傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)絡(luò)層，它作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層，具有十分重要的作用。傳感器可以獨(dú)立存在，也可以與其他設(shè)備以一體化的方式呈現(xiàn)，都是物聯(lián)網(wǎng)

4、中的感知和輸入部分。8傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用軍事應(yīng)用物流及安保領(lǐng)域環(huán)境參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域物流參量檢測(cè)領(lǐng)域智能家居醫(yī)療健康空間探索其他商業(yè)應(yīng)用93.2 傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)。在測(cè)試系統(tǒng)中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。傳感技術(shù)主要的主要功能實(shí)現(xiàn)都靠傳感器。10傳感器及其分類傳感器可以被稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器。其主要特征是能感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。具體地說傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)

5、應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。11傳感器傳感器可以被稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器。其主要特征是能感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息。具體地說傳感器是指那些對(duì)被測(cè)對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。12傳感器傳感器的組成的細(xì)節(jié)有較大差異，但是，總的來說，傳感器應(yīng)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和其他輔助部件組成，如圖3-1所示。13傳感器組成敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺?或響應(yīng))與檢出被測(cè)對(duì)象的待測(cè)信息(非電量)的部分。轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺?或響應(yīng))出的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部分。信號(hào)調(diào)節(jié)電

6、路是能把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)的電路。輔助電路通常包括電源，即交、直流供電系統(tǒng)。14傳感器組成并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件，因此，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩者合一的傳感器很多的。例如，壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。15傳感器分類（1）按工作機(jī)理分類按傳感器的工作機(jī)理的不同，可以分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型三大類。（2）按被測(cè)量對(duì)象分類 按被測(cè)量對(duì)象的不同，可以分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類。各類傳感器又分為若干族，每一族又可分為若干組。而物理

7、量傳感器又可向下分為機(jī)械量傳感器、熱學(xué)量傳感器、光學(xué)量傳感器等。16傳感器分類（3）按敏感材料分類按制造傳感器的材料分類，如：如半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器。（4）按能量的關(guān)系分類根據(jù)能量關(guān)系分類，可分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器一般是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，無源傳感器不是一個(gè)換能裝置，被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。17傳感器分類（5）按用途劃分按用途分為壓力敏傳感器、位置傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、震動(dòng)傳感器、氣敏傳感器和視頻傳感器等。（6）按輸出信號(hào)劃分按輸出信號(hào)可分為模擬量傳感器和數(shù)字傳感器。18傳感

8、器的數(shù)學(xué)模型及數(shù)學(xué)特性（1）傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)模型是指在靜態(tài)信號(hào)(輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化的量)情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動(dòng)效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項(xiàng)式來表示： 19P74傳感器的數(shù)學(xué)模型（2）傳感器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)模型是指?jìng)鞲衅髟跍?zhǔn)動(dòng)態(tài)信號(hào)或動(dòng)態(tài)信號(hào)(輸入信號(hào)隨時(shí)間而變化的量)作用下，描述其輸出和輸入信號(hào)的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動(dòng)態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)等來描述。 微分方程 傳遞函數(shù)20P75傳感器的數(shù)學(xué)特性（1）傳感器的靜態(tài)特性傳感器所測(cè)量的非電量一般有兩種形式：一種是穩(wěn)定的，即不隨時(shí)間變化或變化極其緩慢，稱為靜態(tài)信號(hào)；另一種是隨時(shí)間變化

9、而變化，稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)。由于輸入量的狀態(tài)不同，傳感器所呈現(xiàn)出來的輸入-輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。21傳感器的數(shù)學(xué)特性 線性度 所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差?？捎孟率奖硎荆?22P76傳感器的數(shù)學(xué)特性23傳感器的非線性度表示 （a） (b) (c) (d)傳感器的數(shù)學(xué)特性 靈敏度 傳感器的靈敏度是其在穩(wěn)態(tài)下輸出增量y與輸入增量x的比值，常用Sn來表示。即 24傳感器的數(shù)學(xué)特性對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率。即 25傳感器的數(shù)學(xué)特性 重復(fù)性重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得其輸

10、出特性曲線不一致性的程度。26P77傳感器的數(shù)學(xué)特性 遲滯(回差滯環(huán))現(xiàn)象遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。27P78傳感器的數(shù)學(xué)特性 分辨率 穩(wěn)定性 漂移28傳感器的數(shù)學(xué)特性（2）傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是傳感器對(duì)輸入激勵(lì)的輸出響應(yīng)特性。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，隨時(shí)間變化的輸出曲線能同時(shí)再現(xiàn)輸入隨時(shí)間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時(shí)間函數(shù)。29傳感器的數(shù)學(xué)特性傳感器的動(dòng)態(tài)誤差在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般來說不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。有良好的靜態(tài)

11、特性的傳感器，未必有良好的動(dòng)態(tài)特性。30傳感器的數(shù)學(xué)特性階躍響應(yīng)特性 當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號(hào)時(shí)：31P79傳感器的數(shù)學(xué)特性頻率響應(yīng)特性32P813.3 幾種典型的傳感器視頻傳感器 視頻傳感器是整個(gè)機(jī)器視頻系統(tǒng)信息的直接來源，主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成，有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。 視頻傳感器的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視頻系統(tǒng)要處理的最原始圖像。圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣和面陣CCD攝像機(jī)或者TV攝像機(jī)，也可以是最新出現(xiàn)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等。33 視頻傳感器的的基本原理：視頻傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素。圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來衡量，

12、以像素?cái)?shù)量表示，目前，有的視覺傳感器能夠捕獲數(shù)千萬像素。 在捕獲圖像之后，視頻傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。34音頻傳感器 音頻技術(shù)主要包括：音頻的采集、音頻處理和音頻的傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)。 在模擬音頻技術(shù)中，通常以磁介質(zhì)來記錄聲音。 數(shù)字音頻是通過聲波波形轉(zhuǎn)換成一個(gè)串連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過它來保存聲音的。數(shù)字音頻主要依靠A/D轉(zhuǎn)換器，在每一個(gè)時(shí)間間隔，不間斷地在模擬音頻的波形上采取一個(gè)幅度值，將這種過程稱為采樣。35 將時(shí)間和幅度都連續(xù)的模擬聲音信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，就要對(duì)其進(jìn)行離散化處理。采樣就是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在時(shí)間上的離散化過程，即完成抽取離散時(shí)間點(diǎn)上的信號(hào)值（常稱為樣值

13、）的任務(wù)。 音頻傳感器是一種將聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的換能器件。 傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)有靈敏度、頻率特性、輸出阻抗和方向性幾個(gè)方面。36（1）靈敏度 靈敏度是指?jìng)髀暺髟谝欢◤?qiáng)度的聲音作用下輸出電信號(hào)的大小。靈敏度高，表示傳聲器的聲-電轉(zhuǎn)換效率高，對(duì)微弱的聲音信號(hào)反應(yīng)靈敏，習(xí)慣上也常用分貝表示傳聲器的靈敏度。37（2）頻率特性 傳聲器在不同頻率的聲波作用下，其靈敏度是不同的。一般在中音頻（1Hz）時(shí)靈敏度最高，而在低音頻（幾十赫茲）或者高音頻（十幾千赫茲）靈敏度最低。理想的傳聲器頻率特性應(yīng)為20Hz20kHz。（3）方向性 方向性表示傳聲器的靈敏度隨聲波入射方向而變化的特性.383. 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器（

14、1）超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHz的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器（又稱波發(fā)送器）、接收傳感器（又稱波接收器）、控制部分與電源部分組成。39（2）激光傳感器 激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。 激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散

15、射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收。40（3）溫度傳感器 包括半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 原理：兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對(duì)這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。精確測(cè)量這個(gè)電位差，再測(cè)出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。41（4）壓力傳感器 一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)是指信息參數(shù)在給定范圍內(nèi)表現(xiàn)為連續(xù)的信號(hào)，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。