物聯(lián)網(wǎng)：第04章-物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)

第四章物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)傳感器與我們的生活密不可分燈光煙霧手機（數(shù)一數(shù)智能手機里的傳感器）車輛（速度、胎壓、燈光、雨刷、液位）工作娛樂………探空火箭人臉識別新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)多用途無人機

航天英雄楊立偉發(fā)射北華航天研發(fā)的火箭北華航天成果在東北亞博覽會開幕式上吳儀副總理參觀北華航天新能源汽車副省長矯正中試乘北華智能車傳感器是物體的“五官”

把特定的被測信號，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號。

可用信號：便于處理的信號，一般為電信號，如電壓、電流、電阻、電容、頻率等

利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)實現(xiàn)對被測信號的測量。

傳感器兩個概念：

1、檢測信號

2、能把檢測信號轉(zhuǎn)換成與被測量有對應(yīng)函數(shù)關(guān)系、便于傳輸、處理的物理量。傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)知識

幾種常用傳感器介紹

智能傳感器MEMS技術(shù)4123傳感器接口技術(shù)

54.1

傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)知識

1傳感器技術(shù)：是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的感知層。2傳感器：是一種能把特定的被測信號，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。。是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的感知層?；ヂ?lián)互通。傳感器技術(shù)3傳感器作用：傳感器處于研究對象與檢測系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口，它提供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)賴以進行決策和處理所必需的原始數(shù)據(jù)。按被測量分類

物理量傳感器

力學(xué)量壓力傳感器、力傳感器、力矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、位置傳感器、尺度傳感器、密度傳感器、粘度傳感器、硬度傳感器、濁度傳感器熱學(xué)量溫度傳感器、熱流傳感器、熱導(dǎo)率傳感器光學(xué)量可見光傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、照度傳感器、色度傳感器、圖像傳感器、亮度傳感器磁學(xué)量磁場強度傳感器、磁通傳感器電學(xué)量電流傳感器、電壓傳感器、電場強度傳感器聲學(xué)量聲壓傳感器、噪聲傳感器、超聲波傳感器、聲表面波傳感器射線x射線傳感器、β射線傳感器、γ射線傳感器、輻射劑量傳感器化學(xué)量傳感器離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器生理量傳感器生物量體壓傳感器、脈搏傳感器、心音傳感器、體溫傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、血容量傳感器、體電圖傳感器生化量酶式傳感器、免疫血型傳感器、微生物型傳感器、血氣傳感器、血液電解質(zhì)傳感器的基本原理靜態(tài)特性：

指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出和輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。動態(tài)特性：

輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的基本指標1.工業(yè)自動化系統(tǒng)：以傳感器一微機為核心的自動檢測與控制系統(tǒng)2.航空航天：飛行速度方向、飛行姿態(tài)進行檢測3.資源探測與環(huán)境保護：大氣、水質(zhì)污染、放射性、噪聲的檢測4.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：人體溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液5.家用電子產(chǎn)品6.軍事領(lǐng)城傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域4.2幾種常用傳感器介紹溫度傳感器濕度傳感器超聲波傳感器氣敏傳感器基本介紹：1溫標：用來度量物體溫度數(shù)值的標尺。2敏感元件與被測介質(zhì)接觸與否，分為：

⑴接觸式溫度傳感器⑵非接觸式溫度傳感器3

材料及電子元件特性，分為：

⑴熱電阻⑵熱電偶1絕對濕度：是大氣中水汽的密度，即單位大氣中所含水汽的質(zhì)量。2相對濕度：相對濕度，指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。濕空氣的絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比。3

露點：使大氣中原來所含有的未飽和水汽變成飽和水汽所必須降低的溫度值?；窘榻B：分類：電阻濕度傳感器

敏感元件為濕敏電阻，其主要材料一般為電介質(zhì)、半導(dǎo)體、多孔陶瓷、有機物及高分子聚合物。電容濕度傳感器

敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為高分子聚合物、金屬氧化物。這些材料對水分子有較強的吸附能力，吸附水分的多少隨環(huán)境濕度而變化。

利用超聲波的特性研制而成；一種振動頻率高于聲波的機械波；頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象?。惶貏e是方向性好、能夠成為射線而定向傳播對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面，會產(chǎn)生顯著反射，形成反射成回波碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器

被測氣體的種類繁多，它們的性質(zhì)也各不相同。所以不可能用一種方法來檢測各種氣體，其分析方法也隨氣體的種類、濃度、成分和用途而異。氣敏傳感器1氣敏傳感器：指將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。主要參數(shù)與特性：①靈敏度：氣敏元件對氣體的敏感程度②響應(yīng)時間：氣敏元件的反應(yīng)速度③選擇性：氣敏元件對不同的氣體有不同的靈敏度④穩(wěn)定性：氣敏元件的輸出特性保持不變的能力應(yīng)用

半導(dǎo)體氣敏元件，由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間長、恢復(fù)時間短、使用壽命長和成本低等待點，所以半導(dǎo)體氣敏傳感器有很廣的應(yīng)用。4.3智能傳感器基本概念：1智能傳感器：（intelligentsensor）具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。2三個優(yōu)點：通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。系統(tǒng)組成功能⑴自補償和計算⑵自診斷功能⑶復(fù)合敏感功能

⑷強大的通訊接口功能⑸現(xiàn)場學(xué)習(xí)功能⑹提供模擬和數(shù)字輸出⑺數(shù)值處理功能⑻掉電保護功能特點

⑴一定程度的人工智能是硬件和軟件的結(jié)合體，可實現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，更能體現(xiàn)儀表在控制體統(tǒng)的作用?？梢愿鶕?jù)不同的測量要求，選擇合適的方案，并能對信息進行綜合處理，對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測。⑵多敏感功能將原來分散的、各自獨立的單敏傳感器集成為具有多敏功能的傳感器，能同時測量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測量的綜合信息。⑶精度高、測量范圍寬，隨時檢測出被測量的變化對檢測元件特性的影響，并完成各種運算，其輸出信號更為精確，同時其量程比可達100:1，最高達400:1，可用一個智能傳感器應(yīng)付很寬的測量范圍，特別適用要求量程比大的控制場合。⑷通信功能可采用標準化總線接口，進行信息交換，這事智能傳感器的標志之一。基于IEEE1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器1IEEE1451：一種新的通用智能化傳感器接口標準，它為即插即用智能傳感器與現(xiàn)有的各種總線提供了通用的接口標準。2標準的目的：開發(fā)一種軟硬件連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡(luò)或直接支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括各種現(xiàn)場總線、因特網(wǎng)等；為不同廠家生產(chǎn)的傳感器提供具有即插即用功能的智能傳感器接口。

IEEE1451系列準則代號名稱與描述狀態(tài)EEEP1451.0智能變送器接口標準IEEE1451.1-1999網(wǎng)絡(luò)適配處理器信息模型IEEEP1451.1網(wǎng)絡(luò)適配處理器信息模型修訂版IEEE1451.2-1997變送器與微處理器通信協(xié)議和TEDS格式IEEEP1451.2變送器與微處理器通信協(xié)議和TEDS格式修訂版IEEE1451.3-2003分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通信與TEDS格式IEEE1451.4-2004混合模式通信協(xié)議與TEDS(TransducerElectronicDataSheets(TEDS))格式頒布標準IEEEP1451.5無線通信協(xié)議與TEDS格式IEEEP1451.6CAN開放式協(xié)議變送器網(wǎng)絡(luò)接口(CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork,CAN)的簡稱)IEEEP1451.7系統(tǒng)通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式IEEE1451體系內(nèi)容①建立網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟件模型，包括信息與通信模型；②定義網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件模型，包括網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP、智能變送器接口模塊STIM及兩者間的有線、無線接口；③定義NCAP中封裝不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，支持多種網(wǎng)絡(luò)模式及總線標準；④對智能傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、尋址、中斷、觸發(fā)等做詳細規(guī)定；⑤定義電子數(shù)據(jù)表格TEDS及其數(shù)據(jù)格式。該標準規(guī)定的軟件接口①對象模型

該標準通過定義每個對象類的接口和行為定義每個對象類。系統(tǒng)中，該標準定義4種對象類：

塊類、組件類、服務(wù)類和非本標準規(guī)定的對象類。通過對象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)通訊模型3種模型實現(xiàn):②數(shù)據(jù)模型

該模型規(guī)范了符合IEEE1451標準網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器所涉及的數(shù)據(jù)類型，含基本和結(jié)構(gòu)類型、物理數(shù)量和對象屬性類型及與網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)的類型。③網(wǎng)絡(luò)通信模型:

包括對象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)通信模型，這3種模型為傳感器、網(wǎng)絡(luò)適配器、通信網(wǎng)絡(luò)間確定相應(yīng)的軟件接口。網(wǎng)絡(luò)化智能變送器模型IEEE1451.2協(xié)議1IEEE1451.2協(xié)議：一種網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標準。2IEEE1451.2協(xié)議：提出了一種數(shù)字化點到點的智能接口模塊到網(wǎng)絡(luò)適配器的有線傳輸接口方案。3IEEE1451.2協(xié)議：規(guī)定智能傳感器由網(wǎng)絡(luò)適配器和智能傳感器接口模塊兩部分構(gòu)成。智能傳感器發(fā)展趨勢（1）向高精度發(fā)展（2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展（3）向微型化發(fā)展（4）向微功耗及無源化發(fā)展（5）向智能化數(shù)字化發(fā)展（6）向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展4.4MEMS技術(shù)MEMS是微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems）的英文縮寫。MEMS是美國的叫法，在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，它是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS定義1MEMS：由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。2MEMS目標：把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。MEMS特點3MEMS特點：體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強大、可以批量生產(chǎn)等。⑴微機械壓力傳感器⑵微加速度傳感器⑶微機械陀螺儀⑷微流量傳感器⑸微氣體傳感器⑹微機械溫度傳感器

常用的MEMS傳感器

微加速度傳感器加速度傳感器可以幫助你的機器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機器人來說，對于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。加速度傳感器甚至可以用來分析發(fā)動機的振動。目前最新IBMThinkpad手提電腦里就內(nèi)置了加速度傳感器，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦做造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。另外一個用處就是目前用的數(shù)碼相機和攝像機里，也有加速度傳感器，用來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚焦。概括起來，加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。美國ICSensors加速度傳感器，3031,3022,3052,3035,1210,1220,1230,1240等。適用于地震監(jiān)測，低頻應(yīng)用，測試儀器，機械控制等。

微氣體傳感器4.5傳感器接口技術(shù)傳感器輸出信號的特點

(1)輸出信號比較微弱有的傳感器輸出電壓僅有0.1μV。這就要求接口電路必須有一定的放大能力。

(2)輸出阻抗比較高這樣會使傳感器信號輸入到測量電路時產(chǎn)生較大的信號衰減。

(3)輸出信號動態(tài)范圍很寬。輸出信號隨著輸人物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系。傳感器與微機接口的一般結(jié)構(gòu)輸入通道的特點：

⑴輸入通道的結(jié)構(gòu)類型取決于傳感器送來的信號大小和類型。⑵輸入通道的主要技術(shù)指標是信號轉(zhuǎn)換精度