物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術課件

第3章物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術傳統(tǒng)傳感器基礎知識

幾種常用傳感器介紹

智能傳感器MEMS技術4123傳感器接口技術

53.1

傳統(tǒng)傳感器基礎知識

1傳感器技術：是物聯(lián)網(wǎng)的基礎技術之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構架的感知層。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)的基礎技術之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構架的感知層。互聯(lián)互通。傳感器技術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)。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、遲滯和重復性等。動態(tài)特性：

輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。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、水質污染、放射性、噪聲的檢測4.醫(yī)學領域：人體溫度、血壓及腔內壓力、血液5.家用電子產(chǎn)品6.軍事領城3.2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熱電偶基本介紹：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量。2絕對濕度：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。分類：選擇注意事項：

在選擇溫度傳感器時，應考慮到諸多因素，如被測對象的濕度范圍、傳感器的靈敏度、精度和噪聲、響應速度、使用環(huán)境、價格等。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、半導體、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。廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波傳感器

被測氣體的種類繁多，它們的性質也各不相同。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換為與其成一定關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響應時間：氣敏元件的反應速度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用

半導體氣敏元件，由于具有靈敏度高、響應時間長、恢復時間短、使用壽命長和成本低等待點，所以半導體氣敏傳感器有很廣的應用。3.3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合的產(chǎn)物。2三個優(yōu)點：通過軟件技術可實現(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復合敏感功能

⑷強大的通訊接口功能⑸現(xiàn)場學習功能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合體，可實現(xiàn)學習功能，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?；贗EEE1451的網(wǎng)絡化智能傳感器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)絡或直接支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡技術，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IEEE1451體系內容①建立網(wǎng)絡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)絡化智能傳感器的硬件模型，包括網(wǎng)絡適配器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)絡通信協(xié)議接口，支持多種網(wǎng)絡模式及總線標準；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)絡化智能傳感器所涉及的數(shù)據(jù)類型，含基本和結構類型、物理數(shù)量和對象屬性類型及與網(wǎng)絡通訊相關的類型。③網(wǎng)絡通信模型:

包括對象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡通信模型，這3種模型為傳感器、網(wǎng)絡適配器、通信網(wǎng)絡間確定相應的軟件接口。網(wǎng)絡化智能變送器模型IEEE1451.2協(xié)議1IEEE1451.2協(xié)議：一種網(wǎng)絡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)絡適配器和智能傳感器接口模塊兩部分構成。

傳感器獨立接口是智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡適配器的接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡適配器對智能傳感器接口模塊的控制和兩者之間的通信。IEEE1451.2協(xié)議

通過提供標準的智能傳感器接口模塊（STIM）、STIM和NCAP間的接口即TII，統(tǒng)一網(wǎng)絡化智能傳感器基本結構，解決標準不統(tǒng)一問題，廠商可依需求擴展。該標準將網(wǎng)絡化智能傳感器分為智能傳感器接口模塊（含電子數(shù)據(jù)表格TEDS）、網(wǎng)絡適配器及STIM與NCAP間的TII接口。IEEE1451.2協(xié)議

TEDS：提供對傳感器、緩存?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)序列傳感器、事件序列傳感器及執(zhí)行器等模型的支持，具有自動識別傳感器或執(zhí)行器的能力。STIM模塊：變送器（傳感器或執(zhí)行器）、信號調理與信號轉換電路、TEDS、微處理器和存儲器，可連接單一傳感器或多傳感器構成傳感器網(wǎng)絡。TII接口示意圖TII接口的邏輯信號和功能定義智能傳感器標準體系

標準體系中最重要的就是第三部分智能傳感器產(chǎn)品標準。

按照智能傳感器的構成，分為硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和產(chǎn)品技術要求。

硬件系統(tǒng)：包括敏感元件、網(wǎng)絡接口規(guī)范、內部接口規(guī)范、供電標準、防爆要求、封裝要求。其中，敏感元件按照其物理特性分為溫度、濕度、壓力、流量、加速度等，并對各種不同原理產(chǎn)品的特性指標、封裝形式給出具體要求。網(wǎng)絡接口規(guī)范分別規(guī)定了智能傳感器的物理接口和數(shù)據(jù)接口要求。內部接口規(guī)范規(guī)定可智能傳感器實現(xiàn)IEEE1451標準時的通信接口要求。

產(chǎn)品技術要求：按照被測參數(shù)不同，分為溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、變送器等的具體技術要求，比如自校驗、自診斷、信息決策等。軟件系統(tǒng)：包括系統(tǒng)軟件規(guī)范和數(shù)據(jù)共享。其中，系統(tǒng)軟件規(guī)范指智能傳感器的編程規(guī)范等，數(shù)據(jù)共享指源數(shù)據(jù)和編碼的格式要求、信息分類等，是與物聯(lián)網(wǎng)銜接時的重要組成部分。應用

三個層次：一個是傳感網(wǎng)絡，以二維碼、RFID、傳感器為主，實現(xiàn)“物”的識別；二是傳輸網(wǎng)絡，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)。廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或下一代互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和計算；三是應用網(wǎng)絡，即輸入輸出控制終端，包括手機等終端。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)絡化發(fā)展3.4MEMS技術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

微氣體傳感器3.5傳感器接口技術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，但它們之間的關系不一定是線性比例關系。傳感器與微機接口的一般結構輸入通道的特點：

⑴輸入通道的結構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指標是信號轉換精度和實時性，后者為實時檢測和控制系統(tǒng)的特殊要求。⑶輸入通道是一個模擬、數(shù)字信號混合的電路，其功耗小，一般沒有