物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論-3-物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)

桂小林11物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論（課程第3章）桂小林2AR3物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)最少學(xué)時(shí)：6學(xué)時(shí)知識(shí)點(diǎn)：標(biāo)識(shí)的方法感知的方法學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解物聯(lián)網(wǎng)中標(biāo)識(shí)和感知的作用理解常用的定位和標(biāo)識(shí)技術(shù)及方法熟悉常見的感知技術(shù)的工作原理和信息感知的基本方法桂小林3第3章傳感器技術(shù)桂小林4傳感器作用在人們的生產(chǎn)和生活中，我們經(jīng)常要和各種物理量和化學(xué)量打交道，例如經(jīng)常要檢測長度、重量、壓力、流量、溫度、化學(xué)成分等。在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)人員往往依靠儀器、儀表來完成檢測任務(wù)。這些檢測儀表都包含有或者本身就是敏感元件，能很敏銳地反映待測參數(shù)的大小。在為數(shù)眾多的敏感元件中，我們把那些能將非電量形式的參量轉(zhuǎn)換成電參量的元件叫作傳感器。桂小林5傳感器輸出電量傳感器輸出電量有很多種形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成（如圖3-1所示）。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能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電信號(hào)的部分。由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大、運(yùn)算調(diào)制等，此外信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源，因此信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。隨著IC發(fā)展，傳感器的信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件通常會(huì)集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。桂小林6傳感器的特性傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出/輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。線性度靈敏度桂小林7遲滯性重復(fù)性傳感器的動(dòng)態(tài)特性往往可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。

刪去桂小林8傳感器的發(fā)展趨勢當(dāng)前傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢主要是微型化、智能化、多樣化，主要形式有微型傳感器、智能傳感器、納米傳感器等桂小林9傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域傳感器在軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等不同領(lǐng)域的需求與日俱增，其應(yīng)用的領(lǐng)域已滲入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門以及人們的日常文化生活之中。例如要使機(jī)器人和人的功能更為接近，以便從事更高級(jí)的工作，要求機(jī)器人具有判斷能力，這就要給機(jī)器人安裝物體檢測傳感器，特別是視覺傳感器和觸覺傳感器，使機(jī)器人通過視覺對物體進(jìn)行識(shí)別和檢測，通過觸覺對物體產(chǎn)生壓覺、力覺、滑動(dòng)和重量的感覺。這類機(jī)器人被稱為智能機(jī)器人，它不僅可以從事特殊的作業(yè)，而且一般的生產(chǎn)、事務(wù)和家務(wù)，全部可由智能機(jī)器人去處理。傳感器應(yīng)用桂小林10桂小林11傳感器的分類傳感器一般是根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等特性、規(guī)律和效應(yīng)設(shè)計(jì)而成的，同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量因此傳感器有許多種分類方法。桂小林12傳感器的分類根據(jù)被測對象進(jìn)行劃分，常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器。按照原理分類:電學(xué)式傳感器：電學(xué)式傳感器是非電量電測技術(shù)中應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。桂小林13按照能量分類傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動(dòng)電位器角點(diǎn)[E1]

改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或片尺寸電阻絲應(yīng)變傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器微應(yīng)變、力、負(fù)荷利用電阻的溫度效應(yīng)熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、含水量利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力改變互感差動(dòng)變壓器位移自整角機(jī)[E2]

旋轉(zhuǎn)變壓器頻率改變諧振回路中的固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計(jì)數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感感應(yīng)同步器利用拾磁信號(hào)磁柵數(shù)字利用數(shù)字編號(hào)角度編碼器大角位移電能量電動(dòng)勢溫差電動(dòng)勢熱電偶溫度、電流[E3]

霍爾效應(yīng)霍[E4]

爾傳感器磁通、電流電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度光電效應(yīng)光電池光[E5]

照度電荷輻射電離電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度壓電效應(yīng)壓電傳感器動(dòng)態(tài)力、加速度對嗎？對嗎？對嗎？熱流量?霍爾？發(fā)光強(qiáng)度？桂小林14傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應(yīng)用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動(dòng)電位器角點(diǎn)[E1]

改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或片尺寸電阻絲應(yīng)變傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器微應(yīng)變、力、負(fù)荷利用電阻的溫度效應(yīng)熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負(fù)荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路幾何尺寸、導(dǎo)磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應(yīng)渦流傳感器位移、厚度、含水量利用壓磁效應(yīng)壓磁傳感器力、壓力改變互感差動(dòng)變壓器位移自整角機(jī)[E2]

旋轉(zhuǎn)變壓器頻率改變諧振回路中的固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計(jì)數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感感應(yīng)同步器利用拾磁信號(hào)磁柵數(shù)字利用數(shù)字編號(hào)角度編碼器大角位移電能量電動(dòng)勢溫差電動(dòng)勢熱電偶溫度、電流[E3]

霍爾效應(yīng)霍[E4]

爾傳感器磁通、電流電磁感應(yīng)磁電傳感器速度、加速度光電效應(yīng)光電池光[E5]

照度電荷輻射電離電離室離子計(jì)數(shù)、放射性強(qiáng)度壓電效應(yīng)壓電傳感器動(dòng)態(tài)力、加速度桂小林15傳感器技術(shù)原理傳感器技術(shù)是一門知識(shí)密集型技術(shù)，涉及多種學(xué)科，其技術(shù)原理各種各樣。根據(jù)傳感器工作原理我們可以分為應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等。應(yīng)變式傳感器原理桂小林16應(yīng)變式傳感器桂小林17電容式傳感器電容式傳感器以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再由轉(zhuǎn)換電路(測量電路)轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達(dá)到檢測的目的常見的電容傳感器的應(yīng)用有電容式位移傳感器、電容式物位傳感器、電容式指紋傳感器等由公式3-23可知，在三個(gè)參量中，改變其中任意一個(gè)量，均可使電容量C改變。也就是說，如果被檢測參數(shù)(如位移、壓力、液位等)的變化引起三個(gè)參量中之一發(fā)生變化，就可利用相應(yīng)的電容量的改變實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量。據(jù)此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。1.變極距型電容傳感器原理變極距型電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，可以進(jìn)行非接觸式測量，并且對被測量影響較小，所以適宜于微位移的測量。2.變面積型電容傳感器原理變面積型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸入與輸出之間呈線性關(guān)系，但靈敏度較低，所以適宜于測量較大的直線位移和角位移。3.變介質(zhì)型電容傳感器原理桂小林22壓電式傳感器壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)、加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。壓電式傳感器具有體積、質(zhì)量小，頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：d33為壓電系數(shù)桂小林24圖3-28壓電陶瓷極化圖3.3.5磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器又稱電動(dòng)勢式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量(如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。它是一種機(jī)—電能量變換型傳感器，利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，不需要供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為10～1000Hz)，所以有著廣泛的應(yīng)用，例如轉(zhuǎn)速測量、振動(dòng)測量以及扭矩測量等?；魻柺絺鞲衅鞴鹦×?83.4常見傳感器介紹溫度傳感器是一種能夠?qū)囟茸兓D(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進(jìn)行測溫的，如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動(dòng)勢、磁導(dǎo)率變化以及熱膨脹的變化等，然后再通過測量電路來達(dá)到檢測溫度的目的。桂小林29溫度傳感器桂小林30濕敏傳感器濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。濕度檢測較之其他物理量的檢測顯得困難，這首先是因?yàn)榭諝庵兴魵夂恳瓤諝馍俚枚啵涣硗?，液態(tài)水會(huì)使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g并加速老化

，從而喪失其原有的性質(zhì)；桂小林31光電式傳感器光電式傳感器就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的一種器件，簡稱光電器件。要將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，必須經(jīng)過兩個(gè)步驟：一是先將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光量的變化；二是通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了將非電量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化桂小林32光電式傳感器桂小林33光纖傳感器光纖傳感器有兩種類型，一種是傳光型光纖傳感器，光纖在傳感器中起光的傳輸作用，又稱為光纖式光電傳感器。另一種是功能性光纖傳感器，光在光纖內(nèi)部傳輸過程中，受到外界物理因素（如溫度、壓力、電場、磁場等）的影響，會(huì)引起光纖中光的強(qiáng)度、相位、波長或偏振態(tài)等的變化，只要測出這些參量隨外界物理因素的變化關(guān)系，就可以用它作為傳感器來測量一些物理量的變化。桂小林34CCD圖像傳感器圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，用于攝取平面光學(xué)圖像并使其轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)的器件。三線傳感器CCD：在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋RGB濾鏡，當(dāng)捕捉彩色圖片時(shí),完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相CCD傳感器機(jī)，以產(chǎn)生高的分辨率和光譜色階。CCD是由許多個(gè)光敏像元按一定規(guī)律排列組成的。每個(gè)像元就是一個(gè)MOS電容器(大多為光敏二極管)，它是在P型Si襯底表面上用氧化的辦法生成1層厚度約為1000A～15CCD傳感器00A的SiO2,再在SiO2表面蒸鍍一金屬層(多晶硅)，在襯底和金屬電極間加上1個(gè)偏置電壓，就構(gòu)成1個(gè)MOS電容器。當(dāng)有1束光線投射到MOS電容器上時(shí)，光子穿過透明電極及氧化層，進(jìn)入P型Si襯底，襯底中處于價(jià)帶的電子將吸收光子的能量而躍入導(dǎo)帶。光子進(jìn)入襯底時(shí)產(chǎn)生的電子躍遷形成電子－空穴對，電子－空穴對在外加電場的作用下，分別向電極的兩端移動(dòng)，這就是信號(hào)電荷。這些信號(hào)電荷儲(chǔ)存在由電極形成的“勢阱”中。桂小林35CCD桂小林36桂小林37氣敏傳感器氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度或成分的傳感器，它對于環(huán)境保護(hù)和安全監(jiān)督方面起著極重要的作用。一般對氣敏傳感器有下列要求：能夠檢測報(bào)警氣體的允許濃度和其他標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的氣體濃度，能長期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)所產(chǎn)生的影響小等。桂小林38壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制成的，這樣的傳感器稱為壓電傳感器。壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點(diǎn)，在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。桂小林39桂小林40加速度傳感器加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。常見加速度傳感器都是壓電式、壓阻式、電容式和諧振式。應(yīng)變式加速度傳感器如圖3-16所示，其測量原理是將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體沿某一方向以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的