1物联网传感技术

在实际应用中，传感器一般 由敏感元件、转换元件和测 量电路三部分组成，有时还 加上辅助电源。
1.2 传感器的基本组成及检测原理
• 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测
量的部分，它直接感受被测非电学量，输出与 被输出有确定对应关系的，转换元件所能接受 的其他物理量，如膜片或膜盒把被测压力变成 位移量。敏感元件是传感器的核心。
• 霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流、
振动、位移、速度、加速度、转速等等，具有广 泛的应用价值。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
各种霍尔传感器
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 6.图像传感器——CCD电荷耦合器件工作特点 • CCD（Charge Coupled Device）是电荷藕合
器。
• 霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片
置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的 电子在磁场中运动而受到磁场的作用力，会使得 材料中产生与电流方向垂直的电压差 。可以通过 测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场 的强度。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
霍尔效应
1.3 常用传感器的工作特点和应用
器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体 材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换 器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后 由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因 而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助 于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图 像。CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像 素为单位。
1 物联网传感技术
学习任务
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传感器的概念 传感器的基本组成及检测原理 常用传感器的工作特点和应用
智能检测系统 MEMS技术
传感器作为信息获
取的重要手段，与通信 技术和计算机技术共同 构成信息技术的三大支 柱。
• 传感器是各种信息处理系统获取信息的一 个重要途径，处于物联网架构的感知层， 是物联网中获得信息的主要设备、物联网 的神经元、人类五官的延伸。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广
泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是 CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 7.无线传感器应用典型案例
2002 年，由英特尔的研究小组和 加州大学伯克利分校以及巴港大 西洋大学的科学家把无线传感器 网络技术应用于监视大鸭岛海鸟 的栖息情况。研究人员采用包括 光、湿度、气压计、红外传感器、 摄像头在内的近10 种传感器类型 数百个节点，系统通过自组织无 线网络，将数据到 传输到300 英 尺外的基站计算机内，再由此经 卫星传输至加州的服务器。在那 之后，全球的研究人员都可以通 过互联网察看该地区各个节点的 数据，掌握第一手的环境资料， 为生态环境研究者提供了一个极 为有效便利的平台。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 当CCD 表面受到光线照射时，每个感光单位会
将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的 信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CCD 和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视 觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责 光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工 合作组成视觉感应。 CCD 经过长达35年的发展， 大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成 主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及 垫于最底下的电子线路矩阵所组成。
线圈，线圈处于永磁体的磁场中，构成一种动
圈式的传感器
• 声控灯——压电传感器
• 手机的触摸屏——点触摸、面触摸等
• 数码产品——MP3、手机等听歌时，用力一摇
就换成了下一曲，这就用到了加速度传感器
1.1 传感器的概念
• 电饭锅——温度传感器
• 电熨斗——另一种温度传感器
• 光电鼠标——光学传感器+图像分析芯片
碳、陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿 度。
• 电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的
介电系数的湿度敏感性来探测湿度。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 4.湿度传感器
一种电容式湿敏传感器结构图 一种电阻式陶瓷湿敏传感器结构图
几种湿度传感器
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 5.霍尔（磁性）传感器 • 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感
• 2.光传感器 • 光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个
大类。
• 光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性
来进行光探测。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 2.光传感器
•
光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利 用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照 的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导 通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了 把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的 集成光传感器。
1.2 传感器的基本组成及检测原理
• 需要指出，并不是所有的传感器都能明显地区
分敏感元件和转换元件两部分，有些传感器转
换元件不止一个，有些传感器（如热电偶）将
敏感元件和转换元件合为一体。
• 测量电路是将转换元件输出的信号进一步地转
换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，
以获得更好的品质特性。
1.2 传感器的基本组成及检测原理
大鸭岛生态环境监测系统
1.4 智能检测系统
• 1.4.1 智能检测系统的组成及特征
•
智能传感器（smart sensor）是一种具有一定信息处理能力的传
感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。
智能传感器组成
1.4 智能检测系统
• 1.4.1 智能检测系统的组成及特征
•
上图所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的
光敏电阻结构图与实物
光敏三极管
集成光传感器
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 3.压力传感器 • 压力传感器是通过测量目标沿地面所产生ຫໍສະໝຸດ Baidu压力
变化来发现和测定目标的侦察设备。其种类有： 应变钢丝传感器、平衡压力传感器、振动/磁性电 缆传感器、驻极体电缆和光纤压力传感器等。
• 常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定
• •
2.智能温湿度传感器
图中显示的是Sensirion （瑞士盛世瑞恩）公司推出的SHT11/15
温湿度智能传感器的外形、引脚以及内部框图。
1.4 智能检测系统
• •
3.智能液体浑浊度传感器
图中显示的是Honeywell 公司推出的AMPS-10G 型智能液体浑浊
度传感器的外形、测量原理以及内部框图。
1.1 传感器的概念
• 全自动洗衣机——浊度传感器
• 自动冲水装置——光电传感器和电子系统
• 遥控器——红外传感器
• 汽车——是个传感器俱乐部：温度、空气流量、
压力、转速、位移、水位、曲轴、防抱死制动
系统（ABS）、爆震、里程表等多种传感器
1.1 传感器的概念
• 话筒——在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属
超万亿。
1.1 传感器的概念
•
传感器是把非电学物理量 （如位移、速度、压力、温 度、湿度、流量、声强、光 照度等）转换成易于测量、
人类五官延伸——人与机器的对应关系
传输、处理的电学量（如电
压、电流、电容等）的一种 元件。
• •
按国家标准（GB7665-2005） 对传感器的定义为：能感受 被测量并按照一定的规律转 换成可用输出信号的器件或 装置，通常由敏感元件和转 换元件组成。
被测量 敏感元件 转换元件 基本电路 电量
传统传感器的局限性
网络化、智能化的程度十分有限，缺 少有效的数据处理与信息共享能力
现代传感器
特点：微型化、智能化和网络化 典型代表：无线传感节点
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 1.温度传感器 • 热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根
据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以 及温控报警等等。
1.2 传感器的基本组成及检测原理
• 有源型通常建立在无源型的基础上，它与无源型的不
同之处在于为了确保敏感元件的工作点稳定，使用了
辅助能源。辅助能源主要起激励作用，它既可以是电 源，也可以是磁源。有源传感器的特点是，不需要测
量电路即可有较大的电量输出，如光电管、光敏二极
管、霍尔传感器等。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
易于实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。
1.4 智能检测系统
• 1.4.2 常用智能检测系统的设计
•
•
1. 智能压力传感器
图中显示的是Honeywell （美国霍尼韦尔）公司开发的PPT 系列 智能压力传感器的外形以及内部结构。
传感器内部结构
PPT系列智能压力传感器
1.4 智能检测系统
1.5 MEMS技术
•
微机电系统的英文名称是Micro Electro Mechanical Systems ， 简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多 采用半导体工艺加工。概念始于20世纪80年代末。它一般泛指特 征尺度在亚微米毫米范围的装置。
•
MEMS 是由微加工技术制备， 特征结构在微米尺度 （1μm~0.1mm范围） 的，集成有微传感器、微致动器、微电子 信号处理与控制电路等部件的微型系统。其中微传感器获取外部 信息，微电子信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微致动 器执行决策。
信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感 器构成的应用系统中，其包含的微处理器MCU（Micro
Controller Unit，单片微型计算机）能够对采集的信号进行分析
处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。
•
智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了
主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统
（DSP）
• 汽车称重——压力传感器
• 电子天平——压力传感器+电子系统
• 电子温度计——红外传感器
1.1 传感器的概念
• 各种传感器层出不穷，2009年全球用量用量达
13亿；2010年用于手机的有10多亿，用于汽
车市场的有420万；2013年汽车市场用量达到
1460万。中国传感器年增15%，未来年用量将
1.4 智能检测系统
•
智能传感器的结构可以是集成的，也可以是分离式，按结构可以 分为 集成式、混合式和模块式三种形式 。 集成智能传感器是将 一个或多个敏感元件与微处理器、信号处理电路集成在同一个硅 片上，集成度高、体积小 。这种集成的传感器在目前的技术水平 下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同的 芯片上，则构成混合式的智能传感器（Hybrid Smart Sensor）， 目前这种结构比较多。初级的智能传感器也可以由许多相互独立 的模块组成，如将微处理器、信号调理电路模块、输出电路模块、 显示电路模块和传感器装配在同一壳体内，体积较大，但在目前 的技术水平下，仍不失为一种实用的结构形式。
• 传感器是物联网的基础单元，是物联网信 息采集层面的关键器件。同时，MEMS （微电机系统）、MOEMS（微光机电系统） 将成为物联网的技术核心，使无线传感网、 光网快速加入物联网的应用系统，提供更 明确的应用方向和更丰富的市场机会，物 联网也将成为传感器市场的新引擎。 • 实际生活中，传感器无处不在
• 半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量
温度，具有成本低廉，线性度好等优点。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度
转化为电压和电流的变化；由不同金属材料构成 的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度， 例如-200℃~2000℃。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 电源是可选项，主要负责为敏感元件、转换元件和测
量电路供电。
• 无源型是最简单、最基本的传感器构成形式，它只由
敏感元件单独组成。输入量多为力学量（力、湿度、 速度、加速度），输出量一般是电学量。最大特点是 还需要外接电源，其敏感元件能够从被测对象直接获 取能量，并将能量转换为电量，但一般输出量较弱， 如热电偶传感器、压力传感器等通常是无源传感器。
的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的 改变，产生相应的电信号。
1.3 常用传感器的工作特点和应用
一种车用电容式压力传感 器的结构原理图及实物图
Honeywell 24PC 压力传感器及其内部结构
1.3 常用传感器的工作特点和应用
• 4.湿度传感器
• 湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。 • 电阻式湿度传感器也称为湿敏电阻，利用氯化锂、