常用傳感器工作原理(智能式傳感器)

1、智能式傳感器智能式傳感器 1 智能傳感器的特點 2 智能傳感器的實現(xiàn) 3 智能傳感器的應(yīng)用 4 智能傳感器的設(shè)計思想 智能傳感器作為一種新型傳感器發(fā)展起來。它是基于人工智能、信息處理技術(shù)實現(xiàn)的具有分析、判斷，量程自動轉(zhuǎn)換，漂移、非線性和頻率響應(yīng)等自動補償，對環(huán)境影響量的自適應(yīng)，自學習以及超限報警、故障診斷等功能的傳感器。 智能傳感器就是一個最小的微機系統(tǒng)，其中作為控制核心的微處理器通常采用單片機，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖示。 1 智能傳感器的特點智能傳感器的特點 （1）精度高 （2）可靠性與高穩(wěn)定性強 （3）高信噪比與高分辨率 （4）自適應(yīng)性強 （5）性能價格比高2 智能傳感器的實現(xiàn)智能傳感器的實現(xiàn)

2、 （1）集成化實現(xiàn) 這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，利用半導體材料硅作為基本材料來制作敏感元件，將信號調(diào)理電路、微處理器單元等集成在一塊芯片上構(gòu)成的。故又可稱為集成智能傳感器。其外形如圖所示。 （2）非集成化實現(xiàn) 非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器(采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號的功能)、信號調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器組合為一整體而構(gòu)成的一個智能傳感器系統(tǒng)。其框圖如圖所示。 （3）混合實現(xiàn) 混合實現(xiàn)是指根據(jù)需要與可能，將系統(tǒng)各個集成化環(huán)節(jié)，如敏感單元、信號調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在兩塊或三塊芯片上，并裝在一

3、個外殼里為混合實現(xiàn)的幾種方式。 集成化敏感單元包括彈性敏感元件及變換器；信號調(diào)理電路包括多路開關(guān)、儀用放大器、基準、A/D轉(zhuǎn)換器等；微處理器單元包括數(shù)字存儲(EPROM、ROM、RAM)、I/O接口、微處理器、D/A轉(zhuǎn)換器等。 3 智能傳感器的應(yīng)用智能傳感器的應(yīng)用 （1） ST-3000系列智能壓力傳感器 圖示為ST-3000系列智能壓力傳感器圖，它是由檢測和變送兩部分組成。 （2） 固體圖像傳感器固體圖像傳感器主要有三種類型：第一種是電荷耦合器件(CCD)；第二種是MOS圖像傳感器，又稱為自掃描光電二極管陣列(SSPA)；第三種是電荷注入器件(CID) 圖 為這種三維結(jié)構(gòu)智能化傳感器的一種形

4、式。 圖為一由多個智能圖像傳感器組成的圖像識別系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由光學透鏡系統(tǒng)、多個智能圖像傳感器和一個主計算機組成。 4 智能傳感器的設(shè)計思路智能傳感器的設(shè)計思路 下面以智能壓力傳感器的設(shè)計為例介紹一下智能傳感器的設(shè)計思路： （1）智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 智能壓力傳感器由半導體力敏元件（制作力敏元件時,同時制作兩只溫敏二極管）、放大器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、雙積分AD轉(zhuǎn)換器、單片機、接口電路、IEEE-488標準接口、存儲器和部分外圍電路組成 （2） 敏感元件設(shè)計敏感元件設(shè)計利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點應(yīng)力分利用集成電路工藝，根據(jù)圓形平膜片上各點應(yīng)力分布布,在半導體圓形基片上擴散出四個電阻，同時

5、生成在半導體圓形基片上擴散出四個電阻，同時生成兩個溫敏二極管。兩個溫敏二極管。 （3） 傳感器工藝設(shè)計 （4）軟件設(shè)計 主要構(gòu)成的智能壓力傳感器軟件有控制程序、數(shù)據(jù)處理程序及輔助程序。 微型傳感器微型傳感器 微型傳感器微型傳感器MEMS技術(shù)與微型傳感器技術(shù)與微型傳感器 MEMS（Micro Electro-Mechanical System）通常稱微機電系統(tǒng)，在歐洲和日本）通常稱微機電系統(tǒng)，在歐洲和日本又常稱微系統(tǒng)（又常稱微系統(tǒng)（Micro System）和微機械）和微機械（Micro Machine），是當今高科技發(fā)展的），是當今高科技發(fā)展的熱點之一。熱點之一。1994年原聯(lián)邦德國教研部年原

6、聯(lián)邦德國教研部（BMBF）給出了微系統(tǒng)的定義，即：若將）給出了微系統(tǒng)的定義，即：若將傳感器、信號處理器和執(zhí)行器以微型化的結(jié)傳感器、信號處理器和執(zhí)行器以微型化的結(jié)構(gòu)形式集成一個完整的系統(tǒng)，而該系統(tǒng)具有構(gòu)形式集成一個完整的系統(tǒng)，而該系統(tǒng)具有“敏感敏感”、“決定決定”和和“反應(yīng)反應(yīng)”的能力。的能力。 微機電系統(tǒng)通常具有以下典型的特性： （1）微型化零件； （2）由于受制造工藝和方法的限制，結(jié)構(gòu)零件大部分為兩維的、扁平零件； （3）系統(tǒng)所用材料基本上為半導體材料，但也越來越多地使用塑料材料； （4）機械和電子被集成為相應(yīng)獨立的子系統(tǒng)，如傳感器、執(zhí)行器和處理器等。 與一般傳感器比較，微傳感器具有以下特點

7、： （1）空間占有率小。 （2）靈敏度高，響應(yīng)速度快。 （3）便于集成化和多功能化。 （4）可靠性提高。 （5）消耗電力小，節(jié)省資源和能量。 （6）價格低廉。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN是一種無基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，它由一組傳感器節(jié)點協(xié)同感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)進行處理，獲得詳盡準確的信息，處理后的信息通過無線方式發(fā)送，并以自動組網(wǎng)、多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送給觀察者。無線傳感器典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)架無線傳感器典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)架 微型的嵌入式系統(tǒng)；處理能力、存儲能力、通信能力較弱；電池供電；監(jiān)測終端、路由器雙重功能。WSN簡介簡介傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點

8、 又稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點，處理能力、存儲能力和通信能力相對較強；連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet、GPRS等外部網(wǎng)絡(luò)；將節(jié)點傳遞過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，同時能發(fā)布用戶的監(jiān)測任務(wù)至各個節(jié)點。WSN簡介簡介匯聚節(jié)點匯聚節(jié)點 用戶通過終端的管理和分析軟件來觀測網(wǎng)絡(luò)的運行狀況，并能對網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點進行管理和監(jiān)控。無線傳感器典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)架無線傳感器典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)架WSN簡介簡介終端用戶終端用戶WSN運作演示運作演示W(wǎng)SN的特點的特點l傳感器節(jié)點的特點WSN的特點的特點l傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點WSN所涉及的問題所涉及的問題WSN所涉及的問題所涉及的問題 WSN應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。

9、使用了包括光、濕度、氣壓計、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近10種傳感器類型數(shù)百個節(jié)點，系統(tǒng)通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?00英尺外的基站計算機內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。WSN應(yīng)用案例應(yīng)用案例英特爾研究實驗室 加州大學伯克利分校(2002年) 2005年，澳洲的科學家利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。由于蟾蜍的叫聲響亮而獨特，因此利用聲音作為檢測特征非常有效?？蒲腥藛T將采集到的信號在節(jié)點上就地處理，然后將處理后的少量結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)回給控制中心。通過處理，就可以大致了解蟾蜍的分布、棲息情況。 WSN應(yīng)用案例應(yīng)用案例 澳大利亞科學家開發(fā)一套創(chuàng)新型無線傳感網(wǎng)絡(luò)，用于環(huán)境監(jiān)測，希望

10、有助于瀕危雨林的恢復。工作組在 Springbrook 國家公園采用了 10 個基于太陽能充電的傳感器節(jié)點，測量各種環(huán)境因素，如溫度、濕度、光線、土壤濕度和風速，并將這些信息傳送給位于昆士蘭布里斯班市的一臺中央數(shù)據(jù)庫。WSN應(yīng)用案例應(yīng)用案例 華東師范大學軟件學院與上海市計算技術(shù)研究所成立“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合實驗室” “基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的水環(huán)境災(zāi)害預警系統(tǒng)” 系統(tǒng)采用光照度、空氣溫濕度、靜態(tài)圖像、水溫、PH、溶解氧等傳感器節(jié)點監(jiān)測華東師范大學校內(nèi)的水環(huán)境信息.WSN應(yīng)用案例應(yīng)用案例 實例：夏威夷大學在夏威夷火山國家公園內(nèi)鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測那些瀕臨滅種的植物所在地的微小氣候變化。 實例：

11、美國俄勒岡洲研究生院在哥倫比亞河設(shè)置了13個站來監(jiān)測每個站所在區(qū)域的流速、鹽度、溫度及水位。 實例：美國ALERT系統(tǒng)中利用多種傳感器來監(jiān)測降雨量、河位水位和土壤水分，并依此預測爆發(fā)山洪暴發(fā)的可能性。 實例：澳洲的CSRIO ICT研究中心將節(jié)點安置在動物身上對動物的生理狀況(脈搏、血壓)和外界環(huán)境進行檢測，研制成完善的草地放牧與動物模型。 實例：.WSN應(yīng)用案例應(yīng)用案例最新動態(tài)最新動態(tài)（關(guān)于傳感器）（關(guān)于傳感器）物聯(lián)網(wǎng)成為國家的發(fā)展重點之一，其物聯(lián)網(wǎng)成為國家的發(fā)展重點之一，其核心仍核心仍然是傳感設(shè)備的研發(fā)然是傳感設(shè)備的研發(fā)。1、物聯(lián)網(wǎng)的概念、物聯(lián)網(wǎng)的概念 物聯(lián)網(wǎng)是指通過物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種傳感

12、器、射頻識別各種傳感器、射頻識別(RFID)、紅、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2、物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展 物聯(lián)網(wǎng)的概念最初來源于美國麻省理工學院物聯(lián)網(wǎng)的概念最初來源于美國麻省理工學院(MIT) 在在 1999 年建立的自動識別中心年建立的自動識別中心( Auto- ID Labs)

13、提提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)，把所有物品通系統(tǒng)，把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來， 實實現(xiàn)智能化識別和管理現(xiàn)智能化識別和管理. 2005 年年 ITU （國際電信聯(lián)盟）在突尼斯舉行的信（國際電信聯(lián)盟）在突尼斯舉行的信息社會世界峰會息社會世界峰會(WSIS)上正式確定了物聯(lián)網(wǎng)的概念，上正式確定了物聯(lián)網(wǎng)的概念， 并隨后發(fā)布了并隨后發(fā)布了 ITU Internet reports 2005 the Internet of things， 介紹了物聯(lián)網(wǎng)的特征相關(guān)的技介紹了物聯(lián)網(wǎng)的特征相關(guān)的技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來

14、的市場機遇。術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來的市場機遇。IBM的智慧地球的智慧地球 2008年年11月月6日，日，IBM CEO彭明盛彭明盛(Sam Palmisano)在紐約市外交關(guān)系委員會做了一次重要在紐約市外交關(guān)系委員會做了一次重要的演講，題目是的演講，題目是“智慧地球：下一代的領(lǐng)導議智慧地球：下一代的領(lǐng)導議程程”(A Smarter Planet: The Next Leadership Agenda)。 “將智能技術(shù)應(yīng)用到生活的各個方面，如應(yīng)用到各將智能技術(shù)應(yīng)用到生活的各個方面，如應(yīng)用到各系統(tǒng)和程序之中，以便貨物能被順利地研發(fā)，制造系統(tǒng)和程序之中，以便貨物能被順利地研發(fā)，制造購買，人們能享受各種服

15、務(wù)，萬物（包括人，貨幣，購買，人們能享受各種服務(wù)，萬物（包括人，貨幣，石油，水電等）可以順暢流通，人們可以安居樂石油，水電等）可以順暢流通，人們可以安居樂業(yè)。業(yè)。”IBM的智慧地球美國戰(zhàn)略美國戰(zhàn)略 奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，對奧巴馬就任美國總統(tǒng)后，對IM首席執(zhí)行官彭明盛首首席執(zhí)行官彭明盛首次提出的次提出的“智慧地球智慧地球”概念給予了積極的回應(yīng)，并概念給予了積極的回應(yīng)，并上升至美國的國家戰(zhàn)略，并在世界范圍內(nèi)引起轟動。上升至美國的國家戰(zhàn)略，并在世界范圍內(nèi)引起轟動。 該戰(zhàn)略認為，該戰(zhàn)略認為，IT產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代IT技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把技術(shù)

16、充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成中，并且被普遍連接，形成“物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)”。中國政府的重視中國政府的重視 2009年年8月月7日，國務(wù)院總理溫家寶在考察中科院無日，國務(wù)院總理溫家寶在考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時曾表示，至錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時曾表示，至少三件事情可以盡快去做，一是把傳感系統(tǒng)和少三件事情可以盡快去做，一是把傳感系統(tǒng)和3G中中的的TD技術(shù)結(jié)合起來；二

17、是在國家重大科技專項中，技術(shù)結(jié)合起來；二是在國家重大科技專項中，加快推進傳感網(wǎng)發(fā)展；三是盡快建立中國的傳感信加快推進傳感網(wǎng)發(fā)展；三是盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫息中心，或者叫“感知中國感知中國”中心。中心。中國政府的重視中國政府的重視 2009年年11月月3日，溫家寶總理在人民大會堂向首都日，溫家寶總理在人民大會堂向首都科技界發(fā)表了題為科技界發(fā)表了題為讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展的講話。的講話。 他指出，他指出，“未來要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技未來要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后術(shù)，及早部署后IP時代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)時代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)

18、產(chǎn)業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的產(chǎn)業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的發(fā)動發(fā)動機機”。 溫家寶此次講話，清晰地點明未來將著力發(fā)展物聯(lián)溫家寶此次講話，清晰地點明未來將著力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用。網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用。中國政府的重視中國政府的重視 2010年年3月月5日，溫家寶總理在政府工作報告中指出，日，溫家寶總理在政府工作報告中指出，要要“大力培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。國際金融危機正在大力培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。國際金融危機正在催生新的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命。發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)催生新的科技革命和產(chǎn)業(yè)革命。發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，搶占經(jīng)濟科技制高點，決定國家的未來，必須業(yè)，搶占經(jīng)濟科技制高點，決定國家的未來，必

19、須抓住機遇，明確重點，有所作為。要大力發(fā)展新能抓住機遇，明確重點，有所作為。要大力發(fā)展新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息網(wǎng)絡(luò)和高源、新材料、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息網(wǎng)絡(luò)和高端制造產(chǎn)業(yè)。積極推進新能源汽車、端制造產(chǎn)業(yè)。積極推進新能源汽車、“三網(wǎng)三網(wǎng)”融合融合取得實質(zhì)性進展，取得實質(zhì)性進展，加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用。加大對。加大對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的投入和政策支持。戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的投入和政策支持?！?、物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 感知層包括二維碼標簽和識讀器、感知層包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像標簽和讀寫器、攝像頭、頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識別物體，、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識別物體，采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。 網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進行傳中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲