物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)-文檔資料

1、11 物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù) 2學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù)傳感器的概念傳感器的概念 傳感器的基本組成及檢測(cè)原理傳感器的基本組成及檢測(cè)原理 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用123智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng) 4MEMS技術(shù)技術(shù) 53傳感器傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。4 傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個(gè)重要途徑，處于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)元、人類五官的延伸。5 傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，是物聯(lián)網(wǎng)信息采集層面的關(guān)鍵器件。同時(shí)，MEMS（微電機(jī)系統(tǒng)）、MOEMS（微光機(jī)電系統(tǒng)）將成為物聯(lián)網(wǎng)的技

2、術(shù)核心，使無(wú)線傳感網(wǎng)、光網(wǎng)快速加入物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)，提供更明確的應(yīng)用方向和更豐富的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，物聯(lián)網(wǎng)也將成為傳感器市場(chǎng)的新引擎。 實(shí)際生活中，傳感器無(wú)處不在61.1 傳感器的概念傳感器的概念全自動(dòng)洗衣機(jī)全自動(dòng)洗衣機(jī)濁度傳感器濁度傳感器自動(dòng)沖水裝置自動(dòng)沖水裝置光電傳感器和電子系統(tǒng)光電傳感器和電子系統(tǒng)遙控器遙控器紅外傳感器紅外傳感器汽車汽車是個(gè)傳感器俱樂(lè)部：溫度、空氣流量、是個(gè)傳感器俱樂(lè)部：溫度、空氣流量、壓力、轉(zhuǎn)速、位移、水位、曲軸、防抱死制動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)速、位移、水位、曲軸、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（系統(tǒng)（ABS）、爆震、里程表等多種傳感器）、爆震、里程表等多種傳感器71.1 傳感器的概念傳感器的概念話筒話筒

3、在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬在彈性膜片后面粘接一個(gè)輕小的金屬線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，構(gòu)成一種動(dòng)線圈，線圈處于永磁體的磁場(chǎng)中，構(gòu)成一種動(dòng)圈式的傳感器圈式的傳感器聲控?zé)袈暱責(zé)魤弘妭鞲衅鲏弘妭鞲衅魇謾C(jī)的觸摸屏手機(jī)的觸摸屏點(diǎn)觸摸、面觸摸等點(diǎn)觸摸、面觸摸等數(shù)碼產(chǎn)品數(shù)碼產(chǎn)品MP3、手機(jī)等聽(tīng)歌時(shí)，用力一搖、手機(jī)等聽(tīng)歌時(shí)，用力一搖就換成了下一曲，這就用到了加速度傳感器就換成了下一曲，這就用到了加速度傳感器81.1 傳感器的概念傳感器的概念電飯鍋電飯鍋溫度傳感器溫度傳感器電熨斗電熨斗另一種溫度傳感器另一種溫度傳感器光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器+圖像分析芯片圖像分析芯片（DSP）汽車稱重汽車稱重

4、壓力傳感器壓力傳感器電子天平電子天平壓力傳感器壓力傳感器+電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)電子溫度計(jì)電子溫度計(jì)紅外傳感器紅外傳感器91.1 傳感器的概念傳感器的概念各種傳感器層出不窮，各種傳感器層出不窮，2009年全球用量用量達(dá)年全球用量用量達(dá)13億；億；2010年用于手機(jī)的有年用于手機(jī)的有10多億，用于汽多億，用于汽車市場(chǎng)的有車市場(chǎng)的有420萬(wàn)；萬(wàn)；2013年汽車市場(chǎng)用量達(dá)到年汽車市場(chǎng)用量達(dá)到1460萬(wàn)。中國(guó)傳感器年增萬(wàn)。中國(guó)傳感器年增15%，未來(lái)年用量將，未來(lái)年用量將超萬(wàn)億。超萬(wàn)億。101.1 傳感器的概念傳感器的概念傳感器是把非電學(xué)物理量傳感器是把非電學(xué)物理量（如位移、速度、壓力、溫（如位移、速度、壓力

5、、溫度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光度、濕度、流量、聲強(qiáng)、光照度等）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、照度等）轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量、傳輸、處理的電學(xué)量（如電傳輸、處理的電學(xué)量（如電壓、電流、電容等）的一種壓、電流、電容等）的一種元件。元件。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器一般在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路三部分組成，有時(shí)還量電路三部分組成，有時(shí)還加上輔助電源。加上輔助電源。按按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對(duì)傳感器的定義對(duì)傳感器的定義為：能為：能感受感受被測(cè)量被測(cè)量并按照一定的規(guī)律并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)換成可用輸出信號(hào)的器件或的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)裝置

6、，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。換元件組成。人類五官延伸人與機(jī)器的對(duì)應(yīng)關(guān)系111.2 傳感器的基本組成及檢測(cè)原理傳感器的基本組成及檢測(cè)原理 敏感元件敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分，它直接感受被測(cè)非電學(xué)量，輸出與量的部分，它直接感受被測(cè)非電學(xué)量，輸出與被輸出有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，轉(zhuǎn)換元件所能接受被輸出有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的，轉(zhuǎn)換元件所能接受的其他物理量，如膜片或膜盒把被測(cè)壓力變成的其他物理量，如膜片或膜盒把被測(cè)壓力變成位移量。敏感元件位移量。敏感元件是傳感器的核心是傳感器的核心。121.2 傳感器的基本組成及檢測(cè)原理傳感器的基本組成及檢測(cè)原理 需要指出需要

7、指出，并不是所有的傳感器都能明顯地區(qū)，并不是所有的傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，有些傳感器轉(zhuǎn)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，有些傳感器轉(zhuǎn)換元件不止一個(gè)，有些傳感器（如熱電偶）將換元件不止一個(gè)，有些傳感器（如熱電偶）將敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合為一體。敏感元件和轉(zhuǎn)換元件合為一體。測(cè)量電路測(cè)量電路是將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號(hào)進(jìn)一步地轉(zhuǎn)是將轉(zhuǎn)換元件輸出的信號(hào)進(jìn)一步地轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)?，換和處理，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性。以獲得更好的品質(zhì)特性。131.2 傳感器的基本組成及檢測(cè)原理傳感器的基本組成及檢測(cè)原理 電源電源是可選項(xiàng)，主要負(fù)責(zé)為敏感元件、轉(zhuǎn)換元件

8、和測(cè)是可選項(xiàng)，主要負(fù)責(zé)為敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測(cè)量電路供電。量電路供電。無(wú)源型是最簡(jiǎn)單、最基本的傳感器構(gòu)成形式，它只由無(wú)源型是最簡(jiǎn)單、最基本的傳感器構(gòu)成形式，它只由敏感元件單獨(dú)組成。輸入量多為力學(xué)量（力、濕度、敏感元件單獨(dú)組成。輸入量多為力學(xué)量（力、濕度、速度、加速度），輸出量一般是電學(xué)量。最大特點(diǎn)是速度、加速度），輸出量一般是電學(xué)量。最大特點(diǎn)是還需要外接電源，其敏感元件能夠從被測(cè)對(duì)象直接獲還需要外接電源，其敏感元件能夠從被測(cè)對(duì)象直接獲取能量，并將能量轉(zhuǎn)換為電量，但一般輸出量較弱，取能量，并將能量轉(zhuǎn)換為電量，但一般輸出量較弱，如熱電偶傳感器、壓力傳感器等通常是無(wú)源傳感器。如熱電偶傳感器、壓力傳感

9、器等通常是無(wú)源傳感器。141.2 傳感器的基本組成及檢測(cè)原理傳感器的基本組成及檢測(cè)原理 有源型通常建立在無(wú)源型的基礎(chǔ)上，它與無(wú)源型的不有源型通常建立在無(wú)源型的基礎(chǔ)上，它與無(wú)源型的不同之處在于為了確保敏感元件的工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用了同之處在于為了確保敏感元件的工作點(diǎn)穩(wěn)定，使用了輔助能源。輔助能源主要起激勵(lì)作用，它既可以是電輔助能源。輔助能源主要起激勵(lì)作用，它既可以是電源，也可以是磁源。有源傳感器的特點(diǎn)是，不需要測(cè)源，也可以是磁源。有源傳感器的特點(diǎn)是，不需要測(cè)量電路即可有較大的電量輸出，如光電管、光敏二極量電路即可有較大的電量輸出，如光電管、光敏二極管、霍爾傳感器等。管、霍爾傳感器等。151.3 常用

10、傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用傳統(tǒng)傳感器的局限性傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器現(xiàn)代傳感器特點(diǎn)：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)161.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用1.溫度傳感器溫度傳感器熱敏電阻熱敏電阻主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性，根主要是利用各種材料電阻率的溫度敏感性，根據(jù)材料的不同，熱敏電阻可以用于設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)，以據(jù)材料的不同，熱敏電阻可以用于設(shè)備的過(guò)熱保護(hù)，以及溫控報(bào)警等等。及溫控報(bào)警等等。半導(dǎo)體溫度傳感器半導(dǎo)體溫度傳感器利用半導(dǎo)體器件的溫度敏感性來(lái)測(cè)量利用半導(dǎo)

11、體器件的溫度敏感性來(lái)測(cè)量溫度，具有成本低廉，線性度好等優(yōu)點(diǎn)。溫度，具有成本低廉，線性度好等優(yōu)點(diǎn)。171.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)象，把被測(cè)端的溫度溫差電偶則是利用溫差電現(xiàn)象，把被測(cè)端的溫度轉(zhuǎn)化為電壓和電流的變化；由不同金屬材料構(gòu)成轉(zhuǎn)化為電壓和電流的變化；由不同金屬材料構(gòu)成的溫差電偶，能夠在比較大的范圍內(nèi)測(cè)量溫度，的溫差電偶，能夠在比較大的范圍內(nèi)測(cè)量溫度，例如例如-2002000。181.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用2.光傳感器光傳感器光傳感器光傳感器可以分為光敏電阻以及光電傳感器兩個(gè)可以分為光敏電阻以及光電傳感

12、器兩個(gè)大類。大類。光敏電阻光敏電阻主要利用各種材料的電阻率的光敏感性主要利用各種材料的電阻率的光敏感性來(lái)進(jìn)行光探測(cè)。來(lái)進(jìn)行光探測(cè)。191.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用2.光傳感器光傳感器光電傳感器光電傳感器主要包括光敏二極管和光敏三極管，這兩種器件都是利主要包括光敏二極管和光敏三極管，這兩種器件都是利用半導(dǎo)體器件對(duì)光照的敏感性。光敏二極管的反向飽和電流在光照用半導(dǎo)體器件對(duì)光照的敏感性。光敏二極管的反向飽和電流在光照的作用下會(huì)顯著變大，而光敏三極管在光照時(shí)其集電極、發(fā)射極導(dǎo)的作用下會(huì)顯著變大，而光敏三極管在光照時(shí)其集電極、發(fā)射極導(dǎo)通，類似于受光照控制的開關(guān)。此外，為方

13、便使用，市場(chǎng)上出現(xiàn)了通，類似于受光照控制的開關(guān)。此外，為方便使用，市場(chǎng)上出現(xiàn)了把光敏二極管和光敏三極管與后續(xù)信號(hào)處理電路制作成一個(gè)芯片的把光敏二極管和光敏三極管與后續(xù)信號(hào)處理電路制作成一個(gè)芯片的集成光傳感器。集成光傳感器。光敏電阻結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物光敏三極管集成光傳感器201.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用3.壓力傳感器壓力傳感器壓力傳感器壓力傳感器是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)沿地面所產(chǎn)生的壓力是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)沿地面所產(chǎn)生的壓力變化來(lái)發(fā)現(xiàn)和測(cè)定目標(biāo)的偵察設(shè)備。其種類有：變化來(lái)發(fā)現(xiàn)和測(cè)定目標(biāo)的偵察設(shè)備。其種類有：應(yīng)變鋼絲傳感器、平衡壓力傳感器、振動(dòng)應(yīng)變鋼絲傳感器、平衡壓力傳感器、振動(dòng)/磁性電

14、磁性電纜傳感器、駐極體電纜和光纖壓力傳感器等。纜傳感器、駐極體電纜和光纖壓力傳感器等。常見(jiàn)的壓力傳感器在受到外部壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定常見(jiàn)的壓力傳感器在受到外部壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形或位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電特性的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形或位移，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電特性的改變，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。改變，產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。211.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用Honeywell 24PC 壓力傳感器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一種車用電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖及實(shí)物圖221.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用4.濕度傳感器濕度傳感器濕度傳感器主要包括電阻式和電容式兩個(gè)類別。濕度傳感

15、器主要包括電阻式和電容式兩個(gè)類別。電阻式濕度傳感器也稱為濕敏電阻，利用氯化鋰、電阻式濕度傳感器也稱為濕敏電阻，利用氯化鋰、碳、陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來(lái)探測(cè)濕碳、陶瓷等材料的電阻率的濕度敏感性來(lái)探測(cè)濕度。度。電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，利用材料的電容式濕度傳感器也稱為濕敏電容，利用材料的介電系數(shù)的濕度敏感性來(lái)探測(cè)濕度。介電系數(shù)的濕度敏感性來(lái)探測(cè)濕度。231.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用4.濕度傳感器濕度傳感器一種電阻式陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖一種電容式濕敏傳感器結(jié)構(gòu)圖幾種濕度傳感器241.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用5.霍爾（磁性）

16、傳感器霍爾（磁性）傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感是利用霍爾效應(yīng)制成的一種磁性傳感器。器。霍爾效應(yīng)是指：把一個(gè)金屬或者半導(dǎo)體材料薄片霍爾效應(yīng)是指：把一個(gè)金屬或者半導(dǎo)體材料薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，由于形成電流的置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，由于形成電流的電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而受到磁場(chǎng)的作用力，會(huì)使得電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而受到磁場(chǎng)的作用力，會(huì)使得材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差材料中產(chǎn)生與電流方向垂直的電壓差 。可以通過(guò)?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量霍爾傳感器所產(chǎn)生的電壓的大小來(lái)計(jì)算磁場(chǎng)測(cè)量霍爾傳感器所產(chǎn)生的電壓的大小來(lái)計(jì)算磁場(chǎng)的強(qiáng)度。的強(qiáng)度。251.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感

17、器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用霍爾效應(yīng)261.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)，能夠間接測(cè)量電流、霍爾傳感器結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)，能夠間接測(cè)量電流、振動(dòng)、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等等，具有廣振動(dòng)、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等等，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。泛的應(yīng)用價(jià)值。271.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用各種霍爾傳感器281.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用6.圖像傳感器圖像傳感器CCD電荷耦合器件工作特點(diǎn)電荷耦合器件工作特點(diǎn)CCD（Charge Coupled Device）是電荷藕合）是電荷藕合器件圖像傳感器。它使用一

18、種高感光度的半導(dǎo)體器件圖像傳感器。它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來(lái)修改圖像。像。CCD 由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。素為單位。291.3 常用傳感

19、器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用當(dāng)當(dāng)CCD 表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 CCD 和傳統(tǒng)底片相比，和傳統(tǒng)底片相比，CCD更接近于人眼對(duì)視更接近于人眼對(duì)視覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)覺(jué)的工作方式。只不過(guò)，人眼的視網(wǎng)膜是由負(fù)責(zé)光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工光強(qiáng)度感應(yīng)的桿細(xì)胞和色彩感應(yīng)的錐細(xì)胞，分工合作組成視覺(jué)感應(yīng)。合作組成視覺(jué)感應(yīng)。 CCD 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)35年

20、的發(fā)展，年的發(fā)展，大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。大致的形狀和運(yùn)作方式都已經(jīng)定型。CCD的組成的組成主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及主要是由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。墊于最底下的電子線路矩陣所組成。301.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用目前數(shù)碼相機(jī)的核心成像部件有兩種：一種是廣目前數(shù)碼相機(jī)的核心成像部件有兩種：一種是廣泛使用的泛使用的CCD（電荷藕合）元件；另一種是（電荷藕合）元件；另一種是CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。（互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體）器件。311.3 常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用常用傳感器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用7

21、.無(wú)線傳感器應(yīng)用典型案例無(wú)線傳感器應(yīng)用典型案例2002 年，由英特爾的研究小組和年，由英特爾的研究小組和加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大加州大學(xué)伯克利分校以及巴港大西洋大學(xué)的科學(xué)家把無(wú)線傳感器西洋大學(xué)的科學(xué)家把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)視大鴨島海鳥的棲息情況。研究人員采用包括的棲息情況。研究人員采用包括光、濕度、氣壓計(jì)、紅外傳感器、光、濕度、氣壓計(jì)、紅外傳感器、攝像頭在內(nèi)的近攝像頭在內(nèi)的近10 種傳感器類型種傳感器類型數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過(guò)自組織無(wú)數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)通過(guò)自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)到線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)到 傳輸?shù)絺鬏數(shù)?00 英英尺外的基站計(jì)算機(jī)內(nèi)，再由此經(jīng)尺外的基站計(jì)

22、算機(jī)內(nèi)，再由此經(jīng)衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。在那衛(wèi)星傳輸至加州的服務(wù)器。在那之后，全球的研究人員都可以通之后，全球的研究人員都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的過(guò)互聯(lián)網(wǎng)察看該地區(qū)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，數(shù)據(jù)，掌握第一手的環(huán)境資料，為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個(gè)極為生態(tài)環(huán)境研究者提供了一個(gè)極為有效便利的平臺(tái)。為有效便利的平臺(tái)。大鴨島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)321.4 智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)1.4.1 智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特征智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特征智能傳感器（智能傳感器（smart sensor）是一種具有一定信息處理能力的傳）是一種具有一定信息處理能力的傳感器，目前多采用把傳統(tǒng)的傳感器與微處理

23、器結(jié)合的方式來(lái)制造。感器，目前多采用把傳統(tǒng)的傳感器與微處理器結(jié)合的方式來(lái)制造。智能傳感器組成331.4 智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)1.4.1 智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特征智能檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特征上圖所示，在傳統(tǒng)的傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，傳感器所采集的上圖所示，在傳統(tǒng)的傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，傳感器所采集的信號(hào)通常要傳輸?shù)较到y(tǒng)中的主機(jī)中進(jìn)行分析處理；而由智能傳感信號(hào)通常要傳輸?shù)较到y(tǒng)中的主機(jī)中進(jìn)行分析處理；而由智能傳感器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，其包含的微處理器器構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，其包含的微處理器MCU（Micro Controller Unit，單片微型計(jì)算機(jī)）能夠?qū)Σ杉男盘?hào)進(jìn)行分析，單片微型計(jì)算機(jī)）能夠?qū)?/p>

24、采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，然后把處理結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)中的主機(jī)。處理，然后把處理結(jié)果發(fā)送給系統(tǒng)中的主機(jī)。智能傳感器能夠顯著減小傳感器與主機(jī)之間的通信量，并簡(jiǎn)化了智能傳感器能夠顯著減小傳感器與主機(jī)之間的通信量，并簡(jiǎn)化了主機(jī)軟件的復(fù)雜程度，使得包含多種不同類別的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)主機(jī)軟件的復(fù)雜程度，使得包含多種不同類別的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)；此外，智能傳感器常常還能進(jìn)行自檢、診斷和校正。易于實(shí)現(xiàn)；此外，智能傳感器常常還能進(jìn)行自檢、診斷和校正。341.4 智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)1.4.2 常用智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常用智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 智能壓力傳感器智能壓力傳感器圖中顯示的是圖中顯示的是Honeywel

25、l （美國(guó)霍尼韋爾）公司開發(fā)的（美國(guó)霍尼韋爾）公司開發(fā)的PPT 系列系列智能壓力傳感器的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。智能壓力傳感器的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。PPT系列智能壓力傳感器傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)351.4 智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)2.智能溫濕度傳感器智能溫濕度傳感器圖中顯示的是圖中顯示的是Sensirion （瑞士盛世瑞恩）公司推出的（瑞士盛世瑞恩）公司推出的SHT11/15溫濕度智能傳感器的外形、引腳以及內(nèi)部框圖。溫濕度智能傳感器的外形、引腳以及內(nèi)部框圖。361.4 智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)3.智能液體渾濁度傳感器智能液體渾濁度傳感器圖中顯示的是圖中顯示的是Honeywell 公司推出的公司推出的AMPS-

26、10G 型智能液體渾濁型智能液體渾濁度傳感器的外形、測(cè)量原理以及內(nèi)部框圖。度傳感器的外形、測(cè)量原理以及內(nèi)部框圖。371.4 智能檢測(cè)系統(tǒng)智能檢測(cè)系統(tǒng)智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)可以智能傳感器的結(jié)構(gòu)可以是集成的，也可以是分離式，按結(jié)構(gòu)可以分為分為 集成式、混合式和模塊式集成式、混合式和模塊式三種形式三種形式 。 集成智能傳感器是將集成智能傳感器是將一個(gè)或多個(gè)敏感元件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)硅一個(gè)或多個(gè)敏感元件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)硅片上，集成度高、體積小片上，集成度高、體積小 。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平。這種集成的傳感器在目前的技術(shù)水平下

27、還很難實(shí)現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路做在不同的下還很難實(shí)現(xiàn)。將傳感器和微處理器、信號(hào)處理電路做在不同的芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器（芯片上，則構(gòu)成混合式的智能傳感器（Hybrid Smart Sensor），），目前這種結(jié)構(gòu)比較多。初級(jí)的智能傳感器也可以由許多相互獨(dú)立目前這種結(jié)構(gòu)比較多。初級(jí)的智能傳感器也可以由許多相互獨(dú)立的模塊組成，如將微處理器、信號(hào)調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、的模塊組成，如將微處理器、信號(hào)調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)，體積較大，但在目前顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)，體積較大，但在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)

28、形式。的技術(shù)水平下，仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。381.5 MEMS技術(shù)技術(shù) 微機(jī)電系統(tǒng)的英文名稱是微機(jī)電系統(tǒng)的英文名稱是Micro Electro Mechanical Systems ，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱MEMS，是一種由微電子、微機(jī)械部件構(gòu)成的微型器件，多，是一種由微電子、微機(jī)械部件構(gòu)成的微型器件，多采用半導(dǎo)體工藝加工采用半導(dǎo)體工藝加工。概念始于。概念始于20世紀(jì)世紀(jì)80年代末。它一般泛指特年代末。它一般泛指特征尺度在亞微米毫米范圍的裝置。征尺度在亞微米毫米范圍的裝置。MEMS 是由微加工技術(shù)制備，是由微加工技術(shù)制備， 特征結(jié)構(gòu)在微米尺度特征結(jié)構(gòu)在微米尺度（1m0.1mm范圍）范圍） 的，集成有微

29、傳感器、微致動(dòng)器、微電子的，集成有微傳感器、微致動(dòng)器、微電子信號(hào)處理與控制電路等部件的微型系統(tǒng)。其中微傳感器獲取外部信號(hào)處理與控制電路等部件的微型系統(tǒng)。其中微傳感器獲取外部信息，微電子信號(hào)處理與控制電路處理信息并作出決策，微致動(dòng)信息，微電子信號(hào)處理與控制電路處理信息并作出決策，微致動(dòng)器執(zhí)行決策。器執(zhí)行決策。391.5 MEMS技術(shù)技術(shù) MEMS技術(shù)是一種全新的，必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的技術(shù)是一種全新的，必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域。研發(fā)領(lǐng)域。 完整的完整的 MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通信接口和電源等部件組

30、成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、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)，并集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、系統(tǒng)，并集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。智能化和可靠性水平。401.5 MEMS技術(shù)技術(shù) 1.5.1 MEMS 特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用由于由于MEMS的體積小、集成度高、功能靈活而強(qiáng)大，的體積小、集成度高、功能靈活而強(qiáng)大，使人類的操作、加工能力延伸到使人類的操作、加工能力延伸到微米級(jí)空間微米級(jí)空間。系統(tǒng)

31、具。系統(tǒng)具有微小的質(zhì)量和消為有微小的質(zhì)量和消為 耗，微小的尺寸，通常還為耗，微小的尺寸，通常還為MEMS器件帶來(lái)更高的靈敏度和更好的動(dòng)態(tài)特性。器件帶來(lái)更高的靈敏度和更好的動(dòng)態(tài)特性。80%以上的以上的MEMS采用硅微工藝進(jìn)行制作，使其具有采用硅微工藝進(jìn)行制作，使其具有大批量生產(chǎn)模式，制造成本因而得以大大降低大批量生產(chǎn)模式，制造成本因而得以大大降低 。在單。在單一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)電集成也是一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)電集成也是MEMS獨(dú)有的特點(diǎn)。獨(dú)有的特點(diǎn)。411.5 MEMS技術(shù)技術(shù) 1.5.1 MEMS 特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用基于基于MEMS技術(shù)制作的微傳感器技術(shù)制作的微傳感器 、微執(zhí)行器、微型構(gòu)、微執(zhí)行器、微型

32、構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就像近業(yè)，就像近20年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來(lái)的巨大變化一樣，來(lái)的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場(chǎng)深刻的技也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響。術(shù)變革并對(duì)人類社會(huì)

33、產(chǎn)生新一輪的影響。421.5 MEMS技術(shù)技術(shù) 1.5.1 MEMS 特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用 目前目前MEMS市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來(lái)察家預(yù)測(cè)，未來(lái)5年年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長(zhǎng)器件的銷售額將呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)，之勢(shì)，年平均增加率約為年平均增加率約為18%，因此對(duì)機(jī)械電子工程、，因此對(duì)機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。43

34、1.5 MEMS技術(shù)技術(shù) 1.5.2 常用的常用的 MEMS 傳感器傳感器1. 微機(jī)電壓力傳感器微機(jī)電壓力傳感器微機(jī)械壓力傳感器是最早開發(fā)研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是為機(jī)械技微機(jī)械壓力傳感器是最早開發(fā)研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是為機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)看，微術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)看，微機(jī)械壓力傳感器分為機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式壓阻式和電容式兩類，兩類，分別以微機(jī)械加工技分別以微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來(lái)看有圓形、方形、。從敏感膜結(jié)構(gòu)來(lái)看有圓形、方形、E 形等多種結(jié)構(gòu)。目前，形等多種結(jié)構(gòu)。目

35、前，壓阻式傳感器的精度可達(dá)壓阻式傳感器的精度可達(dá)0.05% 0.01%, 年穩(wěn)定性達(dá)年穩(wěn)定性達(dá)0.1%/FS（位移測(cè)量精度），溫度誤差為（位移測(cè)量精度），溫度誤差為0.0002%，耐壓可達(dá)幾百兆帕，過(guò)電壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的耐壓可達(dá)幾百兆帕，過(guò)電壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的20倍以上倍以上，并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償。并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償。441.5 MEMS技術(shù)技術(shù)圖示為某輪胎壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外觀圖。該壓力傳感器圖示為某輪胎壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外觀圖。該壓力傳感器利用了傳感器中的硅應(yīng)變電阻在壓力作用下發(fā)生形變而改變了電利用了傳感器中的硅應(yīng)變電阻在壓力作用下發(fā)生形變而改變了電阻來(lái)測(cè)量壓力；測(cè)試時(shí)使用了傳感器內(nèi)部集成的測(cè)量電橋。阻來(lái)測(cè)量壓力；測(cè)試時(shí)使用了傳感器內(nèi)部集成的測(cè)量電橋。MEMS壓力傳感器結(jié)構(gòu)傳感器中集成的測(cè)量電橋傳感器外形451.5 MEMS技術(shù)技術(shù)2. 微機(jī)電加速度傳感器微機(jī)電加速度傳感器 微機(jī)電加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后，第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微機(jī)電加速