物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎第3章-傳感器與傳感網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎第3章傳感器與傳感網(wǎng)技術(shù)目錄Content常用傳感器傳感器的典型應用無線傳感器網(wǎng)絡概述傳感器概述1234無線傳感器網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用56傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡（即傳感網(wǎng)）是物聯(lián)網(wǎng)的基石。在物聯(lián)網(wǎng)的感知層中，信息的獲取與數(shù)據(jù)的采集主要使用自動識別技術(shù)和傳感器技術(shù)?！啊?.1傳感器概述傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的觸角，是物聯(lián)網(wǎng)感知的主要來源。傳感器可以獨立存在，也可以與其他設備以一體方式呈現(xiàn)。在未來的物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡將在數(shù)據(jù)采集前端發(fā)揮重要的作用。傳感器是一種獲取信息的裝置，是把特定的被測信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置，也叫變換器、換能器或探測器等。國家標準GB/T7665－2005《傳感器通用術(shù)語》對傳感器的定義為：能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出。傳感器的輸出信號有多種形式，輸出信號的形式由傳感器的原理決定。通常情況下，傳感器轉(zhuǎn)換輸出的大多是電信號。因此，傳感器也可以定義為：把外界輸入的非電量轉(zhuǎn)換為電信號的一種裝置?？傊?，在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器主要負責接收物品“講話”的內(nèi)容，它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。圖3-1為各種類型的傳感器。壓力傳感器

霍爾傳感器

電壓傳感器

電流傳感器

氣敏傳感器溫濕度傳感器

振動傳感器

無線溫度傳感器

壓電加速度傳感器

光敏傳感器圖3-1各種類型的傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件電子線路傳感器傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和電子線路等部分組成。其中，敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是傳感器的核心。敏感元件是指傳感器中直接感受被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是能將敏感元件的輸出信號轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號的部分；電子線路用于將傳感器輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電能量。隨著半導體器件和集成技術(shù)在傳感器中的應用，傳感器的轉(zhuǎn)換電路可以安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件集成在一個芯片上，因此，轉(zhuǎn)換電路和輔助電源也應作為傳感器的組成部分，如圖3-2所示。圖3-2傳感器的組成在圖3-2中，敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成一定關(guān)系的其他物理量的元件；轉(zhuǎn)換元件也叫換能元件，是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成電參量的元件；轉(zhuǎn)換電路將轉(zhuǎn)換元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等電量；輔助電源為轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路提供電源。表3-1為傳感器的典型分類方法。表3-1傳感器的典型分類方法分類方法傳感器類型按工作原理分類應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等按輸出信號形式分類模擬式、數(shù)字式按作用形式分類主動型、被動型按被測物理量分類位移量、力量、運動量、熱學量、光學量、氣體量等按能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型、能量控制型表3-2為傳感器按變換原理進行分類。表3-2傳感器按變換原理進行分類變換原理傳感器類型變換電阻電位器式、壓阻式、光導式、熱電式、應變（計）式、光敏式、熱敏式變換磁阻電感式、差動變壓器式、渦流式變換電容電容式、濕敏式變換諧振頻率諧振式變換電荷壓電式變換電勢霍耳式、感應式、熱電偶式表3-3為傳感器按被測量進行分類。表3-3傳感器按被測量進行分類物理量

傳感器力學量壓力傳感器、力傳感器、力矩傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、位移傳感器、位置傳感器、尺度傳感器、密度傳感器、黏度傳感器、硬度傳感器、濁度傳感器熱學量溫度傳感器、熱流傳感器、熱導率傳感器光學量可見光傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、照度傳感器、色度傳感器、圖像傳感器、亮度傳感器磁學量磁場強度傳感器、磁通傳感器電學量電流傳感器、電壓傳感器、電場強度傳感器聲學量聲壓傳感器、噪聲傳感器、超聲波傳感器、聲表面波傳感器射線X射線傳感器化學量

傳感器離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器生理量

傳感器生物量體壓傳感器、脈搏傳感器、心音傳感器、體溫傳感器、血流傳感器、呼吸傳感器、血容量傳感器、體電圖傳感器生化量酶式傳感器、免疫血型傳感器、微生物型傳感器、血氣傳感器、血液電解質(zhì)傳感器傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。1．靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為不隨時間變化的恒定信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系，主要包括線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。123線性度是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。線性度靈敏度值越大，表示傳感器越靈敏。靈敏度傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到?。ǚ葱谐蹋┳兓陂g，其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。遲滯456重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度。重復性漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化的現(xiàn)象。漂移測量范圍是指傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍。測量范圍78量程是指傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差。量程精度是指測量結(jié)果的可靠程度。精度10穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。穩(wěn)定性9傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。當分辨力以滿量程輸出的百分數(shù)表示時則稱為分辨率。閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。分辨率和閾值2．動態(tài)特性動態(tài)特性是指檢測系統(tǒng)的輸入為隨時間變化的信號時，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的關(guān)系。傳感器主要動態(tài)特性的性能指標有時域單位階躍響應性能指標和頻域頻率特性性能指標。傳感器的輸入信號是隨時間變化的動態(tài)信號，這時就要求傳感器能時刻精確地跟蹤輸入信號，按照輸入信號的變化規(guī)律輸出信號。動態(tài)特性就是指傳感器對于隨時間變化的輸入信號的響應特性。實際傳感器輸入信號隨時間變化的形式可能是多種多樣的，最常見、最典型的輸入信號是階躍信號和正弦信號。對于階躍輸入信號，傳感器的響應稱為階躍響應或瞬態(tài)響應，是指傳感器在瞬變的非周期信號作用下的響應特性。對于正弦輸入信號，傳感器的響應稱為頻率響應或穩(wěn)態(tài)響應，是指傳感器在振幅穩(wěn)定不變的正弦信號作用下的響應特性。建立微分方程是對傳感器動態(tài)特性進行數(shù)學描述的基本方法?？蓪鞲衅髯鳛榫€性定常系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數(shù)學模型可用線性常系數(shù)微分方程來表示。能用一、二階線性微分方程來描述的傳感器分別稱為一、二階傳感器。3.2常用傳感器不同類別的傳感器，其工作原理是不同的。下面介紹幾種常用的傳感器，包括溫度傳感器、光電傳感器、氣敏傳感器、力敏傳感器、磁敏傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器、生物傳感器等。溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器利用熱敏元件的參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來達到測量溫度的目的。常見溫度傳感器如圖3-3所示。圖3-3溫度傳感器用來度量物體溫度數(shù)值的標尺叫做溫標。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分。按照敏感元件與被測介質(zhì)接觸與否，溫度傳感器可分為接觸式和非接觸式兩大類；按照傳感器材料及電子元件特性，溫度傳感器可分為熱電阻和熱電偶兩類。1．熱電阻熱電阻是利用導電物體的電阻率隨本身溫度而變化的溫度電阻效應而制成的傳感器，它是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。熱電阻主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，除鉑和銅之外，還有鎳、鐵、錳等。鉑熱電阻具有耐高溫，性能穩(wěn)定，抗氧化能力強，電阻率高，且材料易于提純等優(yōu)點，在國際實用溫標中以鉑電阻作為標準。銅熱電阻價格低廉，互換性好，固有電阻小，但高于100℃時易被氧化，所以在溫度范圍為-50℃～100℃時，可用銅做熱電阻傳感器。鎳熱電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度比鉑和銅的高，常用來測量-60℃～180℃范圍的溫度。12345標稱電阻：熱電阻在0℃時的電阻值。分度表：以表格形式來表示熱電阻的電阻－溫度表。分度號：分度表的代號，一般用熱電阻金屬材料的化學符號和0℃時的電阻值表示。熱電阻的溫度特性：熱電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系。熱響應時間：當溫度發(fā)生階躍變化時，熱電阻的電阻值變化至相當于該階躍變化的某個規(guī)定百分比所需要的時間。1）熱電阻的基本參數(shù)2）熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)接線盒電阻體絕緣子保護套管熱電阻傳感器3）熱敏電阻熱敏電阻是一種新型的測溫元件，其原理是：當熱敏材料周圍有熱輻射時，它吸收輻射熱，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。熱敏電阻按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。熱敏電阻的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。熱敏電阻具有以下幾個特性。（1）電阻－溫度特性。（2）伏安特性。（3）電流－時間特性。2．熱電偶熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器，其主要特點是寬溫度范圍和適應各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價低，無需供電。兩種不同成分的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的。在選用溫度傳感器時，應該注意以下幾個方面。01被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送。02測溫范圍的大小和精度要求。03測溫元件大小是否適當。04在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應測溫要求。05被測對象的環(huán)境條件對測溫元件是否有損害。06價格如何，使用是否方便。光電傳感器是一種將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的設備。光電傳感器的基礎是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應。圖3-4所示為常見的光電傳感器。圖3-4光電傳感器1．光電傳感器的分類根據(jù)工作原理的不同，光電傳感器可分為：光電效應傳感器固體圖像傳感器紅外熱釋電探測器光纖傳感器光電效應傳感器是應用光敏材料的光電效應制成的光敏器件。1）光電效應傳感器紅外熱釋電探測器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動勢原理制成的一類器件。2）紅外熱釋電探測器固體圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上分為兩大類：一類是用CCD（電荷耦合器件）的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成的CCD圖像傳感器；另一類是用光敏二極管與CMOS（互補金屬氧化物半導體）晶體管構(gòu)成的將光信號變成電荷或電流信號的CMOS圖像傳感器。3）固體圖像傳感器光纖傳感器利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調(diào)制后，光沿著光導纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號。4）光纖傳感器2．光電器件光電器件（即光敏元件）有:光電管光敏電阻光敏三極管光電倍增管光敏二極管光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。光電管具有光譜特性和伏安特性。1）光電管光電倍增管是進一步提高光電管靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件。管內(nèi)除光電陰極和陽極外，兩極間還放置多個瓦形倍增電極。2）光電倍增管光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應的光導材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極和半導體之間呈歐姆接觸，使用時在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓，如圖3-5所示。3）光敏電阻圖3-5光敏電阻光敏電阻的主要參數(shù)如表3-4所示。表3-4光敏電阻的主要參數(shù)參數(shù)定義暗電阻指光敏電阻置于室溫、全暗條件下，經(jīng)一段時間穩(wěn)定后測得的阻值亮電阻指光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值最高工作電壓指光敏電阻在額定功率下所允許承受的最高電壓亮電流指在無光照射時，光敏電阻在規(guī)定的外加電壓下通過的電流時間常數(shù)指光敏電阻從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時所需的時間電阻溫度系數(shù)指光敏電阻在環(huán)境溫度改變1℃時，其電阻值的相對變化靈敏度指光敏電阻在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化光敏二極管的工作原理基于內(nèi)光電效應，其結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，都有一個PN結(jié)。在結(jié)構(gòu)上為了提高轉(zhuǎn)換效率，增大受光面積，PN結(jié)面積比一般二極管大。常見光敏二極管如圖3-6所示。4）光敏二極管圖3-6光敏二極管光敏三極管與普通三極管結(jié)構(gòu)相似，不同的是，光敏三極管是將基極－集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)作為受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做得很大，以擴大光照面積。光敏三極管是一種相當于將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通三極管，比光敏二極管有更高的靈敏度。常見光敏三極管如圖3-7所示。5）光敏三極管圖3-7光敏三極管3．光纖傳感器光纖傳感器是把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。其基本原理為：光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量，如圖3-8所示。圖3-8光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖光纖傳感器的特點有：極高的靈敏度和精度、安全性好、抗電磁干擾、高絕緣強度、耐腐蝕、集傳感與傳輸于一體、能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容。01光纖傳感器的組成光纖傳感器由光源、光纖耦合器、光纖、光探測器等組成。一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應合適，以便減少光在光纖中傳輸?shù)膿p失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。（1）光源。光纖耦合器又稱分歧器、連接器、適配器、法蘭盤，是用于實現(xiàn)光信號分路/合路，或用于延長光纖鏈路的元件，屬于光被動元件領域。光纖耦合器可分標準耦合器、直連式耦合器、星狀/樹狀耦合器及波長多工器，制作方式有燒結(jié)、微光學式、光波導式三種。（2）光纖耦合器。光導纖維簡稱光纖，采用石英玻璃絲制成。光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。（3）光纖。光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便做進一步的處理。（4）光探測器。02光纖傳感器的分類光纖傳感器按照光纖在傳感器中所起的作用，可以分為兩大類：光纖傳感器功能型（傳感型）傳感器是非功能型（傳光型）傳感器1又稱全光纖傳感器，它利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào)，從而得出被測信號。功能型（傳感型）傳感器2它是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其他敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光的傳輸介質(zhì)，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。非功能型（傳光型）傳感器氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。它將氣體種類及其濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。常見氣敏傳感器如圖3-9所示。圖3-9氣敏傳感器濕式氣敏傳感器干式氣敏傳感器氣敏傳感器其中，干式氣敏傳感器包括接觸燃燒式、半導體式、固體電解質(zhì)式、紅外線吸收式和導熱率變化式；濕式氣敏傳感器包括極譜式及原電池式。其中，常見的是半導體氣敏傳感器。對于半導體氣敏傳感器，按照半導體與氣體的相互作用是在其表面還是其內(nèi)部，可以分為表面控制型和體控制型兩種；按照半導體變化的物理性質(zhì)，分為電阻型和非電阻型兩種。氣敏元件的種類如表3-5所示。表3-5氣敏元件種類名稱檢測原理、現(xiàn)象具有代表性的氣敏元件及材料檢測氣體半導體氣敏元件電阻表面控制型有機半導體、金屬可燃性氣體體控制型Fe2O3可燃性氣體二極管整流作用TiO2H2FET型氣敏元件二極管柵極MOSFETNH3靜電電容MOSFETH2O固體電解質(zhì)氣敏元件電池、電動勢K2SO4鹵素混合電位有機電解質(zhì)CO電解電流CaOO2電流Sb2O3H2接觸燃燒式氣敏元件燃燒熱（電阻）Pt可燃性氣體力敏傳感器是將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的器件，是用來檢測氣體、固體、液體等物質(zhì)間相互作用力的傳感器，它主要用于測力和稱重兩個方面。常見力敏傳感器如圖3-10所示。圖3-10力敏傳感器1．力敏傳感器的分類力敏傳感器的種類很多，有經(jīng)彈性敏感元件轉(zhuǎn)換后再轉(zhuǎn)換成電量的；有直接將力變換為電量的。將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應的測量電路而最后顯示被測量值的變化，如圖3-11所示。電阻式傳感器圖3-11電阻式利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)化為電容量，進而實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化的器件，如圖3-12所示。電容式傳感器圖3-12電容式利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力等，如圖3-13所示。電感式傳感器圖3-13電感式一種有源的雙向機電傳感器，其工作原理是基于壓電材料的壓電效應，如圖3-14所示。壓電式傳感器圖3-14壓電式根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件，如圖3-15所示。壓阻式傳感器圖3-15壓阻式2．彈性敏感元件彈性敏感元件（力敏元件）是一個非常重要的傳感器部件，它把力或壓力轉(zhuǎn)換成應變或位移，然后再由傳感器將應變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件應具有良好的彈性、足夠的精度、應保證長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。（1）剛度。（3）彈性滯后。（5）固有振蕩頻率。（2）靈敏度。（4）彈性后效。圖3-16磁敏傳感器磁敏傳感器是通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。常見磁敏傳感器如圖3-16所示。1．磁敏元件在傳統(tǒng)的磁檢測中，首先被采用的敏感元件是電感線圈，其特點是無須在線圈中通電，一般僅對運動中的永磁體或電流載體起敏感作用。后來發(fā)展為用線圈組成振蕩槽路。2．霍爾傳感器霍爾傳感器是依據(jù)霍爾效應制成的器件?；魻栃侵竿姷妮d體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，載流子受到洛倫茲力的作用，并有向兩邊聚集的傾向。3．磁阻傳感器磁阻傳感器采用的半導體材料與霍爾傳感器大體相同。但這種傳感器對磁場的作用機理不同，傳感器內(nèi)載流子運動方向與被檢磁場在一平面內(nèi)。磁阻傳感器由于工作機理不同于霍爾傳感器，因而供電也不同，而是采用恒壓源供電。圖3-17超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。常見超聲波傳感器如圖3-17所示。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，是由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。1．超聲波傳感器的種類超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可發(fā)射超聲波，也可接收超聲波。小功率超聲波探頭多作探測用，可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、聚焦探頭、沖水探頭、水浸探頭、高溫探頭、空氣傳導探頭及其他專用探頭等。2．超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對被檢測物進行非接觸式無磨損的檢測。超聲波探頭與被測物體接觸時，探頭與被測物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個界面間強烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。3．超聲波傳感器的主要性能指標（1）工作頻率（2）工作溫度（3）靈敏度4．超聲波傳感器的應用超聲波傳感技術(shù)在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病。在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。圖3-18激光傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，如圖3-18所示。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器工作時，先由激光發(fā)射二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。圖3-19生物傳感器生物傳感器通過將待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入生物活性材料，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物學反應，產(chǎn)生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度，如圖3-19所示。3.3傳感器的典型應用據(jù)報道，美國研究人員開發(fā)出一種類似皮膚貼紙的柔性傳感器，可監(jiān)測心率和識別語音，如圖3-20所示。該器件的潛在應用包括診斷病情、操縱機器人，以及在沒有手柄的情況下玩電腦游戲等。圖3-20貼紙柔性傳感器3.4無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡進行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡進行傳輸匯總，以實現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進行相應的分析和處理。無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量低成本的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一種多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡融合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸3種功能。傳感器、感知對象和觀察者是無線傳感器網(wǎng)絡的三要素。1．體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)如圖3-21所示，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點和監(jiān)測區(qū)域。圖3-21無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)在無線傳感器網(wǎng)絡中，大量傳感器節(jié)點隨機或有規(guī)律地部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，通過無線多跳自組織方式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價格和電源供給等因素的限制，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通常由小容量電池供電，只與自