《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用》課件第2章-全面感知基礎(chǔ)技術(shù)修改0220

2.1傳感器技術(shù)2.1.1傳感器的定義和分類2.1.2傳感器的基本特性2.1.3傳感器信號變換電路2.1.4典型傳感器及其應(yīng)用2.2RFID技術(shù)2.2.1RFID基本原理及類型2.2.2RFID射頻天線分析與設(shè)計(jì)2.2.3RFID遵循的通信編碼規(guī)則2.2.4四種RFID技術(shù)2.3其他感知技術(shù)2.3.1條形碼2.3.2二維碼2.3.3紅外感知技術(shù)2.1傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)作為一種有效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)感知層中扮演了重要角色。人類已進(jìn)入了科學(xué)技術(shù)空前發(fā)展的信息社會。在這個(gè)瞬息萬變的信息社會里，傳感器為人類敏感地檢測出形形色色的有用信息，充當(dāng)著電子計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、自動(dòng)控制裝置的“感覺器官”。2.1.1傳感器的定義和分類（1）傳感器的定義傳感器（Sensor或Transducer）是一種裝置或器件。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87給傳感器的定義是：“能夠感受規(guī)定的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。（2）傳感器的組成敏感元件：將不能直接轉(zhuǎn)化為電量的非電量轉(zhuǎn)化為可以直接轉(zhuǎn)化為電量的非電量的器件。（感受并拾取被測對象的信號）變換器：將可以直接轉(zhuǎn)化為電量的非電量變換為電量的器件。（被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的的電信號）（3）傳感器的分類按輸入被測量分類：基本被測量派生的被測量基本被測量派生的被測量熱工量溫度、熱量、比熱、壓力、壓差、流量、流速、風(fēng)速、真空度物理化學(xué)量氣體（液體）化學(xué)成分、濃度、鹽度、粘度、濕度、密度、比重機(jī)械量位移、尺度、形狀、力、應(yīng)力、力矩、振動(dòng)、加速度、噪聲生物醫(yī)學(xué)量心音、血壓、體溫、氣流量、心電流、眼壓、腦電波）按工作原理分類：工作原理傳感器舉例變電阻變磁阻變電容變諧振頻率變電荷變電勢電位器式、應(yīng)變式、壓阻式傳感器電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式傳感器電容式、溫敏式傳感器振動(dòng)膜（筒、弦、梁）式傳感器壓電式傳感器霍爾式、熱電偶式傳感器按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系：能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測對象提供能量如熱電偶溫度傳感器、壓電式加速度傳感器能量輸入型：外部提供能量，由被測量控制外部供給能量的變化如電阻應(yīng)變片按信號變換特征分類：物性型：依靠敏感元件材料本身特性的變化實(shí)現(xiàn)信號變換如水銀溫度計(jì)結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變?nèi)珉娙菔胶碗姼惺絺鞲衅靼摧敵鲂盘柗诸悾海?）常用的敏感元件及其傳感器

力敏傳感器和力敏元件傳統(tǒng)的測量方法是利用彈性材料的形變和位移來表示。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)（即對其某一方向施加壓力，其電阻率就發(fā)生變化）和良好的彈性，研制出的力敏傳感器，廣泛用于壓力、加速度等物理力學(xué)量的測量。壓阻效應(yīng)溫度傳感器及熱敏元件溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件是利用某些物體的物理性質(zhì)隨溫度變化而發(fā)生變化的敏感材料制成。光傳感器及光敏元件光傳感器主要由光敏元件組成。目前光敏元件發(fā)展迅速、品種繁多、應(yīng)用廣泛。市場出售的有光敏電阻器、光電二極管、光電三極管、光電耦合器和光電池等。（1）光敏電阻器

光敏電阻器由能透光的半導(dǎo)體光電晶體構(gòu)成。（2）光電二極管光電二極管（Photo-Diode）和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但在電路中它不是作整流元件，而是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的光電傳感器件。

光電三極管可以視為一個(gè)光電二極管和一個(gè)三極管的組合元件，由于具有放大功能，所以其暗電流、光電流和光電靈敏度比光電二極管要高得多，但結(jié)構(gòu)原因使結(jié)電容加大，響應(yīng)特性變壞。廣泛應(yīng)用于低頻的光電控制電路。

氣敏傳感器及氣敏元件常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。目前國產(chǎn)的氣敏元件有2種。一種是直熱式，加熱絲和測量電極一同燒結(jié)在金屬氧化物半導(dǎo)體管芯內(nèi)；旁熱式氣敏元件以陶瓷管為基底，管內(nèi)穿加熱絲，管外側(cè)有兩個(gè)測量極，測量極之間為金屬氧化物氣敏材料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。磁敏元件

磁敏元件指特性參數(shù)隨外界磁性量變化而明顯變化的敏感元件。目前磁敏元件有霍爾器件、磁阻器件、磁敏二極管和三極管等。以磁敏元件為基礎(chǔ)的磁敏傳感器在一些電、磁學(xué)量和力學(xué)量的測量中廣泛應(yīng)用。

2.1.2傳感器的基本特性靜態(tài)特性：當(dāng)被測量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)輸入量和輸出量的關(guān)系。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有：線性度、重復(fù)性、靈敏度、遲滯、漂移、測量范圍、量程、精度、分辨率和閾值、穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)被測量隨時(shí)間不斷變化時(shí)輸入量和輸出量的關(guān)系。衡量傳感器動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)有：時(shí)域性能指標(biāo)和頻域性能指標(biāo)。1.靜態(tài)特性（1）線性度（linearity）

線性度指傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。傳感器輸出線性化技術(shù)：在標(biāo)定過程中，我們由小到大再由大到小給予與傳感器各種輸入值，同時(shí)記錄傳感器的輸出值，這樣就得到一系列以輸入值為自變量輸出值為因變量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。它們反映了輸入與輸出之間的函數(shù)關(guān)系，稱為實(shí)際工作曲線，然后用某種方法作一條似合直線法逼近這些數(shù)據(jù)點(diǎn)。這條擬合直線即為工作直線。線性化的過程就是做出工作直線的過程。線性化方法有端點(diǎn)線性，獨(dú)立線性，最小二乘線性三種方法。

一般并不要求擬合直線必須通過所有的測試點(diǎn)，而只要找到一條能反映校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的趨勢同時(shí)又使誤差絕對值為最小的直線就行。由于采用的擬合直線即理論直線不同，線性度的結(jié)果就有差異。因此，即使在同一條件下對同一傳感器作校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，得出的非線性誤差也就不一樣，因而在給出線性度時(shí)，必須說明其所依據(jù)的擬合直線。

端點(diǎn)連線

獨(dú)立線性直線最小二乘擬合這種方法按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。如圖所示，若用y=kx+b表示最小二乘擬合直線，式中的系數(shù)b和k可根據(jù)下述分析求得：它是以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線。其方程式為：y=kx+b，式中b和k分別為截距和斜率。這種方法方便、直觀，但最大絕對偏差（ΔyL）max也很大。這種方法是作兩條與端點(diǎn)直線平行的直線，使之恰好包圍所有的標(biāo)定點(diǎn)，然后在這一平行線之間作一條正負(fù)等距離的直線，并使實(shí)際輸出特性相對于所選擬合直線的最大偏差等于最大負(fù)偏差。通常情況下，只能用圖解法或通過計(jì)算機(jī)解算來獲得。設(shè)實(shí)際校準(zhǔn)測試點(diǎn)有n個(gè)，則第i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)yi與擬合直線上相應(yīng)值之間的殘差為： Δi=yi-(b+kxi)按最小二乘法原理，應(yīng)使最小。故由，分別對k和b求一階偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零，即可求得k和b：

式中：習(xí)題：用最小二乘法按下列8組數(shù)據(jù)擬合直線xi12345678yi44.5688.5121432（2）靈敏度（sensitivity）靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)。其定義為輸出量的增量Δy與引起該增量的相應(yīng)輸入量增量Δx之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。例如：某位移傳感器在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化有300mV，則其靈敏度為300mV／mm。（3）遲滯（hysteresis）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。也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個(gè)差值稱為遲滯差值。

遲滯是傳感器的一個(gè)性能指標(biāo)，它反映了傳感器的機(jī)械部分和結(jié)構(gòu)材料方面不可避免的弱點(diǎn)，如軸承摩擦、灰塵積塞、間隙不適當(dāng)，元件磨蝕、碎裂等。遲滯的大小一般由實(shí)驗(yàn)確定： 式中：（ΔyH）max—輸出值在正、反行程間的最大差值；YF.S.—理論滿量程輸出值。

（4）重復(fù)性（repeatability）重復(fù)性表示傳感器在同一工作條件下，被測輸入量按同一方向做全程連續(xù)多次重復(fù)測量時(shí)，所得輸出值（所得校準(zhǔn)曲線）的一致程度。它是反映傳感器精密度的一個(gè)指標(biāo)。（5）測量范圍（measuringrange）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稱為傳感器的測量范圍。（6）量程（span）傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。

（7）漂移（drift）

傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時(shí)間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境（如溫度、濕度等）。最常見的漂移是溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化而引起輸出量的變化，溫度漂移主要表現(xiàn)為溫度零點(diǎn)漂移和溫度靈敏度漂移。

溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（一般為20℃）時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比。（8）精度（accuracy）

傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映，測量誤差越小，傳感器的精度越高。一般用方和根法或代數(shù)和法計(jì)算精度。用線性度、重復(fù)性、遲滯三項(xiàng)的方和根或簡單代數(shù)和表示（但方和根用得較多）的精度計(jì)算式如下：或ξ=ξL+ξR+ξH

傳感器的精度用其量程范圍內(nèi)的最大基本誤差與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示，其基本誤差是傳感器在規(guī)定的正常工作條件下所具有的測量誤差，由系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分組成。例如，某溫度傳感器的刻度為0～100℃，即其測量范圍為100℃。若在這個(gè)測量范圍內(nèi)，最大測量誤差不超過0.5℃，則其相對百分誤差為： δ=0.5/100=0.5%工程技術(shù)中為簡化傳感器精度的表示方法，引用了精度等級的概念。精度等級以一系列標(biāo)準(zhǔn)百分比數(shù)值分檔表示，代表傳感器測量的最大允許誤差。去掉上式中相對百分誤差的“%”，稱為儀表的精確度。它劃分成若干等級，如0.1級、0.2級、0.5級、1.0級等等。例中的溫度傳感器的精度即為0.5級。如果傳感器的工作條件偏離正常工作條件，還會帶來附加誤差，溫度附加誤差就是最主要的附加誤差。（9）分辨率和閾值（resolutionandthreshold）傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。對于某些傳感器，如電位器式傳感器，當(dāng)輸入量連續(xù)變化時(shí)，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個(gè)”階梯”所代表的輸入量的大小。對于數(shù)字式儀表，分辨力就是儀表指示值的最后一位數(shù)字所代表的值。當(dāng)被測量的變化量小于分辨力時(shí)，數(shù)字式儀表的最后一位數(shù)不變，仍指示原值。當(dāng)分辨力以滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示時(shí)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(diǎn)附近的分辨力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂”死區(qū)”（deadband），則將死區(qū)的大小作為閾值；更多情況下，閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。（10）穩(wěn)定性（stability）穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是不論什么時(shí)候，傳感器的特性參數(shù)都不隨時(shí)間變化。但實(shí)際上，隨著時(shí)間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會發(fā)生改變。這是因?yàn)槊舾性驑?gòu)成傳感器的部件，其特性會隨時(shí)間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一規(guī)定時(shí)間間隔后，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示，稱為穩(wěn)定性誤差。穩(wěn)定性誤差可用相對誤差表示，也可用絕對誤差來表示。2.動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當(dāng)被測量隨時(shí)間變化，是時(shí)間的函數(shù)時(shí)，則傳感器的輸出量也是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)特性來表示。一個(gè)動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時(shí)間函數(shù)。實(shí)際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。傳感器的輸入量隨時(shí)間變化的規(guī)律是各種各樣的，下面在對傳感器動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，采用最典型、最簡單、易實(shí)現(xiàn)的正弦信號和階躍信號作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號。對于正弦輸入信號，傳感器的響應(yīng)稱為頻率響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)；以于階躍輸入信號，則稱為傳感器的階躍響應(yīng)或瞬態(tài)響應(yīng)。

傳感器的動(dòng)態(tài)特性

描述傳感器對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性

傳感器簡化模型

傳感器

輸入x(t)輸出y(t)

傳感器傳感器的數(shù)學(xué)模型

常系數(shù)線性傳感器微分方程：

注意:傳感器階數(shù)的概念36

傳感器常見的動(dòng)態(tài)輸入：

脈沖輸入正弦輸入階躍輸入任意輸入37

傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的主要指標(biāo)

脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)傳遞函數(shù)H(S)頻率響應(yīng)函數(shù)H（jω）階躍響應(yīng)函數(shù)ｇ(t)對任意輸入的響應(yīng)函數(shù)y（t）38

脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)

傳感器

δ(t)

h(t)傳感器固頻、阻尼參數(shù)若傳感器的輸入x（t）=δ(t)，則y(t)=h(t)在時(shí)域中描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性39階躍響應(yīng)函數(shù)ｇ(t)

若傳感器輸入信號x(t)=u(t)單位階躍信號，則y(t)=ｇ(t)ｕ（t）=1（t）≥00其他傳感器時(shí)域波形參數(shù)識別在時(shí)域中描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性40

對任意輸入的響應(yīng)y（t）:

y（t）=x（t）*h（t）

傳遞函數(shù):

頻率響應(yīng)函數(shù):

在頻域中描述傳感器動(dòng)態(tài)特性在復(fù)頻率域中描述傳感器動(dòng)態(tài)特性41

幅頻特性

A（jω）=|H(jω)|=[(ReH(jω))2+(ImH(jω)2）]1/2A（jω）：輸入信號頻率變化時(shí)，輸出信號幅值與輸入信號幅值之比（動(dòng)態(tài)靈敏度）。

相頻特性

Φ（jω）=arctan[ImH(jω)/ReH(jω)]

Φ（jω）：傳感器輸出信號相位與輸入信號頻率的關(guān)系42

H(S)與H(jω)●H(jω)

反映傳感器在正弦型信號激勵(lì)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。H(S)反映傳感器在正弦型信號激勵(lì)下的瞬態(tài)加穩(wěn)態(tài)響應(yīng)?！?/p>

可認(rèn)為

H(jω)是H(S)的特例?！駛鞲衅鞫嘤肏(jω)來描述。43零、一、二階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（頻響和階躍響應(yīng)）

零階傳感器

微分方程：a0y(t)=b0x(t)

K——靜態(tài)靈敏度

零階傳感器無論輸入隨時(shí)間怎樣變化，其輸出總與輸入成確定比例關(guān)系，在時(shí)間上不滯后，幅角等于零

。動(dòng)態(tài)特性理想。實(shí)際應(yīng)用中，許多高階傳感器在輸入變化緩慢、頻率不高時(shí)，都可近似地以零階處理。44零階傳感器的頻響特性和階躍響應(yīng)A（

ω

）Kω0K0tg（

t）ω0

●

一階傳感器（熱電偶、液注式溫度計(jì)等）微分方程：a1(dy/dt)+a0y(t)=b0x(t)τ—時(shí)間常數(shù)(τ=a1/a0)；K——靜態(tài)靈敏度(K=b0/a0)傳遞函數(shù)：：頻率響應(yīng)函數(shù)：：

幅頻特性：相頻特性：負(fù)號表示相位滯后時(shí)間常數(shù)τ越小，系統(tǒng)的頻率特性越好一階傳感器的幅頻特性與相頻特性直觀反映了傳感器對不同頻率成分輸入信號的響應(yīng)。一階傳感器的伯德圖48

幅頻特性與相頻特性分析幅頻特性：當(dāng)ω=時(shí)，A（ω）=0.707（-3dB）時(shí)間常數(shù)τ越小，傳感器的頻率特性越好過渡帶衰減速率-20dB/10oct49一階傳感器的幅頻特性與相頻特性

一階傳感器的奈奎斯特圖50（3）階躍響應(yīng)將u(t)=1代入微分方程，解之：tu(t)01齊次方程通解：非齊次方程特解：g2(t)=1(t>0)方程解：g(t）01初始條件y(0)=0代入上式，得t=0時(shí)，C1=-1,則

隨著時(shí)間推移，y接近于1，是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù)。51

二階傳感器（CD式、壓電式傳感器等）加速度計(jì)

CD式測速傳感器YD式測速傳感器52

二階傳感器（CD式、壓電式傳感器等）加速度F稱重傳感器53

二階傳感器（CD式、壓電式傳感器等）壓電晶片54二階傳感器微分方程：τ—時(shí)間常數(shù)ω0—固有角頻率,ω0=2π/τξ—阻尼比K—靜態(tài)靈敏度，K=b0/a0（1）傳遞函數(shù)55幅頻特性相頻特性（2）頻率響應(yīng)函數(shù)56

ξ=0.707時(shí)，A(ω)平直段最長且此曲線當(dāng)相位滯后與頻率近似成線性。

當(dāng)ξ≥0.707時(shí)，不再出現(xiàn)諧振

A(ω)隨ω/ω0增大而單調(diào)下降，過渡帶衰減速率-40dB/10倍頻程ξ=0.7、≤0．58時(shí)，：變化小于5%，：接近于過坐標(biāo)原點(diǎn)的斜線。

≤1時(shí)，當(dāng)ξ→0時(shí)，在ω/ω0=1處A(ω)→∞，諧振，嚴(yán)重失真；隨著ξ的增大，諧振現(xiàn)象逐漸不明顯。

二階傳感器對不同頻率輸入信號的響應(yīng)57二階傳感器對不同頻率輸入信號的響應(yīng)ω/ω0<<1時(shí)，A（ω）→1，測量動(dòng)態(tài)參數(shù)與靜態(tài)特性是一致的。一般地，ω/ω0>>1時(shí)，A（ω）→0，傳感器無響應(yīng)。一般地，二階傳感器A（ω）工作段：

ξ=0.6——0.7；ω/ω0≤0.5——0.658（3）階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng)：根據(jù)阻尼比的大小不同，分為三種情況：1）0＜ξ＜1(欠阻尼)：

59欠阻尼傳感器階躍響應(yīng)曲線為一衰減振蕩過程,ξ越小,振蕩頻率越高,衰減越慢。tw0.021ttmδmξ<1的二階傳感器過渡過程從階躍輸入開始到傳感器穩(wěn)定到穩(wěn)定值的給定百分比時(shí)(如圖允許相對誤差γy=2%)所需的時(shí)間。上述2個(gè)指標(biāo)均反映傳感器的響應(yīng)速度峰值時(shí)間：過沖量：tW=4τ/ξ穩(wěn)定時(shí)間：●●●60●●2)ξ=1(臨界阻尼)：613）ξ>1（過阻尼）：2)ξ=1(臨界阻尼)：

上兩式表明，ξ≥1時(shí)，傳感器階躍響應(yīng)不再振蕩，而是由兩個(gè)一階阻尼環(huán)節(jié)組成，臨界阻尼時(shí)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)相同，過阻尼時(shí)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)不同。

零階傳感器——

輸入無論隨時(shí)間怎樣變化，其輸出總與輸入成確定比例關(guān)系，在時(shí)間上不滯后，幅角等于零

。動(dòng)態(tài)特性理想。一階傳感器——時(shí)間常數(shù)τ越小，傳感器的頻率特性越好。幅頻特性過渡帶衰減速率-20dB/10oct。對階躍信號響應(yīng)：初值為0，隨時(shí)間推移y接近于1，當(dāng)t=τ時(shí)，g=0.63。時(shí)間常數(shù)τ值決定傳感器的響應(yīng)速度。各階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)總結(jié)63

二階傳感器，兼顧過沖量δm、穩(wěn)定時(shí)間tω的要求，在ξ＝0.6～0.7，可獲得較合適的綜合特性。

幅頻特性過渡帶衰減速率-40dB/10oct。當(dāng)ξ=0.6～0.7、ω/ω0＝0～0.58，相頻特性φ(ω)近似線性關(guān)系，失真<5％。高階傳感器，一般難于寫出運(yùn)動(dòng)方程，可用實(shí)驗(yàn)法，輸入不同頻率的周期信號與階躍信號，測定其幅頻、相頻和階躍特性等。各階傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)總結(jié)64

時(shí)域條件：上式兩端分別作FT，整理得

：幅頻特性相頻特性●

傳感器不失真轉(zhuǎn)換信號的條件：

傳感器

輸入x(t)輸出y(t)頻域條件：65

●

傳感器不失真測量信號的條件

幅頻特性水平相頻特性線性2.1.3傳感器信號變換電路信號變換電路：將被測物理量通過信號檢測傳感器后轉(zhuǎn)換的電參數(shù)或電量（電阻、電感、電容、電荷、頻率等）進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓或電流。分類：電橋、電流-電壓變換器、電壓-電流變換器、交流電壓-直流電壓變換器、交流電流-直流電壓變換器、電阻-電壓變換器、等1.電橋（1）概念：電橋是將電阻、電感、電容等參數(shù)的變化變換為電壓或電流輸出的一種測量電路。（2）優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、測量范圍寬、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)?。按激?lì)電壓的性質(zhì)直流電橋交流電橋按輸出方式不平衡橋式電路平衡橋式電路直流電橋（1）直流橋的基本形式

平衡條件要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足單臂電橋R1為工作應(yīng)變片，其他為固定電阻輸出電壓：雙臂電橋（半橋）相鄰的兩個(gè)電阻為應(yīng)變片，其它兩個(gè)為固定電阻輸出電壓：四臂電橋（全橋）四個(gè)臂全為工作應(yīng)變片輸出電壓：交流電橋交流電橋的基本形式平衡條件：平衡條件可以寫成：使其實(shí)部、虛部相等，則有：18五月20242.電流-電壓（I-U）變換器最簡單的電流-電壓變換電路如圖所示。顯然Uo=IiR，因此，Uo與電流Ii成正比。最簡單的電流-電壓變換電路18五月2024簡單電流-電壓變換器電路一個(gè)簡單的方案如圖所示。它能提供正比于輸入電流的輸出電壓，比例常數(shù)就是反饋電阻R，即：Uo=-IiR理想運(yùn)算放大器輸入電阻為∞輸出電阻為零R僅受運(yùn)放的輸出電壓范圍和輸入電流限制18五月2024（1）一種大電流-電壓變換器電路如圖所示。電路利用小阻值的取樣電阻Rs把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉?，再用差?dòng)放大器進(jìn)行放大。輸入電流在0.1～1A范圍內(nèi)，變換精度為±0.5%。大電流-電壓變換器電路18五月2024根據(jù)該電路的結(jié)構(gòu)，只要選R1=R2=RF，R3=R4=R5=R6=Rf，則差動(dòng)放大倍數(shù)為：18五月2024（2）一種微電流-電壓變換器電路如圖所示。作用：輸入5pA電流，輸出5V電壓輸入級CH3130本身輸入阻抗極高，加上因同相輸入端和反相輸入端均處于零電位，進(jìn)一步減小了漏電流。如果對輸入端接線工藝處理得好，其漏電流可以小于1pA。

微電流-電壓變換器電路18五月2024

第二極CH3140接成100倍反相放大器。根據(jù)輸入電流的極性，一方面產(chǎn)生反相的電壓輸出，一方面提供負(fù)反饋，保證有穩(wěn)定的變換系數(shù)。18五月2024

負(fù)載浮動(dòng)的U-I變換器

調(diào)節(jié)Rw就可以改變輸入電壓與輸出電流之間的變換系數(shù)。通常所用的運(yùn)算放大器其輸出最大電流約為20mA負(fù)載浮動(dòng)的U-I變換器電路3.電壓-電流（U-I）變換器輸出電流與輸入電壓的關(guān)系為：18五月2024

一種改進(jìn)的U-I變換器電路

為了降低運(yùn)算放大器功耗，擴(kuò)大輸出電流，在運(yùn)算放大器的輸出端可加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路，如圖所示。該電路的輸入為0～1V，輸出為0～10mA。

改進(jìn)：18五月2024

負(fù)載接地的U-I變換器電路與浮動(dòng)負(fù)載U-I變換器異同：--相同點(diǎn)：工作原理相似--不同點(diǎn)：電流采樣電阻R7是浮動(dòng)的，而負(fù)載RL則有一端接地，所以需要兩個(gè)反饋電阻R3和R4。當(dāng)R1=R2，R3=R4+R7時(shí)，輸出電流為：負(fù)載接地的U-I變換器

18五月2024

式中Um是被測交流電壓的峰值。4.交流電壓-直流電壓（u-U）變換器（AC-DC變換）交流電流-直流電壓（i-U）變換器如圖是使用二極管的整流電路，利用半波整流把交流電變成直流電。直流輸出電壓Uo可用下式表示：簡單整流電路18五月2024

硅二極管的正向伏安特性曲線

從圖所示硅二極管的正向伏安特性可以看出，用硅二極管進(jìn)行半波整流時(shí)，如果Um＜0.5V，則輸出電壓Uo≈0。顯然，該電路不能把峰值在0.5V以下的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。18五月2024（b）修正后的硅二極管正向伏安特性曲線

采用圖(a)所示的由運(yùn)算放大器構(gòu)成的線性整流電路。Um與Uo呈線性關(guān)系，如圖(b)所示。（a）使用運(yùn)算放大器的整流電路18五月2024實(shí)用交流電壓-直流電壓變換電路如圖所示就是一種實(shí)用的電路。

該電路是由半波整流電路和平均值-有效值轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的線性變換電路?？紤]到下級是反相放大器，圖中V2的輸出即R5的輸入是負(fù)半周整流波形。20μF電容起平滑作用，使輸出得到直流。與R7相串的電位器Rw用來調(diào)整，可使平均值等于有效值。輸出端將得到與交流電壓的有效值相等的直流電壓輸出。18五月2024

i-U變換器方框圖

i-U變換即把交流電流變換成直流電壓，可按照圖所示的方框圖進(jìn)行。18五月2024把電阻值變換成直流電壓的一種電路如圖所示。Ux與電阻Rx有如下關(guān)系：圖11.14電阻分壓式R-U變換電路5.電阻-電壓（R-U或Ω-U）變換器

電源電壓Es和分壓電阻Rs均為定值，電阻Rx就可變換成直流電壓Ux。但是Ux與Rx呈非線性關(guān)系，實(shí)際中很少采用。18五月2024

使用運(yùn)算放大器的R-U變換電路該電路為反相比例放大器，其輸出電壓Uo為：

Es和Rs均為定值，于是電阻Rx就可轉(zhuǎn)換成直流電壓Uo，且Uo與Rx成正比關(guān)系。但是，連接Rx的a、b兩端均對地浮置，易受干擾，這是該電路的缺點(diǎn)。（1）使用運(yùn)算放大器的R-U變換電路18五月2024

因?yàn)闊o論Rx的阻值如何變化，流過Rx的電流Is恒定，于是有：

Ux與Rx成正比，且圖中b端可以接地。使用恒流源的R-U變換電路（2）使用恒流源進(jìn)行R-U變換18五月2024用運(yùn)算放大器作恒流源的變換電路如圖所示就是利用運(yùn)算放大器作恒流源的一個(gè)例子。2.1.4典型傳感器及其應(yīng)用1.電阻應(yīng)變式傳感器（1）組成：主要由彈性敏感元件或試件、電阻應(yīng)變片和測量轉(zhuǎn)換電路組成。（2）應(yīng)用：通常用來測量應(yīng)變片以外的物理量，如力、扭矩、加速度、位移、形變和壓力。（3）應(yīng)變效應(yīng)：

a.導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。R=ρL/A

b.電阻絲應(yīng)變片特點(diǎn)：精度高，測量范圍大，但靈敏度低。（4）測量轉(zhuǎn)化電路：最常用的是橋式電路。2.熱電阻傳感器（1）熱電阻：利用電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。熱電阻常用材料：鉑（系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易，適用范圍為-200℃～+960℃）、銅（價(jià)廉、線性好，但溫度高時(shí)易氧化，適用于-50℃～+150℃）。（2）熱敏電阻：主要由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）特性組成。（3）熱電阻傳感器的應(yīng)用a.金屬熱電阻傳感器b.半導(dǎo)體熱電阻傳感器

3.氣敏、濕敏電阻傳感器（1）氣敏電阻傳感器：是一種能把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號的傳感器，此傳感器元件是氣敏電阻。如CO報(bào)警器，煤氣報(bào)警器。a.氣敏電阻氣敏電阻一般用SnO2、ZnO2或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量催化劑及添加劑，按一定比例繞結(jié)而成（2）濕敏電阻傳感器：在現(xiàn)代科研、生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來越廣。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌的培養(yǎng)、水果保鮮等都要對濕度進(jìn)行檢測和控制。

4.電感式傳感器

電感式傳感器是利用線圈的自感、互感或阻抗的變化來實(shí)現(xiàn)非電量的檢測的一種裝置。（1）電感式傳感器特點(diǎn)和應(yīng)用：結(jié)構(gòu)簡單，分辨率好，測量精度高，主要用來測量位移、壓力和振動(dòng)等參數(shù)。（2）電感式傳感器的分類：電感式傳感器，差分變壓器式傳感器，電渦流式傳感器。5.電容式傳感器電容式傳感器是以各種類型的電容作為敏感元件，通過電容敏感元件將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化，再經(jīng)過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率。（1）電容式傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用：結(jié)構(gòu)簡單靈敏度高，動(dòng)態(tài)特性好等。常運(yùn)用于測厚、測角、測液位、測壓力等。（2）基本工作原理

A：極板面積d：極板間距離

ε：電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)（3）電容式傳感器的分類：變面積式和變介電常數(shù)式組成。6.發(fā)電傳感器（1）基本原理：把被測量的變化轉(zhuǎn)換為電壓量或電流量的變化，然后通過對此信號放大處理并把此信號檢測出來，從而達(dá)到測量被測量的目的。（2）分類：熱電偶傳感器、霍爾式傳感器、壓電式傳感器和光電池4種類型。7.熱電偶傳感器

（1）基本原理：將溫度轉(zhuǎn)化成電動(dòng)勢的一種測溫傳感器，具有精度高、測溫范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便和可遠(yuǎn)距離測量等優(yōu)點(diǎn)。在輕工、冶金、機(jī)械及化工等工業(yè)領(lǐng)域中廣泛用于溫度的測量、調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制等方面。（2）熱電勢效應(yīng)

a.熱電效應(yīng)的本質(zhì)：熱電偶本身吸收了外部的熱能，在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為電能的一種物理現(xiàn)象。b.熱電偶熱電動(dòng)勢的組成：主要有兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢和單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢組成。

①接觸電動(dòng)勢（珀?duì)栙N電動(dòng)勢）

②

溫差電動(dòng)勢（湯姆遜電動(dòng)勢）

c.熱電偶回路的主要性質(zhì)：①中間導(dǎo)體定律：

②中間溫度定律：熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢，等于熱電偶在接點(diǎn)溫度為T1、T2和T2、T3時(shí)的熱電動(dòng)勢總和。③標(biāo)準(zhǔn)電極定律當(dāng)工作端和自由端溫度為T和T0時(shí)，用導(dǎo)體A、B組成熱電偶的熱電動(dòng)勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢之代數(shù)和。（2）熱電偶的結(jié)構(gòu)a.熱電極：熱電偶常以熱電極材料種類來定名。如鉑銠-鉑熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶。b.絕緣套管（絕緣子）：用來防止兩根熱電極短路，其材料的選用視使用的溫度范圍和對絕緣性能的要求而定。c.保護(hù)套管：其作用是使熱電極與測溫介質(zhì)隔離，使之免受化學(xué)侵蝕或機(jī)械損傷。d.接線盒：連接熱電偶和測量儀表之用。（1）霍爾效應(yīng)：當(dāng)有電流I通過時(shí)，運(yùn)動(dòng)電子受洛侖磁力的作用而偏向一側(cè)，使該測形成電子的積累，與它對立的側(cè)面由于電子濃度下降，出現(xiàn)了正電荷。這樣，在兩側(cè)面間就形成了一個(gè)電場。運(yùn)動(dòng)電子在受洛侖磁力的同時(shí)，又受電場力的作用，最后當(dāng)這兩力作用相等時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)兩側(cè)之間建立電場，稱霍爾電場，相應(yīng)的電壓稱霍爾電壓，上述這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。8.霍爾式傳感器（2）霍爾元件的材料：鍺、銻化銦、砷化銦。（3）霍爾元件結(jié)構(gòu)：是一種半導(dǎo)體四端薄片，由霍爾片、引線和殼體組成。（4）霍爾式傳感器的特點(diǎn)：靈敏度高、體積小、重量輕、無觸點(diǎn)、頻響寬、動(dòng)態(tài)特性好、高可靠、等優(yōu)點(diǎn)。（5）霍爾式傳感器的應(yīng)用類型：

a.利用霍爾電勢正比于磁感強(qiáng)度的特性來測量磁場及與之有關(guān)的電量和非電量。如磁場計(jì)、電流計(jì)、角度計(jì)等。

b.利用霍爾電勢正比于激勵(lì)電流的特性可制作回轉(zhuǎn)器和電流控制裝置等。

c.利用霍爾電勢正比于激勵(lì)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積的規(guī)律制成乘算器、除算器、乘方器、開方器和功率計(jì)等。9.壓電式傳感器

（1）壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或稱為電致伸縮效應(yīng)。壓電傳感器利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。（2）壓電材料：壓電晶體（例如石英晶體、酒石酸鉀鈉等）、壓電陶瓷（如鈦酸鋇等）、有機(jī)壓電材料（如有壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料等）。（3）壓電式傳感器應(yīng)用

a.壓電式力傳感器

b.壓電式加速度傳感器10.圖像傳感器A、CCD圖像傳感器（1）CCD的結(jié)構(gòu)：CCD實(shí)際上是由一系列MOS電容器構(gòu)成的MOS陣列。由于MOS電容器彼此靠的很近，因此之間可以發(fā)生耦合，使被注入到MOS電容器中的電荷能夠有控制地從一個(gè)電容器移位到另一個(gè)電容器。這樣的電荷轉(zhuǎn)移過程是電荷耦合的過程，故這類器件被稱為電荷耦合器件。（2）CCD的工作過程分為四個(gè)部分，分別是光電轉(zhuǎn)換、電荷儲存、電荷轉(zhuǎn)移、電荷檢測。光電轉(zhuǎn)換就是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，CCD內(nèi)部是由許多的光敏像素組成的，每像素就是一個(gè)光敏二極管，檢測像素上產(chǎn)生的電荷，產(chǎn)生的信號電荷的數(shù)量直接與入射光的強(qiáng)度及曝光時(shí)間成正比。10.圖像傳感器B、CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器本質(zhì)是一塊芯片，主要包括：感光區(qū)陣列（Bayer陣列，或叫像素陣列）、時(shí)序控制、模擬信號處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊。其中，各模塊的作用分別為：像素陣列：完成光電轉(zhuǎn)換，將光子轉(zhuǎn)換為電子。時(shí)序控制：控制電信號的讀出、傳遞。模擬信號處理（ADC）：對信號去噪。（如用CDS去除resetnoise、fpn等）10.圖像傳感器C、CCD和CMOS的區(qū)別（1）ISO感光度：CMOS的感光度會低于CCD。分辨率：由于CMOS傳感器的每個(gè)像素都比CCD傳感器復(fù)雜，其像素尺寸很難達(dá)到CCD傳感器的水平。當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS時(shí)，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器。（2）噪點(diǎn)：與CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪點(diǎn)就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。（3）耗電量：高驅(qū)動(dòng)電壓使CCD的耗電量遠(yuǎn)高于CMOS。CMOS的耗電量僅為CCD的1/8到1/10。10.圖像傳感器D、TOF相機(jī)

作為TOF的相機(jī)的核心，TOF芯片每一個(gè)像元對入射光往返相機(jī)與物體之間的相位分別進(jìn)行紀(jì)錄。該傳感器結(jié)構(gòu)與普通圖像傳感器類似，但比圖像傳感器更復(fù)雜，它包含2個(gè)或者更多快門，用來在不同時(shí)間采樣反射光線。

11.微機(jī)電傳感器

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystems，簡稱MEMS）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。（1）微機(jī)電加速度傳感器：微機(jī)電加速度傳感器主要通過半導(dǎo)體工藝在硅片中加工出可以在加速運(yùn)動(dòng)中發(fā)生形變的結(jié)構(gòu)，并且能夠引起電特性的改變，如變化的電阻和電容。如圖所示的MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）三軸加速度傳感芯片能夠在三個(gè)軸向（x，y，z）上感知±3G的加速度，并采用模擬的方式輸出結(jié)果。這就意味著在三個(gè)軸向上運(yùn)動(dòng)速度越大，輸出的電壓越強(qiáng)，反之輸出的電壓越小。（2）硅微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器：

a.MOSFET型氣敏傳感器：當(dāng)柵極暴漏在待測氣體中時(shí)，柵電極材料與待測氣體作用而引起MOSFET閥值電壓變化，分析這種變化就可知道待測氣體的濃度。b.MIS二極管型氫敏傳感器：MIS二極管的伏安特性對氫氣很敏感，當(dāng)氫氣濃度改變時(shí)，其伏安特性會發(fā)生明顯的變化，因而可利用它來檢測氫氣。熱電偶回路有哪些性質(zhì)定律中間導(dǎo)體定律中間溫度定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律中間電極定律ABCD提交多選題1分2.2RFID技術(shù)到底什么是RFID技術(shù)呢？

2.2.1RFID基本原理及類型2.2.2RFID射頻天線分析與設(shè)計(jì)2.2.3RFID遵循的通信編碼規(guī)則2.2.4典型頻率的RFID技術(shù)RFID的英文全稱是RadioFrequencyIdentification，射頻識別，又稱電子標(biāo)簽，無線射頻識別，感應(yīng)式電子晶片，近接卡、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子條碼。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達(dá)幾十米，如自動(dòng)收費(fèi)或識別車輛身份等。

物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，

而無需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識別(RFID)

技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識

別和信息的互聯(lián)與共享。而RFID正是能夠讓物品“開口說話”的一種技術(shù)。在“物聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品(商品)的識別，進(jìn)而通過開放性的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和共享，實(shí)現(xiàn)對物品的“透明”管理。RFID與其他系統(tǒng)的比較類別信息載體信息量讀寫性讀取方式保密性智能化抗干擾壽命成本條碼紙、塑料薄膜、金屬表面小只讀CCD或光束掃描差無差較短最低磁卡磁性物質(zhì)一般讀/寫電磁轉(zhuǎn)換一般無較差短低IC卡EEPROM大讀/寫電擦除、寫入好有好長較高RFID卡EEPROM大讀/寫無線通信好有很好最長較低1.RFID組成部分一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀器（Reader）與電子標(biāo)簽（TAG）及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部分所組成。（1）閱讀器閱讀器是指讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽信息的設(shè)備，也稱為讀寫器。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。通常包含：a.天線、b.系統(tǒng)頻率產(chǎn)生器、c.相位鎖位回路、d.調(diào)制電路、e.微處理器、f.存儲器、g.解調(diào)電路。以下為RFID讀卡器示例。

2.2.1RFID基本原理及分類（2）電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽也就是所謂的應(yīng)答器（Transponder），是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，存儲著被識別物體的相關(guān)信息，標(biāo)簽主要由天線及IC芯片構(gòu)成。其按照標(biāo)簽內(nèi)是否有內(nèi)置電池可主要分為以下三大類：被動(dòng)式（無源）、半被動(dòng)式和主動(dòng)式三種。電子標(biāo)簽通常包含：a.天線、b.AC/DC電路、c.解調(diào)電路、d.邏輯控制電路、e.內(nèi)存、f.調(diào)制電路。以下為RFID芯片卡構(gòu)造示例圖。（3）應(yīng)用軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)通常包含：a.硬件驅(qū)動(dòng)程序：連接、顯示及處理卡片閱讀器操作。b.控制應(yīng)用程序：控制卡片閱讀機(jī)的運(yùn)作，接收讀卡所回傳的數(shù)據(jù)，并作出相對應(yīng)的處理，如開門、結(jié)帳、派遣、記錄等。c.數(shù)據(jù)庫：儲存所有Tag相關(guān)的數(shù)據(jù)，供控制程序使用。RFID讀取流程讀卡器外部天線RFID芯片資料中心標(biāo)簽RadioFrequency資料顯示

2.RFID工作原理

標(biāo)簽進(jìn)入磁場后接收讀寫器發(fā)出的射頻信號憑借從感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號（ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽）讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

以RFID卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來看大致上可以分成：感應(yīng)耦合及后向散射耦合兩種。一般低頻的RFID大都采用第一種式，而較高頻大多采用第二種方式。（1）電感耦合類似于變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。閱讀器與標(biāo)簽之間的電磁耦合方式如圖所示。RFID運(yùn)作示例（2）電磁反向散射耦合類似于雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播定律。閱讀器與標(biāo)簽之間的電反向散射耦合方式如圖所示。3.RFID分類射頻識別系統(tǒng)（1）按照工作方式不同可分為：

全雙工系統(tǒng)、半雙工系統(tǒng)、時(shí)序系統(tǒng)三大類。（2）根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)是否有電池為其供電可將其分為：有源系統(tǒng)、無源系統(tǒng)和半無源系統(tǒng)三大類。（3）根據(jù)讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，又可將其分為：廣播發(fā)散式、倍頻式和反射調(diào)制式三大類等等。（1）按照工作方式分類

a全雙工系統(tǒng)：數(shù)據(jù)在讀寫器和電子標(biāo)簽之間的雙向傳輸是同時(shí)進(jìn)行的，并且從讀寫器到電子標(biāo)簽的能量傳輸是連續(xù)的，與傳輸?shù)姆较驘o關(guān)。b半雙工系統(tǒng):其數(shù)據(jù)傳輸是交替進(jìn)行的，能量傳輸是連續(xù)的，并且其能量傳輸與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驘o關(guān)。c時(shí)序系統(tǒng)：其數(shù)據(jù)傳輸是在電子標(biāo)簽的能量供應(yīng)間歇時(shí)進(jìn)行的，而其能量傳輸總是在限定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行的。（2）按照電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)量分類

a.1比特系統(tǒng)1比特系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量為1bit，該系統(tǒng)中讀寫器能夠發(fā)送0、1兩種狀態(tài)的信號，針對在電磁場中有電子標(biāo)簽和在電磁場中沒有電子標(biāo)簽兩種情況。

b.多比特系統(tǒng)該系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)量通常在幾個(gè)字節(jié)到幾千個(gè)字節(jié)之間，主要由具體應(yīng)用來決定。（3）按照讀取信息手段分類a.廣播發(fā)射式射頻識別系統(tǒng)電子標(biāo)簽必須采用有源方式工作，并實(shí)現(xiàn)將其存儲的標(biāo)識信息向外廣播，此時(shí)讀寫器相當(dāng)于一個(gè)接收機(jī)。b.倍頻式射頻識別系統(tǒng)讀寫器發(fā)出射頻查詢信號，電子標(biāo)簽返回的信號載頻為讀寫器發(fā)出的射頻的倍頻。對于無源電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽將接收的射頻能量轉(zhuǎn)換為倍頻回?fù)茌d頻時(shí)，其能量轉(zhuǎn)換效率較低。c.反射調(diào)制式射頻識別系統(tǒng)首先要解決同頻收發(fā)問題。在系統(tǒng)工作過程中，讀寫器發(fā)出微波信號與接收反射回的幅度調(diào)制信號是同時(shí)進(jìn)行的，發(fā)射回的信號強(qiáng)度較發(fā)射信號要弱得多，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)在于同頻收發(fā)。4.RFID優(yōu)勢

射頻識別系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面系統(tǒng)優(yōu)勢：

（1）讀取方便快捷：數(shù)據(jù)的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進(jìn)行。并且有效識別距離更大。（2）識別速度快：標(biāo)簽一進(jìn)入磁場，解讀器就可以即時(shí)讀取其中的信息，而且能夠同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)批量識別。（3）數(shù)據(jù)容量大：RFID標(biāo)簽則可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)充到數(shù)10K。（4）使用壽命長，應(yīng)用范圍廣。（5）標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改：利用編程器可以向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)，從而賦予RFID標(biāo)簽交互式便攜數(shù)據(jù)文件的功能，而且寫入時(shí)間相比打印條形碼更少。（6）更好的安全性：不僅可以嵌入產(chǎn)品上，而且還可以為其設(shè)置密碼保護(hù)，從而具有更高的安全性。（7）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信：標(biāo)簽以與每秒50～100次的頻率與解讀器進(jìn)行通信，RFID因其所具備的遠(yuǎn)距離讀取、高儲存量等特性。2.2.2RFID射頻天線分析與設(shè)計(jì)1.RFID天線技術(shù)原理射頻識別系統(tǒng)原理圖：RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成的，如圖所示。讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來實(shí)現(xiàn)對

RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.

RFID卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路（

IC）芯片及其外接天線組成，其中

RFID芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。

RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是

RFID卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。2.RFID天線類型

RFID主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3種基本形式的天線。

小于1m的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，它們主要工作在中低頻段.

而1m以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID天線，它們工作在高頻及微波頻段.（1）線圈天線

當(dāng)RFID的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中，RFID天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器，兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級線圈和次級線圈。由RFID的線圈天線形成的諧振回路如圖所示，它包括RFID天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′，其諧振頻率為：f=12πL·C，（式中C為Cp和C2′的并聯(lián)等效電容）。RFID應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID21型非接觸式IC卡的外觀為一小型的塑料卡（85.72mm×54.03mm×0.76mm），天線線圈諧振工作頻率通常為13.56MHz。目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm×0.4mm線圈天線的短距離RFID應(yīng)用系統(tǒng).某些應(yīng)用要求RFID天線線圈外形很小，且需一定的工作距離，如用于動(dòng)物識別的RFID。線圈外形即面積小的話，RFID與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實(shí)際使用。通常在RFID的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料，以增大互感量，從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題。（2）微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的，如圖所示.根據(jù)天線輻射特性的需要，可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀.通常邊緣場引起的，輻射方向基本確定，因此，一般適用于通訊方向變化不大的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中。（3）偶極子天線

在遠(yuǎn)距離耦合的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的是偶極子天線（又稱對稱振子天線）。偶極子天線及其演化形式如圖所示，其中偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成，信號從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布，這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場。（a）偶極子天線；（b）折合振子天線；（c）變形偶極子天線

利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程：

式中

Iz為沿振子臂分布的電流，α為相位常數(shù)，r是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離，θ為振子軸到

r的夾，l為單個(gè)振子臂的長度。同樣，也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗

S11、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù)。

當(dāng)單個(gè)振子臂的長度

l=λ/4時(shí)（半波振子），輸入阻抗的電抗分量為零，天線輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻。在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下，簡單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長度

l為λ/4的整數(shù)倍，如工作頻率為

2.45GHz的半波偶極子天線，其長度約為

6cm.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí)，可采用圖b的折合振子。3.RFID射頻天線的設(shè)計(jì)

從RFID技術(shù)原理和RFID天線類型介紹上看，RFID具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID天線的特點(diǎn)和性能。目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)很成熟，雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識別、貨物標(biāo)簽等RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo)。同樣，如果采用微帶貼片天線的話，由于實(shí)現(xiàn)工藝較復(fù)雜，成本較高，一時(shí)還無法被低成本的RFID應(yīng)用系統(tǒng)所選。偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、制造簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，且可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID應(yīng)用系統(tǒng)。下面我們來具體設(shè)計(jì)一個(gè)工作于2.45GHz（國際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段）的RFID偶極子天線。半波偶極子天線模型如圖a所示。天線采用銅材料（電導(dǎo)率：5.8e7s/m，磁導(dǎo)率：1），位于充滿空氣的立方體中心。在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界。輸入信號由天線中心處饋入，也就是RFID芯片的所在位置。對于2.45GHz的工作頻率其半波長度約為61mm，設(shè)偶極子天線臂寬w為1mm，且無限薄，由于天線臂寬的影響，要求實(shí)際的半波偶極子天線長度為57mm。在AnsoftHFSS工具平臺上，采用有限元算法對該天線進(jìn)行仿真，獲得的輸入回波損耗S11分布圖如圖a所示，輻射場E面（即最大輻射方向和電場矢量所在的平面）方向圖如圖b所示。天線輸入阻抗約為72Ω，電壓駐波比（VSWR）小于2.0時(shí)的阻抗無任何反應(yīng).為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點(diǎn)，可以對天線做適當(dāng)?shù)淖冃?，如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長λ/4成圖c所示。這樣天線總長度修改為（57.0mm+2×28.5mm），天線臂寬仍然為1mm.天線臂延長λ/4后，整個(gè)天線諧振于1個(gè)波長，而非原來的半個(gè)波長。這就使得天線的輸入阻抗大大地增加，仿真計(jì)算結(jié)果約為2kΩ。其輸入回波損S11如圖a所示。圖b為E面（天線平面）上的輻射場方向圖，其中實(shí)線為仿真結(jié)果，黑點(diǎn)為實(shí)際樣品測量數(shù)據(jù)，兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計(jì)是正確的。從圖b可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善，其輻射已經(jīng)近似為全方向的了。電壓駐波比（VSWR）小于2.0時(shí)的阻抗帶寬為12.2%，增益為1.4，對于大部分RFID應(yīng)用系統(tǒng)，該偶極子天線可以滿足要求?？傊?，RFID的實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計(jì)上，特別是對于具有非常大市場容量的商品標(biāo)簽來說，要求RFID能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無線數(shù)據(jù)通訊，且還要價(jià)格低廉、體積小。因此，我們所設(shè)計(jì)的上述這種全向型偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡單、易于批量加工制造，是可以滿足實(shí)際需要的。通過對設(shè)計(jì)出來實(shí)際樣品的進(jìn)行參數(shù)測試，測試結(jié)果與我們的設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果是一致。

RFID應(yīng)用視頻

RFID原理演示動(dòng)畫

RFID技術(shù)及應(yīng)用2.2.3RFID遵循的通信編碼規(guī)則1.RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是RFID標(biāo)準(zhǔn)體系中最基本的組成部分。其中涉及到的主要問題包括：

（1）合法使用的頻率范圍，包括讀卡器與電子標(biāo)簽通信的無線電頻率使用規(guī)范；

（2）

空中接口標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定電子標(biāo)簽與讀卡器之間的空中信息交換所需的基本約定；

（3）

其他標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)據(jù)格式定義，接口與應(yīng)用。

國際上RFID標(biāo)準(zhǔn)：

主要由ISO（InternationalStandardOrganization）、IEC（InternationalElectricCommittee）、EPCglobal、UID等幾個(gè)機(jī)構(gòu)制定。這些標(biāo)準(zhǔn)對RFID的協(xié)議進(jìn)行了規(guī)定，包括調(diào)制方式、編碼方式、碼速率及協(xié)議層的定義。常用標(biāo)準(zhǔn)介紹：標(biāo)準(zhǔn)號標(biāo)準(zhǔn)名稱/內(nèi)容ISO11784基于動(dòng)物的無線射頻識別的代碼結(jié)構(gòu)ISO11785基于動(dòng)物的無線射頻識別技術(shù)規(guī)則ISO10536（Closecoupledcards）密耦合卡ISO14443（Proximitycards）近耦合卡ISO15693（Vicinitycards）疏耦合卡ISO10374貨運(yùn)集裝箱標(biāo)簽（自動(dòng)識別）ISO18185貨運(yùn)集裝箱標(biāo)簽（自動(dòng)識別）ISO18000-1貨運(yùn)集裝箱電子封條RF通信協(xié)議ISO18000-2135KHz以下空中接口參數(shù)ISO18000-313.56MHz空中接口參數(shù)ISO18000-42.45GHz空中接口參數(shù)ISO18000-6860MHz~960MHz空中接口參數(shù)ISO18000-7433.92MHz空中接口參數(shù)2.RFID相關(guān)規(guī)則RFID系統(tǒng)在工作時(shí)輻射電磁波，因此應(yīng)保證它不干擾或削弱其他無線電服務(wù)的功能。影響范圍：

RFID系統(tǒng)附近的無線電廣播和電視廣播、移動(dòng)的無線電服務(wù)、航運(yùn)和航空用無線電服務(wù)和移動(dòng)電話等。RFID技術(shù)與應(yīng)用面臨的最基本問題：。RFID應(yīng)用分配的頻率范圍；RFID設(shè)備發(fā)射的功率電平限制；RFID設(shè)備發(fā)射占用頻帶限制其他雜散發(fā)射限制。

歐洲的ETSI

美國的FCC

日本的ARIB中國的RAC

RFID系統(tǒng)占用的頻譜要服從分配，RFID設(shè)備發(fā)射功率電平、發(fā)射占用帶寬、ACPR、雜散發(fā)射等參數(shù)要按照相關(guān)規(guī)定受到限制。

目前世界上無線電使用管理機(jī)構(gòu)或組織主要有：

隨著RFID技術(shù)的進(jìn)一步成熟及其在新的領(lǐng)域的應(yīng)用，RFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)將進(jìn)一步完善和細(xì)化，以保證RFID技術(shù)在各個(gè)頻段、各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到最大程度的利用。RFID將會滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，為人們的日常生活帶來更多的便利。3.RFID防碰撞技術(shù)2.2.4典型頻率的RFID技術(shù)RFID頻率是RFID系統(tǒng)的一個(gè)很重要的參數(shù)指標(biāo)，它決定了工作原理、通信距離、設(shè)備成本、天線形狀和應(yīng)用領(lǐng)域等各種因素。RFID典型的工作頻率有125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860~960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)集中在低頻、高頻、超高頻三個(gè)區(qū)域。1.低頻RFID技術(shù)（1）低頻低頻（LF）范圍為30~300kHz，RFID典型低頻工作頻率有125kHz和133kHz兩個(gè)，該頻段的波長大約為2500m。低頻標(biāo)簽一般都為無源標(biāo)簽。其實(shí)RFID技術(shù)首先在低頻得到廣泛的應(yīng)用和推廣。該頻率主要是通過電感耦合的方式進(jìn)行工作，也就是在讀寫器線圈和感應(yīng)器線圈間存在著變壓器耦合作用。通過讀寫器交變場的作用在感應(yīng)器天線中感應(yīng)的電壓被整流，可作供電電壓使用。磁場區(qū)域能夠很好的被定義，但是場強(qiáng)下降的太快。（2）

特性a.工作在低頻的感應(yīng)器的一般工作頻率從120KHz到134KHz，TI的工作頻率為134.2KHz。該頻段的波長大約為2500m。b.除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。c.工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制。d.低頻產(chǎn)品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價(jià)格太貴，但是有10年以上的使用壽命。e.雖然該頻率的磁場區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域。f.相對于其他頻段的RFID產(chǎn)品，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢。g.感應(yīng)器的價(jià)格相對與其他頻段來說要貴。（3）主要應(yīng)用目前，低頻RFID技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：畜牧業(yè)的管理系統(tǒng)；汽車防盜和無鑰匙開門系統(tǒng)的應(yīng)用；馬拉松賽跑系統(tǒng)的應(yīng)用；自動(dòng)停車場收費(fèi)和車輛管理系統(tǒng)；自動(dòng)加油系統(tǒng)的應(yīng)用；酒店門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用；門禁和安全管理系統(tǒng)等等。2.高頻RFID技術(shù)（1）高頻高頻（HF）范圍為3~30MHz，RFID典型高頻工作頻率為13.56MHz，該頻率的波長大概為22m，通信距離一般也小于1m。在該頻率的感應(yīng)器不再需要線圈進(jìn)行繞制，可以通過腐蝕或者印刷的方式制作天線。感應(yīng)器一般通過負(fù)載調(diào)制的方式進(jìn)行工作。也就是通過感應(yīng)器上的負(fù)載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)用遠(yuǎn)距離感應(yīng)器對天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。如果人們通過數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和