物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)課件

第3章物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

幾種常用傳感器介紹

智能傳感器MEMS技術(shù)4123傳感器接口技術(shù)

53.1

傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

1傳感器技術(shù)：是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的感知層。2傳感器：是一種能把特定的被測(cè)信號(hào)，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。。是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，處于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的感知層。互聯(lián)互通。傳感器技術(shù)3傳感器作用：傳感器處于研究對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口，它提供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)賴以進(jìn)行決策和處理所必需的原始數(shù)據(jù)。靜態(tài)特性：

指被測(cè)量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出和輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。動(dòng)態(tài)特性：

輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。1.工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)：以傳感器一微機(jī)為核心的自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)2.航空航天：飛行速度方向、飛行姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)3.資源探測(cè)與環(huán)境保護(hù)：大氣、水質(zhì)污染、放射性、噪聲的檢測(cè)4.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：人體溫度、血壓及腔內(nèi)壓力、血液5.家用電子產(chǎn)品6.軍事領(lǐng)城3.2幾種常用傳感器介紹溫度傳感器濕度傳感器超聲波傳感器氣敏傳感器基本介紹：1溫標(biāo)：用來(lái)度量物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺。2敏感元件與被測(cè)介質(zhì)接觸與否，分為：

⑴接觸式溫度傳感器⑵非接觸式溫度傳感器3

材料及電子元件特性，分為：

⑴熱電阻⑵熱電偶基本介紹：1絕對(duì)濕度：是大氣中水汽的密度，即單位大氣中所含水汽的質(zhì)量。2絕對(duì)濕度：相對(duì)濕度，指空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。濕空氣的絕對(duì)濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度之比。3

露點(diǎn)：使大氣中原來(lái)所含有的未飽和水汽變成飽和水汽所必須降低的溫度值。分類：選擇注意事項(xiàng)：

在選擇溫度傳感器時(shí)，應(yīng)考慮到諸多因素，如被測(cè)對(duì)象的濕度范圍、傳感器的靈敏度、精度和噪聲、響應(yīng)速度、使用環(huán)境、價(jià)格等。電阻濕度傳感器

敏感元件為濕敏電阻，其主要材料一般為電介質(zhì)、半導(dǎo)體、多孔陶瓷、有機(jī)物及高分子聚合物。電容濕度傳感器

敏感元件為濕敏電容，主要材料一般為高分子聚合物、金屬氧化物。這些材料對(duì)水分子有較強(qiáng)的吸附能力，吸附水分的多少隨環(huán)境濕度而變化。

利用超聲波的特性研制而成；一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波；頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象??；特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面，會(huì)產(chǎn)生顯著反射，形成反射成回波碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器

被測(cè)氣體的種類繁多，它們的性質(zhì)也各不相同。所以不可能用一種方法來(lái)檢測(cè)各種氣體，其分析方法也隨氣體的種類、濃度、成分和用途而異。氣敏傳感器1氣敏傳感器：指將被測(cè)氣體濃度轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電量輸出的裝置或器件。主要參數(shù)與特性：①靈敏度：氣敏元件對(duì)氣體的敏感程度②響應(yīng)時(shí)間：氣敏元件的反應(yīng)速度③選擇性：氣敏元件對(duì)不同的氣體有不同的靈敏度④穩(wěn)定性：氣敏元件的輸出特性保持不變的能力應(yīng)用

半導(dǎo)體氣敏元件，由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、恢復(fù)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)和成本低等待點(diǎn)，所以半導(dǎo)體氣敏傳感器有很廣的應(yīng)用。3.3智能傳感器基本概念：1智能傳感器：（intelligentsensor）具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。2三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。系統(tǒng)組成功能⑴自補(bǔ)償和計(jì)算⑵自診斷功能⑶復(fù)合敏感功能

⑷強(qiáng)大的通訊接口功能⑸現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)功能⑹提供模擬和數(shù)字輸出⑺數(shù)值處理功能⑻掉電保護(hù)功能特點(diǎn)

⑴一定程度的人工智能是硬件和軟件的結(jié)合體，可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，更能體現(xiàn)儀表在控制體統(tǒng)的作用?？梢愿鶕?jù)不同的測(cè)量要求，選擇合適的方案，并能對(duì)信息進(jìn)行綜合處理，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。⑵多敏感功能將原來(lái)分散的、各自獨(dú)立的單敏傳感器集成為具有多敏功能的傳感器，能同時(shí)測(cè)量多種物理量和化學(xué)量，全面反映被測(cè)量的綜合信息。⑶精度高、測(cè)量范圍寬，隨時(shí)檢測(cè)出被測(cè)量的變化對(duì)檢測(cè)元件特性的影響，并完成各種運(yùn)算，其輸出信號(hào)更為精確，同時(shí)其量程比可達(dá)100:1，最高達(dá)400:1，可用一個(gè)智能傳感器應(yīng)付很寬的測(cè)量范圍，特別適用要求量程比大的控制場(chǎng)合。⑷通信功能可采用標(biāo)準(zhǔn)化總線接口，進(jìn)行信息交換，這事智能傳感器的標(biāo)志之一?；贗EEE1451的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器1IEEE1451：一種新的通用智能化傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，它為即插即用智能傳感器與現(xiàn)有的各種總線提供了通用的接口標(biāo)準(zhǔn)。2標(biāo)準(zhǔn)的目的：開(kāi)發(fā)一種軟硬件連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡(luò)或直接支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括各種現(xiàn)場(chǎng)總線、因特網(wǎng)等；為不同廠家生產(chǎn)的傳感器提供具有即插即用功能的智能傳感器接口。

IEEE1451系列準(zhǔn)則IEEE1451體系內(nèi)容①建立網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的軟件模型，包括信息與通信模型；②定義網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的硬件模型，包括網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP、智能變送器接口模塊STIM及兩者間的有線、無(wú)線接口；③定義NCAP中封裝不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，支持多種網(wǎng)絡(luò)模式及總線標(biāo)準(zhǔn)；④對(duì)智能傳感器的數(shù)據(jù)傳輸、尋址、中斷、觸發(fā)等做詳細(xì)規(guī)定；⑤定義電子數(shù)據(jù)表格TEDS及其數(shù)據(jù)格式。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軟件接口①對(duì)象模型

該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)定義每個(gè)對(duì)象類的接口和行為定義每個(gè)對(duì)象類。系統(tǒng)中，該標(biāo)準(zhǔn)定義4種對(duì)象類：塊類、組件類、服務(wù)類和非本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的對(duì)象類。通過(guò)對(duì)象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)通訊模型3種模型實(shí)現(xiàn):②數(shù)據(jù)模型

該模型規(guī)范了符合IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器所涉及的數(shù)據(jù)類型，含基本和結(jié)構(gòu)類型、物理數(shù)量和對(duì)象屬性類型及與網(wǎng)絡(luò)通訊相關(guān)的類型。③網(wǎng)絡(luò)通信模型:

包括對(duì)象模型、數(shù)據(jù)模型和網(wǎng)絡(luò)通信模型，這3種模型為傳感器、網(wǎng)絡(luò)適配器、通信網(wǎng)絡(luò)間確定相應(yīng)的軟件接口。網(wǎng)絡(luò)化智能變送器模型IEEE1451.2協(xié)議1IEEE1451.2協(xié)議：一種網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)。2IEEE1451.2協(xié)議：提出了一種數(shù)字化點(diǎn)到點(diǎn)的智能接口模塊到網(wǎng)絡(luò)適配器的有線傳輸接口方案。3IEEE1451.2協(xié)議：規(guī)定智能傳感器由網(wǎng)絡(luò)適配器和智能傳感器接口模塊兩部分構(gòu)成。

傳感器獨(dú)立接口是智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器的接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)適配器對(duì)智能傳感器接口模塊的控制和兩者之間的通信。IEEE1451.2協(xié)議

通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器接口模塊（STIM）、STIM和NCAP間的接口即TII，統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器基本結(jié)構(gòu)，解決標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問(wèn)題，廠商可依需求擴(kuò)展。該標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器分為智能傳感器接口模塊（含電子數(shù)據(jù)表格TEDS）、網(wǎng)絡(luò)適配器及STIM與NCAP間的TII接口。IEEE1451.2協(xié)議

TEDS：提供對(duì)傳感器、緩存?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)序列傳感器、事件序列傳感器及執(zhí)行器等模型的支持，具有自動(dòng)識(shí)別傳感器或執(zhí)行器的能力。STIM模塊：變送器（傳感器或執(zhí)行器）、信號(hào)調(diào)理與信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、TEDS、微處理器和存儲(chǔ)器，可連接單一傳感器或多傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。TII接口示意圖TII接口的邏輯信號(hào)和功能定義智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)體系中最重要的就是第三部分智能傳感器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

按照智能傳感器的構(gòu)成，分為硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和產(chǎn)品技術(shù)要求。

硬件系統(tǒng)：包括敏感元件、網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范、內(nèi)部接口規(guī)范、供電標(biāo)準(zhǔn)、防爆要求、封裝要求。其中，敏感元件按照其物理特性分為溫度、濕度、壓力、流量、加速度等，并對(duì)各種不同原理產(chǎn)品的特性指標(biāo)、封裝形式給出具體要求。網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范分別規(guī)定了智能傳感器的物理接口和數(shù)據(jù)接口要求。內(nèi)部接口規(guī)范規(guī)定可智能傳感器實(shí)現(xiàn)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的通信接口要求。

產(chǎn)品技術(shù)要求：按照被測(cè)參數(shù)不同，分為溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、變送器等的具體技術(shù)要求，比如自校驗(yàn)、自診斷、信息決策等。軟件系統(tǒng)：包括系統(tǒng)軟件規(guī)范和數(shù)據(jù)共享。其中，系統(tǒng)軟件規(guī)范指智能傳感器的編程規(guī)范等，數(shù)據(jù)共享指源數(shù)據(jù)和編碼的格式要求、信息分類等，是與物聯(lián)網(wǎng)銜接時(shí)的重要組成部分。應(yīng)用

三個(gè)層次：一個(gè)是傳感網(wǎng)絡(luò)，以二維碼、RFID、傳感器為主，實(shí)現(xiàn)“物”的識(shí)別；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過(guò)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)。廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或下一代互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和計(jì)算；三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入輸出控制終端，包括手機(jī)等終端。智能傳感器發(fā)展趨勢(shì)（1）向高精度發(fā)展（2）向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展（3）向微型化發(fā)展（4）向微功耗及無(wú)源化發(fā)展（5）向智能化數(shù)字化發(fā)展（6）向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展3.4MEMS技術(shù)MEMS定義1MEMS：由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。2MEMS目標(biāo)：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)，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。MEMS特點(diǎn)3MEMS特點(diǎn)：體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大、可以批量生產(chǎn)等。⑴微機(jī)械壓力傳感器⑵微加速度傳感器⑶微機(jī)械陀螺儀⑷微流量傳感器⑸微氣體傳感器⑹微機(jī)械溫度傳感器

常用的MEMS傳感器

微加速度傳感器

微氣體傳感器3.5傳感器接口技術(shù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)

(1)輸出信號(hào)比較微弱有的傳感器輸出電壓僅有0.1μV。這就要求接口電路必須有一定的放大能力。

(2)輸出阻抗比較高這樣會(huì)使傳感器信號(hào)輸入到測(cè)量電路時(shí)產(chǎn)生較大的信號(hào)衰減。

(3)輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬。輸出信號(hào)隨著輸人物理量的變化而變化，但它們之間的關(guān)系不一定是線性比例關(guān)系。傳感器與微機(jī)接口的一般結(jié)構(gòu)輸入通道的特點(diǎn)：

⑴輸入通道的結(jié)構(gòu)類型取決于傳感器送來(lái)的信號(hào)大小和類型。⑵輸入通道的主要技術(shù)指標(biāo)是信號(hào)轉(zhuǎn)換精度和實(shí)時(shí)性，后者為實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制系統(tǒng)的特殊要求。⑶輸入通道是一個(gè)模擬、數(shù)字信號(hào)混合的電路，其功耗小，一般沒(méi)有