項目三傳感器與檢測的實現(xiàn)3.1任務一：傳感器的基礎知識3.2任務二：檢測技術基礎3.3任務三：典型傳感器的選擇3.4任務四：物聯(lián)網(wǎng)中傳感器應用實踐3.1任務一：傳感器的基礎知識

3.1.1傳感器的概述

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件(如光、熱、濕度)或化學組成(如煙霧)，并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。3.1.2傳感器的分類

1.按傳感器的用途分類

傳感器按照其用途分為力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器和24?GHz雷達傳感器。

2.按傳感器的原理分類

傳感器按照其原理可分為振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器和生物傳感器。

3.按傳感器的輸出信號標準分類

傳感器按照其輸出信號的標準分類可分為以下四種：

(1)模擬傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

(2)數(shù)字傳感器：將被測量的非電學量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。

(3)膺數(shù)字傳感器：將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。

(4)開關傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。

4.按傳感器的材料分類

在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應的、具有特征性的反應。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列三類：

(1)按照其所用材料的類別分類：金屬聚合物和陶瓷混合物。

(2)按材料的物理性質(zhì)分類：導體、半導體、絕緣體和磁性材料。

(3)按材料的晶體結構分類：單晶、多晶和非晶材料。與采用新材料緊密相關的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向：

(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應和反應，然后使它們能在傳感器技術中得到實際使用。

(2)探索新的材料，應用那些已知的現(xiàn)象、效應和反應來改進傳感器技術。

(3)在研究新型材料的基礎上探索新現(xiàn)象、新效應和反應，并在傳感器技術中加以具體實施。

5.按傳感器的制造工藝分類

傳感器按照其制造工藝分類可分為以下四種：

傳感器按照其制造工藝可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器和陶瓷傳感器。

6.按傳感器的測量目的不同分類

傳感器根據(jù)測量目的不同可分為物理型傳感器、化學型傳感器和生物型傳感器。

(1)物理型傳感器是利用被測量物質(zhì)的某些物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化的特性制成的。

(2)化學型傳感器是利用能把化學物質(zhì)的成分、濃度等化學量轉(zhuǎn)化成電學量的敏感元件制成的。

(3)生物型傳感器是利用各種生物或生物物質(zhì)的特性做成的，用以檢測與識別生物體內(nèi)化學成分的傳感器。3.1.3傳感器的性能指標

1.傳感器靜態(tài)特性

(1)線性度：

(2)靈敏度：

(3)遲滯：

(4)重復性：

(5)漂移：

2.傳感器動態(tài)特性

所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

3.傳感器的線性度

通常情況下，傳感器的實際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度(非線性誤差)，就是這個近似程度的一個性能指標。

4.傳感器的靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化Δy對輸入量變化Δx的比值。

它是輸出-輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的變化而變化。

5.傳感器的分辨率

分辨率是指傳感器可感受到的被測量的最小變化的能力。當輸入變化值未超過某一數(shù)值時，傳感器的輸出不會發(fā)生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨率時，其輸出才會發(fā)生變化。3.1.4傳感器的組成和結構

國家標準(GB7665—87)中傳感器(Transducer/Sensor)的定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。圖3.1傳感器組成框圖3.2任務二：檢測技術基礎

3.2.1檢測系統(tǒng)概述

檢測是人類認識物質(zhì)世界、改造物質(zhì)世界的重要手段。檢測技術的發(fā)展標志著人類的進步和人類社會的繁榮?，F(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、科研等各行業(yè)，檢測技術的作用越來越大，檢測設備就像神經(jīng)和感官，源源不斷地向人們傳輸各種有用的信息。微處理器芯片使傳統(tǒng)的檢測技術采用計算機進行數(shù)據(jù)分析處理成為現(xiàn)實?，F(xiàn)代檢測系統(tǒng)應當包含測量、故障診斷、信息處理和決策輸出等多種內(nèi)容，具有比傳統(tǒng)的“測量”更豐富的范疇和模仿人類專家信息綜合處理能力。一般具有以下特點：

(1)軟件控制測量過程。

(2)智能化數(shù)據(jù)處理。

(3)高度的靈活性。

(4)實現(xiàn)多參數(shù)檢測與信息融合。

(5)測量速度快。

(6)智能化功能強。3.2.2檢測技術分類

1.按測量過程的特點分類

1)直接測量法

(1)偏差測量法。

(2)零位測量法。

(3)微差測量法。

2)間接測量法

在使用儀表或傳感器進行測量時，首先對與測量有確定函數(shù)關系的幾個量進行測量，將被測量代入函數(shù)關系式，經(jīng)過計算得到所需要的結果，這種測量方法稱為間接測量法。間接測量法的測量手續(xù)較多，花費時間較長，常用于不易直接測量或者缺乏直接測量手段的場合。3)組合測量法

組合測量法是一種特殊的精密測量方法。被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組才能得到最后結果。組合測量操作手續(xù)復雜，花費時間長，多用于科學實驗或特殊場合。

2.按測量的精度因素分類

(1)等精度測量法：用相同精度的儀表與測量方法對同一被測量進行多次重復測量。

(2)非等精度測量法：用不同精度的儀表或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大時對同一被測量進行多次重復測量。

3.按測量儀表特點分類

(1)接觸測量法：傳感器直接與被測對象接觸，承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，從而獲得其信號，并測量其信號大小的方法。

(2)非接觸測量法：傳感器不與被測對象直接接觸，而是間接承受被測參數(shù)的作用，感受其變化，并測量其信號大小的方法。

4.按測量對象的特點分類

(1)靜態(tài)測量法：指被測對象處于穩(wěn)定情況下的測量，此時被測對象不隨時間變化，故又稱為穩(wěn)態(tài)測量。

(2)動態(tài)測量法：指被測對象處于不穩(wěn)定情況下進行的測量，此時被測對象隨時間而變化，因此，這種測量必須在瞬間完成，才能得到動態(tài)參數(shù)的測量結果。3.2.3檢測系統(tǒng)組成

1.檢測系統(tǒng)構成

在工程中，由傳感器與多臺儀表組合在一起，完成信號的檢測，這就形成了一個檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機結合。圖3.2檢測系統(tǒng)原理結構框圖

2.開環(huán)檢測系統(tǒng)和閉環(huán)檢測系統(tǒng)

1)開環(huán)檢測系統(tǒng)

開環(huán)檢測系統(tǒng)的全部信息變換只沿著一個方向進行，如圖3.3所示。圖3.3開環(huán)檢測系統(tǒng)框圖2)閉環(huán)檢測系統(tǒng)

閉環(huán)檢測系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上加了反饋環(huán)節(jié)，使得信息變換與傳遞形成閉環(huán)，能對包含在反饋環(huán)內(nèi)的各環(huán)節(jié)造成的誤差進行補償，使得系統(tǒng)的誤差變得很小。

3.檢測儀表的組成

檢測儀表是實現(xiàn)檢測過程的物質(zhì)手段，是測量方法的具體化，它將被測量經(jīng)過一次或多次的信號或能量形式的轉(zhuǎn)換，再由儀表指針、數(shù)字或圖像等顯示出量值，從而實現(xiàn)被測量的檢測。圖3.4檢測儀表的組成框圖3.3任務三：典型傳感器的選擇

3.3.1磁檢測傳感器

磁檢測傳感器使用的是干簧管。干簧管(ReedSwitch)也稱舌簧管或磁簧開關，是一種磁敏的特殊開關。圖3.5外形和接口原理圖3.3.2光照傳感器

光照傳感器使用的是光敏電阻。光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。圖3.6光照傳感器的外形和接口原理圖3.3.3紅外對射傳感器

紅外對射傳感器使用的是槽型紅外光電開關。紅外光電開關是捕捉紅外線這種不可見光，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管，轉(zhuǎn)換為可以觀測的電信號。紅外光電傳感器有效地防止周圍可見光的干擾，進行無接觸探測，不損傷被測物體。圖3.7紅外對射傳感器模塊和接口原理圖3.3.4人體檢測傳感器

人體檢測傳感器使用的是熱釋電人體紅外線感應模塊。人體紅外線感應模塊是基于紅外線技術的自動控制產(chǎn)品，靈敏度高，可靠性強，用于各類感應電器設備，適合干電池供電的電器產(chǎn)品；低電壓工作模式，可方便與各類電路實現(xiàn)對接；尺寸小，便于安裝。人體紅外線感應模塊適用于感應廣告機、感應水龍頭、各類感應燈飾、感應玩具、感應排氣扇、感應垃圾桶、感應報警器﹑感應風扇等。這類傳感器種類繁多，通常具有高響應、低噪音的特點。圖3.8人體檢測傳感器模塊和接口原理圖3.3.5溫濕度傳感器

1.接口電路

AM2321溫濕度傳感器的實物與STC12C5A16S2接口電路原理圖如圖3.9所示。圖3.9AM2321溫濕度傳感器實物與STC12C5A16S2接口電路原理圖

2.通信協(xié)議

AM2321的單總線通信協(xié)議說明：

SDA用于微處理器與AM2321之間的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次傳送40位數(shù)據(jù)，高位先出。具體通信時序如圖3.10所示。圖3.10AM2321單總線通信協(xié)議圖

3.單總線通信時序

用戶主機(MCU)發(fā)送一次起始信號(把數(shù)據(jù)總線SDA拉低至少800?μs)后，AM2321從休眠模式轉(zhuǎn)換到高速模式。待主機開始信號結束后，AM2321發(fā)送響應信號，從數(shù)據(jù)總線SDA串行送出40?bit的數(shù)據(jù)，先發(fā)送字節(jié)的高位；發(fā)送的數(shù)據(jù)依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位，發(fā)送數(shù)據(jù)結束觸發(fā)一次信息采集，采集結束傳感器自動轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下一次通信來臨。單總線通信時序如圖3.11所示。圖3.11AM2321單總線通信時序圖圖3.12AM2321單總線通信時序圖圖3.13AM2321單總線通信時序圖圖3.14外部設備讀取AM2321溫濕度流程圖3.3.6紅外感應火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅髂K及管腳說明如圖3.15所示。圖3.15火焰?zhèn)鞲衅髂K及管腳說明圖3.16火焰?zhèn)鞲衅髂K電原理圖3.3.7聲響檢測傳感器

聲響檢測傳感器使用麥克風(咪頭)作為拾音器，經(jīng)過運算放大器放大，單片機AD采集，獲取聲響強度信號。咪頭是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，和喇叭正好相反。若選用的是駐極體電容式咪頭。其接口電路原理如圖3.17所示。圖3.17麥克風(咪頭)接口電路原理圖圖3.18聲音檢測接口電路3.3.8煙霧檢測傳感器

煙霧傳感器MQ-2，使用的氣敏材料在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在煙霧或者可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中煙霧和可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號?？扇細怏w檢測傳感器MQ-2的實物如圖3.19所示。圖3.19煙霧傳感器MQ-2實物和電路原理圖3.3.9結露檢測傳感器

結露傳感器HDS10是正特性開關型元件，僅對高濕敏感，對低濕不敏感，可在直流電壓下工作，響應速度快，高可靠性，廣泛用于倉儲、氣象等行業(yè)。圖3.20結露傳感器實物和電路原理圖3.3.10酒精檢測傳感器

酒精檢測MQ-3傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸氣時，傳感器的電導率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。圖3.21酒精檢測傳感器實物和原理圖3.4任務四：物聯(lián)網(wǎng)中傳感器應用實踐

3.4.1實踐一：溫濕度傳感器應用

本實踐是在IOT-L01-05型物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗箱上完成。將AM2321溫濕度傳感模塊插到實驗箱傳感器節(jié)點底板上，然后通過串口線將實驗箱上相應的RS2