物聯(lián)網(wǎng)概論第三章傳感器技術(shù)2目錄

3.1傳感器及智能設(shè)備概述

3.2傳感器原理

3.3智能傳感器

3.4微機電系統(tǒng)傳感器

33.1傳感器及智能設(shè)備概述

3.1.1傳感器的定義

3.1.2傳感器的分類

3.1.3傳感器的組成

3.1.4傳感器節(jié)點43.1.1傳感器定義傳感器和人們的日常生活密切相關(guān)傳感器具有的社會意義傳感器在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)重要地位53.1.1傳感器定義傳感器在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用

利用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎纾簤弘妭鞲衅?、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效的建立一個三維立體的防護(hù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)可以用于監(jiān)測橋梁、高架橋、高速公路等道路環(huán)境。對許多老舊的橋梁、橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部，用以感測橋墩的結(jié)構(gòu)、橋墩被腐蝕情況等；也可以放置在橋梁兩側(cè)，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度等。有效減少斷橋造成的生命財產(chǎn)損失。三峽大壩里一共埋設(shè)了萬余臺/只檢測儀器和傳感器，這些“眼睛”時刻監(jiān)測三峽大壩是否穩(wěn)定，有無沉降。

63.1.1傳感器定義傳感器（Sensor）的定義：國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87定義：傳感器（Transducer/Sensor）為能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器材或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構(gòu)成傳感器！根據(jù)傳感器轉(zhuǎn)換原理分類73.1.2傳感器的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)，被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號，多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，如可靠性、規(guī)模生產(chǎn)的可能性、價格等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長按被測量性質(zhì)分類83.1.2傳感器的分類力學(xué)量光學(xué)量磁學(xué)量幾何學(xué)量運動學(xué)量流速與流量液面熱學(xué)量化學(xué)量生物量按感知元件分類93.1.2傳感器的分類熱敏元件光敏元件氣敏元件力敏元件磁敏元件濕敏元件聲敏元件放射線敏元件氣敏元件味敏元件按用途分類103.1.2傳感器的分類壓敏、力敏傳感器位置傳感器液面?zhèn)鞲衅髂芎膫鞲衅魉俣葌鞲衅骷铀俣葌鞲衅鬏椛鋫鞲衅鳠崦魝鞲衅靼垂ぷ髟矸诸?13.1.2傳感器的分類振動傳感器濕敏傳感器磁敏傳感器氣敏傳感器光敏傳感器真空度傳感器生物傳感器……按輸出信號分類123.1.2傳感器的分類模擬傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號數(shù)字傳感器將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）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）開關(guān)傳感器當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號按所用材料分類133.1.2傳感器的分類所用材料分為金屬傳感器、聚合物傳感器、陶瓷傳感器、混合物傳感器材料性質(zhì)分為導(dǎo)體傳感器、絕緣體傳感器、半導(dǎo)體傳感器、磁性材料傳感器、陶瓷傳感器、石英傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器、有機材料傳感器、高分子材料傳感器等材料晶體結(jié)構(gòu)分為單晶傳感器、多晶傳感器、非晶材料傳感器143.1.3傳感器的組成圖3-1傳感器的組成示意

傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)的基本功能單元，節(jié)點間可采用自組織方式組網(wǎng)，通過無線/有線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)的雙重功能。節(jié)點對自身采集的信息和其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)做初步處理和融合之后，以相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送到基站，再通過基站以互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等方式傳送給最終用戶。153.1.4傳感器節(jié)點163.1.4傳感器節(jié)點圖3-2無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)電阻傳感器金屬皆有電阻，其值隨材料種類與形態(tài)而異。同樣材料，越細(xì)或越薄，則電阻越大。當(dāng)施加外力時，金屬若變細(xì)變長，則阻值增加；若變粗變短，則阻值減小。如在發(fā)生應(yīng)變的物體上裝有金屬電阻，當(dāng)物體伸縮時，金屬體也按某一比例發(fā)生伸縮，因而電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化。此即金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)，由此可制造出種種傳感器。173.2傳感器原理電阻傳感器——電阻式應(yīng)變式傳感器由基體材料、金屬電阻應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)層和引線等部分組成。當(dāng)傳感器受外力作用導(dǎo)致金屬絲受外力作用時，金屬絲的長度和截面積都會發(fā)生變化，壓力傳感器電阻值即隨之發(fā)生改變：如金屬絲受外力作用伸長時，截面積減少，電阻值增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻上的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。183.2傳感器原理電阻傳感器——壓阻式傳感器利用單晶硅半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅半導(dǎo)體材料在某一軸向施加一定壓力而產(chǎn)生應(yīng)力時，其電阻率會發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器是通過在半導(dǎo)體基片上經(jīng)擴散電阻而制成的一種純電阻元件?；芍苯幼鳛闇y量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。為基片受外力作用而產(chǎn)生形變時，電橋就會產(chǎn)生相應(yīng)的不平衡從而輸出電信號。193.2傳感器原理電阻傳感器——熱敏傳感器熱敏電阻器主要是利用電阻值溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。熱敏電阻器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。203.2傳感器原理電阻傳感器——光敏傳感器光敏電阻材料主要是金屬硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)。黑暗中，材料電阻值很高，光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子-空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，其電阻率變小，電阻阻值下降。光照越強，阻值越低。213.2傳感器原理電容傳感器

電容式傳感器是一種將其他被測量（如尺寸、壓力等）的變換以電容的變化體現(xiàn)出來的儀器。結(jié)構(gòu)主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構(gòu)成，在壓力作用下，薄膜產(chǎn)生一定的形變，上下級間距離發(fā)生變化，導(dǎo)致電容變化，產(chǎn)生信號輸出。電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強、抗過載能力大及價格低廉等優(yōu)點。因此，可用來測量壓力、位移、振動、液位等參數(shù)。但電容并不隨極間距離的變化而線性變化，還需測量電路對輸出電容進(jìn)行一定的非線性補償。223.2傳感器原理電容傳感器——變間隙式電容傳感器

圖中上部為頂電極，下部為底電極。當(dāng)電容因被測參數(shù)的改變而引起變形或移動時，兩極板間的距離就發(fā)生變化，從而改變了兩極板之間的電容。233.2傳感器原理電容傳感器——變面積式電容傳感器

其中（a）為定極板與動極板示意；（b）為與被測對象相連的活動極板；（c）為定極板與動極板間因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相對面積改變，從而改變兩極板間的電容量。243.2傳感器原理電感傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)將被測物理量（如位移、壓力、流量、振動等）轉(zhuǎn)換成引起線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。253.2傳感器原理電感傳感器——自感式電感傳感器—變間隙式電感傳感器

傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成。工作時，銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。263.2傳感器原理電感傳感器——自感式電感傳感器—變面積式電感傳感器

由變間隙式電感傳感器可知，間隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化而改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器。273.2傳感器原理電感傳感器——自感式電感傳感器—螺管式電感傳感器

螺管式電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化于線圈電感量也因此而變。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。283.2傳感器原理電感傳感器——電渦流式傳感器

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高靈敏度地測量金屬體的多種物理量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、材料損傷等參數(shù)。

當(dāng)通過金屬體的磁通變化時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，此物理現(xiàn)象為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進(jìn)行測量。293.2傳感器原理壓電效應(yīng)傳感器

壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，如圖所示。電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。303.2傳感器原理磁敏傳感器磁敏傳感器是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴隨磁場變化改變其運動方向這一特性而制成的傳感器件，它能將磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光線等外界因素引起敏感元件的磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號。磁敏傳感器一般被用來檢測磁場的存在、變化、方向以及磁場強弱以及可引起的磁場變化物理量。313.2傳感器原理磁敏效應(yīng)傳感器——霍爾傳感器

霍爾傳感器的核心是霍爾元件，其工作原理是霍爾效應(yīng)，即當(dāng)電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體時，在垂直于磁場和電流方向的導(dǎo)體的兩個端面之間出現(xiàn)電勢差，該電勢差稱為霍爾電壓?；魻杺鞲衅鬟€用于測轉(zhuǎn)速、流量、流速及利用它制成高斯計、電流計、功率計等儀器。323.2傳感器原理磁敏效應(yīng)傳感器——磁敏二、三極管

磁敏二極管的工作原理如圖（左）。當(dāng)磁敏二極管未受外磁場作用，外加正偏壓就有大量空穴從P區(qū)通過I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，只有少量的電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉，同時也有大量電子注入P區(qū)，形成電流，如圖（左）之（a）。

當(dāng)磁敏二極管受外磁場H+（正向磁場）作用時，則電子和空穴受洛侖茲力的作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因復(fù)合速度而減小，如圖（左）之（b）。

當(dāng)磁敏二極管受外磁場H-（負(fù)向磁場）作用時，則電子和空穴受洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于電子和空穴復(fù)合率明顯變小，形成的電流變大，如圖（左）之（c）。

利用磁敏二極管在磁場強度的變化下其電流改變，可實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，由此構(gòu)成傳感器。333.2傳感器原理光電式傳感器

光電傳感器是把被測量的變用以光信號的變化來表示，再把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。343.2傳感器原理光電式傳感器——光電效應(yīng)傳感器

利用光電效應(yīng)將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種裝置，光電效應(yīng)是指光照射到金屬上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射如圖3-14（左）所示，光電導(dǎo)效應(yīng)和阻擋層光電效應(yīng)，又稱光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，稱外光電效應(yīng)；后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱內(nèi)光電效應(yīng)。353.2傳感器原理光電式傳感器——光柵式傳感器

指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測量精度。傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等組成。標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，直接照到光電元件（如發(fā)光二極管）上，在其輸出端得到一串電脈沖，經(jīng)放大、整形、辨向和計數(shù)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移量。363.2傳感器原理壓電式傳感器

壓電式測力傳感器利用壓電敏感元件（簡稱壓電元件）直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)類型很多，但基本原理與結(jié)構(gòu)大同小異，主要有壓電元件、電極、引線、絕緣材料、上蓋和底座等組成。373.2傳感器原理微波傳感器

微波傳感器主要由微波振蕩器和天線組成。微波振蕩器產(chǎn)生微波，構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管及某些固體元件。微波振蕩器產(chǎn)生的信號用波導(dǎo)管傳輸，用天線發(fā)射。當(dāng)發(fā)出的微波遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化，再用接收天線接收被測物反射回的微波，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，通過測量電路處理，就實現(xiàn)微波檢測。383.2傳感器原理化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器是指對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的傳感器。如CO、CO2、O2、H2S傳感器、PH值傳感器、酒精濃度傳感器等。對比人的感官，化學(xué)傳感器大體對應(yīng)于人的嗅覺和味覺器官。但它還能感受人不能感受的某些物質(zhì)，如H2、CO等。393.2傳感器原理生物傳感器

生物傳感器（biosensor）是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，是由生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì)）、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器（如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等）及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。403.2傳感器原理MEMS陀螺儀傳感器

陀螺儀的原理就是，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。在許多智能終端中，幾乎所有的MEMS陀螺儀中都沒有機械旋轉(zhuǎn)器件，它主要利用振動來誘導(dǎo)和探測哥里奧利力，利用哥氏加速度對振動質(zhì)量塊的作用來檢測慣性轉(zhuǎn)動。413.2傳感器原理423.3智能傳感器

3.3.1智能傳感器概述

3.3.2智能傳感器的功能與優(yōu)點

3.3.3常見智能傳感器

智能傳感器（intelligentsensor或smartsensor）具有綜合采集、處理與交換信息的能力，是傳感器與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物，使之同時具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。智能傳感器通常具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。433.3.1智能傳感器概述與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器的優(yōu)點：443.3.1智能傳感器概述通過軟件可實現(xiàn)高精度的信息采集與前端處理，且成本低具有一定的編程自動化能力多功能化具有一定的自診斷與自維護(hù)能力智能傳感器的主要功能：453.3.2智能傳感器的功能和優(yōu)點信息存儲和傳輸自補償和計算功能自檢、自校、自診斷功能復(fù)合敏感功能智能傳感器的集成化智能傳感器的優(yōu)點：463.3.2智能傳感器的功能和優(yōu)點較高信噪比改善性能信號規(guī)一化473.3.3幾種智能傳感器智能壓力傳感器

這是一種以壓力測量為主，能同時動態(tài)監(jiān)控傳感系統(tǒng)自身運行環(huán)境溫度，能對其漂移進(jìn)行補償，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運算、電壓調(diào)節(jié)、數(shù)字轉(zhuǎn)換及傳輸接口等。483.3.3幾種智能傳感器智能溫濕度傳感器

此類傳感器體積微小如火柴頭，具有復(fù)合傳感功能、微控單元、溫度加熱調(diào)整器、校準(zhǔn)存儲模塊、通信接口等。同時，傳感器的單元化設(shè)計，使其能方便地整合到其他系統(tǒng)甚至組件中。493.4微機電系統(tǒng)傳感器

3.4.1微機電系統(tǒng)傳感器概述

3.4.2MEMS智能傳感器的分類與應(yīng)用

3.4.3MEMS的發(fā)展前景與應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS(MicroElectromechanicalSystem)，微機電系統(tǒng)MEMS是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。503.4.1微機電系統(tǒng)傳感器概述513.4.1微機電系統(tǒng)傳感器概述523.4.1微機電系統(tǒng)傳感器概述MEMS的優(yōu)點微型化MEMS器件體積小、精度高以硅為主要材料，機械電氣性能優(yōu)良能耗低，靈敏度和工作效率高可批量生產(chǎn)集成化學(xué)科上的交叉綜合應(yīng)用上的高度廣泛

微機電系統(tǒng)從信息獲?。▊鞲衅鳎┑叫畔⑻幚恚ㄐ畔⑻幚黼娐罚┖托畔?zhí)行（執(zhí)行器）等功能都集成（單片或多片MEMS）一體。一般來說，采用微機械加工技術(shù)制作的MEMS器件大致可以分為力學(xué)換能器、熱學(xué)換能器、光學(xué)換能器、電磁學(xué)換能器、化學(xué)與生物傳感器及微流體器件等幾類。533.4.2MEMS智能傳感器的分類與應(yīng)用543.4.2MEMS智能傳感器的分類與應(yīng)用力學(xué)換能器力學(xué)傳感器速度壓力應(yīng)變聲音觸覺力學(xué)執(zhí)行器靜電式熱學(xué)式壓電式機械電路元件力學(xué)換能器553.4.2MEMS智能傳感器的分類與應(yīng)用光學(xué)換能器光學(xué)傳感器光電效應(yīng)光倒效應(yīng)熱電效應(yīng)光學(xué)執(zhí)行器光斬波器光纖轉(zhuǎn)換開關(guān)數(shù)字微鏡器件光學(xué)換能器563.4.2MEMS智能傳感器的分類與應(yīng)用熱學(xué)換能器熱學(xué)傳感器熱電阻熱電偶原理PN結(jié)效應(yīng)熱學(xué)執(zhí)行器微型溫度傳感器微型露點傳感器微型熱量計等熱學(xué)換能器573.4.2