传感器的原理与应用.

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1、传感器原理与应用传感器原理与应用 戴小鹏 信息技术培训 信息技术是总的名称， 它包括哪些技术？ 信 息 技 术 可分为系统层次和基础层次。系统层次包括： 3、计算机技术 2、通信技术 1、传感技术Collection 获取信息 （信息识别、信息提取、信息检测） Communication 传递信息 Compution 处理信息 （实现信息的快速、可靠、安全的转移） （对信息进行编码、压缩、加密、存储） 4、控制技术Control 利用信息 （信息显示和对外控制） 5、对抗技术Countermeasure 保护信息 两者结合， 形成计算机网络技术 （信息安全与信息对抗） 1、传感技术Collec

2、tion 获取信息 （信息识别、信息提取、信息检测） Wii 健身运动 游戏很好玩， 工作原理是什么 ？ 触摸屏是怎么感知的？ 使用者翻动手机选择“响铃 ”或“震铃”； 摇晃手机变换不同的铃声和 游戏； 音乐和壁纸随着人们的动作 而变化。 摇晃你的手机 传感器 身边的传感器 CCD 热敏电阻 传声器 温控器 力传感器 温度开关 实验室的 传感器 什么是传感器 狭义地定义： 能够将外界的非电信号，按一定规律 转换成电信号输出的器件或装置。 温度变化 电阻值变化 热敏电阻 这些是传感器吗？ 记忆合金 热敏油墨热敏灯罩温度变化 狭义地定义： 能够将外界的非电信号，按一定规律 转换成电信号输出的器件或

3、装置。 （对温度敏感的材料） 传感器的微型化 人类社会的全面信息化，使得信息系统 正朝着微型化、多功能化和智能化的方向 迅速发展。 随着微电子技术的进步，微处理器、存 储器等电子器件日益微型化，而传感器、 执行器的微型化程度却远远落后，成了信 息系统微型化的“瓶颈”。 于是， “MEMS 技术”应运而生。 将传感器、微处理器、执行器合为一体， 构成微电子机械系统，是人们很久的愿望。 Micro Electro Mechanical System 集成电路内部结构 MEMS是“微机械电子系统”的英文缩写。 微机电系统是采用微机械加工技术，将微型 传感器、微型执行器、微型机构和相应的处理 电路集成

4、在一起的微型器件或微型系统。 机械部分能够 微型化吗？ MEMS “微米级”加工技术 100m 显微照片 1988年美国科学家 研制。 转子直径120微米， 厚1微米。在 380V电 压驱动下，最大转速 每分钟500转。 第一台静电电动机 传统的陀螺仪 陀 螺 仪 环形陀螺仪 MEMS 陀螺仪的作用 MEMS 独轮车上的陀螺仪 MEMS MEMS 微型传感器 压强传感器 压力传感器 微传感器的尺寸大多为毫米级，甚至更小 。例如：压力微传感器可以放在注射针头内 ，送入血管测量血液流动情况。 加速度传感器 三轴陀螺仪 MEMS 微型执行器 自海湾战争以来，美军越来越多地使用精确制 导武器，实行战场

5、上的精确打击。 为了提高命中精度，将惯性导航系统（陀螺仪 ）和GPS复合后作为制导技术。 GPS提供时间和定位数据，并校准陀螺仪；而 陀螺仪提供飞行参数，在GPS信号中断期间进行 导航。二者取长补短，提高导航精度。 MEMS 微型陀螺仪 MEMS 与“精确打击” 制 导 炸 弹 JDAM导弹 导弹采用GPS定位和微型陀螺仪制导，导 弹发射后无需人工干预，可以自主飞行，具 有多目标攻击能力。这是第四代制导炸弹优 于激光制导炸弹的显著特点。 GPS卫星导航 因建筑物和植被等原因，GPS信号会出现 中断。此时，由微型陀螺仪提供移动角度， 結合车辆移动的时间及速度，可计算出方向 和距离，以此检查移动车

6、辆的行进路线，作 为 GPS 的辅助导航，直到GPS信号恢复正常 。 MEMS MEMS陀螺仪 随着微机电系统、传感器、无线通信 ，以及集成电路等技术的发展和成熟， 低成本、低功耗的微型传感器的大量生 产成为可能。 同时，传感器的信息获取技术，已经 从过去的单一化逐渐向集成化、微型化 和网络化的方向发展。 传感器的微型化、网络化 方法一：100元的多功能智能传感器 1件 监测室内环境（温度、湿度、光照度、悬浮物、有害气体） 方法二：10元的单一功能简单传感器 10件 由众多低成本、低功耗的微型 传感器组成传感器网络，全方位 地进行监测。 传感技术MEMS通信技术 无线传感器网络 “无线传感器网

7、络”由此孕育而生 汶川地震 东南亚海啸 澳大利亚森林大火 土耳其水灾 泥石流 山体滑坡 冰 冻 研究人员的方案： 将大量的传感器布置在需要预警的 区域内，随时监测目标的细微变化， 经过分析和判断，及时传递有关信息 ，从而为人类提供足够的防御时间。 这就是: 对于这些灾难， 能否预先得到警示呢？ Wireless Sensor Network（WSN） 无线 传感器 网络 将成千上万个微型传感器密集地分布 在森林中，各传感器通过无线网络相互 协作，共同执行分布式感知任务，并将 准确的火源信息传送给信息中心。 例如：森林火警系统 微型传感器 什么是无线传感器网络 无线传感器网络是利用大量的微型 传

8、感器（结点），通过无线通信形成 网络，用来感知现场的信息。 结点中的微处理器对原始数据进行 初步处理后，经网络层层转发，最终 发送给基站，再由基站传送给用户， 从而实现对现场的监控。 这些结点采用MEMS技术，在一个微小的芯 片上集成了信息采集、数据处理和无线电通信 等多种功能。 传感器微型处理器无线通信 最小的芯片只有 1501507.5 微米 无线传感器网络由成千上万个微型传感器组 成，每个微型传感器称为网络的一个“结点” 。 结点的构成 传感器 应用程序 无线通信内 存 CPU 电 源 网络中的网关（基站） （较强的处理、通信能力） 网络中的结点 （简单处理、短距离通信 ） 通过飞机、火

9、箭、 人工等形式，将大量 传感器结点分布在需 要监测的区域内。 结点处于睡眠状态 结点间的通信 1、传感器结点激活； 2、通过无线通信，确 定自身的位置； 3、自动组织成网络； 唤醒、联络、确定自身位置 网关 结点 各传感器分别探测外部信息 温度 湿度 土壤成分 图象 压强 压力 光照 声音 加速度 ？ 因环境影响、能量 耗尽等原因，结点容 易发生故障。 磁场 位移 核辐射 各结点将信息汇聚到基站 结点出故障，其 它结点会自动寻找 别的“同伴”完成 任务。 网关 （路由器）既要 输出本身的信息， 还要传递其它结点 的信息。 结点能量不足时 ，只能输出本身的 信息，而无法传递 其它结点的信息。

10、卫星、互联网 信息经卫星、互联网到达用户 网关 网关对各路信息进行 过滤，把重要的信息发 送给用户。 例如： 为防范敌军坦克，飞机 在某区域撒落数千个传感 器结点，形成无线传感器 监测网络。 每个结点都配备磁传感 器和振动传感器。 以无线传感器监测网，替代地雷布阵 卫星、互联网 网关 大量结点 随机分布 联络、自身定位、 自动组织成网络 传感器探测磁场 和震动信息 1、是不是坦克？ 2、根据多点信息， 进行目标定位 报告时间、方位 、速度、方向 无线传感器网络起源于军事研究。 现代战争被喻为“感知者的胜利”。只有拥有全天候、 抗干扰、高灵敏度的传感器，才会有“透明的战场”。 自阿富汗和伊拉克战

11、争以来，各军事强国都非常重视网 络和传感器的重要作用，以提高“战场感知”能力。 无线传感器网络的应用 例如：美军研制的“战场感知与数据分发”系统，利用 地面传感器对目标进行探测、识别和跟踪，并将目标信息 通过网络系统直接传送给武器装备。 传感器 网络系统 “传感器到射手”作战模式： 这一技术的雏形，始于60年代越南战争。 越南胡志明小道 上世纪60年代越战期间， 越南北方通过老挝和柬埔寨 境内的秘密通道胡志明 小道向南方输送军用物资和 人员。 胡志明小道处于密林中， 美军很难发现。为了切断这 条运输通道，美军对其狂轰 滥炸，但效果不大。 胡志明小道 越战时期的无线传感器 后来，美军在胡志明小道

12、投下2万多枚， 被称为“热带树”的战场传感器系统，为轰 炸机提供准确的信息。 “热带树”由震动和音响传感器组成。传 感器落地后插入泥土中，仅露出伪装成树枝 的无线电天线，因而被称为“热带树” 。 当人员和车辆在其附近活动时，“热带树 ”便探测到目标产生的震动和声音信息，并 通过无线电通信传送到指挥中心。 “热带树”的成功应用，促使许多国家纷 纷研制各种地面传感器系统。 这是无线传感器最早的应用。 无线传感器网络的概念，起源于美国提 出的“智能尘埃”的设计思想。 将无线传感器制作成灰尘般大小。 在战场上抛撒成千上万、或许上百万个 “智能尘埃” ，用于监控敌人的活动。 这些传感器自行组织成无线传感

13、器网络 ，并对探测到的原始数据进行过滤，把重 要的信息发送给使用者。 “智能尘埃”的特征：成本低、体积小 、功耗低、分布式、自组织、无线通信。 “智能尘埃” 美国“911”事件 海湾战争，尤其是 911以后，美国军方希 望研究人员提供低功耗 的无线、多跳、自组网 技术，这进一步引发了 无线传感器网络的研究 热潮。 人们很快发现： 除了军事领域，无线传感器网络所具有的自组 织、微型化和对外部世界的感知能力，以及部署 简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点 ，在其它行业具有巨大的应用价值。 精准农业是在现代信息技术、 生物技术、工程技术基础上发展 起来的现代农业生产形式。 其核心技术是农田地理

14、信息系 统、全球定位系统、遥感技术和 计算机自动控制技术。 精 准 农 业 精量播种 变量喷药 精准灌溉 无线传感器结点 工业监测与控制 产品检测 天然气 压力监测 桥梁结构监测 监测风速、风向、 温度、湿度、能见度 、降雨强度等。 东海大桥 上海浦东机场的周界防入侵系统 在机场四周设立无线传感器 警戒网，形成低空、地面、地 下三维立体报警体系。每个结 点由震动、声响、磁场和微波 传感器等组成。 通过网络，可以随时监测周 边实况。 太湖水自动监测工程 在太湖大范围水域布放传感器，通过 无线传输方式 24小时监测太湖水质的各 项变化，并将数据及时传回数据中心。 水质自动监测浮标 我国科学家在海拔

15、4093米的南极冰穹 A地区，布设监测冰雪变化的“智能尘 埃”网络，将南极冰雪表面数据与空中 的遥感卫星监测数据相结合，对南极冰 穹开展天地一体的监测研究。 环境监测 无线传感器网络冰雪监测系统 楼宇环境监测 监测每层楼的 温度、湿度、光照度 监护器内整合了电极、生 物传感器、微型计算机芯片 和无线发射电路。 将监护器安置在患者身上 或植入体内，24小时监测心 律不齐症状。医生通过无线 网络可以及时了解每位病人 的病情。 这种便捷诊断可以大范围 实施，并可降低急救成本。 便携式心脏监护器 无线传感器网络的意义 无线传感器网络引起了全世界的 关注，被认为是继互联网之后的第 二大网络。 在无线传感

16、器网络研究及其应用 方面，我国与发达国家几乎同步启 动，它已经成为我国信息领域，位 居世界前列的少数项目之一。 无线传感器网络被称为21世纪最 具影响的技术之一；是改变世界的 十大新兴技术之首；是全球未来的 四大高新技术产业之一。 大型机 PC机 互联网 东方明珠金茂大厦环球金融中心上海中心 1998年 420米 2008年 580米 1994年 350米 492米 无线传感器网络 2014年 制高点 信息产业中，无线传感器网络 已成为继计算机和互联网之后， 国际竞争新的制高点。 1965年1980年1995年2010年 如果说： 互联网、移动通信连接的是人和人 ； 那么： 传感器网络连接的，则是物和物。 无线传感器网络将信息世界与物理世界融合 在一起，改变人类与自然界之间的交互方式。 互联网构成逻辑上的信息世界，改变了人与人 之间的沟通方式。 未来 人们将通过遍布四周的传感器网络，直接感知客观世界。 传感器网络物 联 网 “物 联 网”（