传感器的智能化与微型化课件

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1、传感器的微型化与智能化,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,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,（对温度敏感的材料）,传感器的微型化与智能化,引言 传感器是构建现代信息系统的重要组成部分。 现代信息技术的三大支柱： 1. 传感器技术（信息采集）“感官” 2. 通信技术（

2、信息传输） “神经” 3. 计算机技术（信息处理）“大脑”,目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展。 据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测，在2003年2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年20的高速度增长。 智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和家用电器等领域。,第一节 传感器的智能化,1 智能传感器的定义及功能 1.1 智能传感器的定义 目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor”；美国人则习惯于把智能传感

3、器称作“Smart Sensor”，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。 所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。,即：智能传感器可以对信号进行检测、分析、处理、存储和通信，具备了人类的记忆、分析、思考和交流的能力，即具备了人类的智能,需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况： （1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器” （2）传感器能够配微处理器。 显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能传感器的范畴。,智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用。

4、,智能传感器的原理与构成,1.2 智能传感器的功能 （1）具有自校准和自诊断功能。智能传感器不仅能自动检测各种被测参数，还能进行自动调零、自动调平衡、自动校准，某些智能传感器还能自标定、自补偿功能。,（2）具有数据存储、逻辑判断和信息处理功能，能对被测量进行信号调理或信号处理（包括对信号进行预处理、线性化，或对温度、静压力等参数进行自动补偿等）。,（3）具有组态功能，使用灵活。在智能传感器系统中可设置多种模块化的硬件和软件，用户可通过微处理器发出指令，改变智能传感器的硬件模块和软件模块的组合状态，完成不同的测量功能。,（4）具有双向通信功能，能直接与微处理器（P）或单片机（ C ）通信。,2

5、智能传感器的特点 2.1 高精度 智能传感器采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，能达到高精度指标。,美国霍尼韦尔（Honeywell）公司：PPT、PPTR系列智能精密压力传感器，测量精度为0.05，比传统压力传感器的精度大约提高了一个数量级。,2.2高可靠性与高稳定性,2.3高信噪比与高分辨力,2.4自适应性强,2.5性能价格比高,3、智能传感器实现的途径,目前传感技术的发展是沿着三条途径实现智能传感器的，非集成实现、集成化实现、混合实现。,集成智能传感器外形示意图,非集成式智能传感器框图,在一个封装中可能的混合集成实现方式,第二节 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

6、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

7、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,陀螺仪的原理：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。 现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,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

8、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

9、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。,第三节 传感器的发展和应用,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

10、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

11、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

12、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

13、足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息。,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

14、有“透明的战场”。 自阿富汗和伊拉克战争以来，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

15、，美军在胡志明小道投下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

16、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,精准灌溉,变量喷药,精量播种,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