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1、第 4 章 物联网关键技术 感知技术,学习任务,Click to add title in here,感知技术标识技术通信技术网络技术网络定位技术应用服务技术安全与隐私技术硬件技术电源和能量存储技术,4.1 感知技术,感知功能是构建整个物联网的基础感知功能的关键技术有：传感器技术、信息处理技术传感器技术：数据信息的采集信息处理技术：数据信息的加工处理,4.1.1 传感器的组成和结构,1. 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路三部分组成，有时还加上辅助电源，其典型组成如下图所示。,4.1.1传感器的组成和结构,（1）敏感元件敏感元件（Sensitive Element）直接感受被
2、测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。（2）转换元件转换元件（Transduction Element）是传感器的核心元件，它以敏感元件的输出为输入，把感知的非电量转换为电信号输出。转换元件本身可作为一个独立的传感器使用。这样的传感器一般称为元件传感器。,4.1.1传感器的组成和结构,转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被测量成确定关系的其它非电量，再把这一“其它非电量”转换为电量。这时转换元件本身不作为一个独立的传感器使用，而作为传感器的一个转换环节。而在传感器中，尚需要一个非电量(同类的或不同类的)之间的转化环节。这一转换环节，需要由另外一些部件（敏感元件等）来完成，这样的
3、传感器通常称为结构式传感器。,4.1.1传感器的组成和结构,（3）变换电路变换电路（Transduction Circuit）将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换，较为复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,4.1.1传感器的组成和结构,2. 传感器的结构形式（1）选择固定信号方式的传感器直接结构固定信号方式是把被测量以外的变量固定或控制在某个定值上，以金属导线的电阻为例，电
4、阻是金属的种类、纯度、尺寸、温度、应力等的函数。如仅选择根据温度产生的变化作为信号时就可制成电阻温度计；如果选择尺寸或应力而变化作为信号时就可制成电阻应变片。,4.1.1传感器的组成和结构,选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形式。这种传感器是由一个独立的传感元件和其它环节构成，直接将被测量转换为所需输出量。直接式传感器的构成方法有以下几种。,4.1.1传感器的组成和结构,图（a）是仅有传感元件的最简单的一种，如热电偶和压电元件；图（b）是使用电源提供输出能量，如光敏晶体管；,图（c）是利用磁铁为传感元件提供能量，如磁电式传感器；而霍尔传感器则是（b）（c）两种情况的结合。图（d）所示的传感
5、元件是阻抗元件，输入信号改变其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，必须设计包括元件在内的变换电路，如具有电桥电路的电阻应变传感器等。,4.1.1传感器的组成和结构,（2）选择补偿信号方式的传感器补偿结构大多数情况下，传感器特征要到周围环境和内部各种因素的影响，在这些影响下不能忽略时，必须采取一定措施，以消除这些影响。,补偿式传感器的构成方法,4.1.1传感器的组成和结构,（3）选择差动式信号方式的传感器差动结构使被测量反向对称变化，影响量同向对称变化，然后取其差，就能有效地将被测量选择出来，这就是差动方式。,传感器差动式结构,4.1.1传感器的组成和结构,（4）选择平均信号方式的传感器平均结构平
6、均信号方式来源于误差分析理论中对随机误差的平均效应和信号（数据）的平均处理，在传感器结构中，利用n个相同的转换元件同时感受被测量，则传感器的输出为各元件输出之和，而随机误差则减小为单个元件的误差。采用平均结构的传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器等，在具有差动作用的同时，具有明显的平均效果。,4.1.1传感器的组成和结构,（5）选择平衡信号方式的传感器闭环结构闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈技术，极大地提高了性能。同开环传感器相比较，闭环传感器在结构上增加了一个由反向传感器构成的反馈环节，其原理结构如下图所示。,4.1.2 传感器技术,传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在
7、物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。,4.1.2 传感器技术,1按被测量分类:被测量的类型主要有：机械量，如位移、力、速度、加速度等；热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位等；物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。,4.1.2 传感器技术,2按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现有传感器的测量原理都是基于物理、化
8、学和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。,4.1.2 传感器技术,3按信号变换特征分类1）结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换。例如，电容式传感器依靠极板间距离的变化引起电容量的改变。2）物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号的变换。例如水银温度计是利用水银热胀冷缩现象测量温度；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量等。,4.1.2 传感器技术,4按能量关系分类1）能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶、光电池等，这种类型传感器又称为有源传感器。
9、2）能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如电阻式、电感式等传感器，这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此又称为无源传感器。,4.1.2 传感器技术,5按工作原理分类（1）电学式传感器电学式传感器是非电量测量技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。（2）磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。,4.1.2 传感器技术,（3）光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光
10、电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。（4）电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。,4.1.2 传感器技术,（5）电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。（6）半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。,4.1.2 传感器技术,（7）谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测
11、量压力。 （8）电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。,4.1.2 传感器技术,另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。,传感器的转换框图,4.1.2 传感器技术,前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，
12、当有压力作用到弹簧管时，弹簧管发生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。,4.1.2 传感器技术,2. 常见传感器 作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。常见的传感器包括温度，压力，湿度，光电，霍尔磁性传感器，等等。,4.1.2 传感器技术,（1） 温度传感器 常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。 热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。 半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点
13、。 温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200 2000。,4.1.2 传感器技术,温度传感器,4.1.2 传感器技术,（2） 压力传感器常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。,4.1.2 传感器技术,（3） 湿度传感器湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。电阻式湿度传感器也成为湿敏电阻，利用氯化锂，碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。,4.1.2 传感器技术,湿
14、度传感器,4.1.2 传感器技术,（4） 光传感器 光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大类。光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。,4.1.2 传感器技术,（5） 霍尔（磁性）传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。,4.1.2 传感器技术,霍尔传感器,4
15、.1.2 传感器技术,霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流，振动，位移，速度，加速度，转速等等，具有广泛的应用价值。,4.1.2 传感器技术,3. 微机电（MEMS）传感器 微机电系统的英文名称是Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展趋势。,4.1.2 传感器技术,（1） 微机电压力传感器 某轮胎压力传感器的内部结构以及外观如下图所示。该压力传感器利用了传感器
16、中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。,4.1.2 传感器技术,（2）微机电加速度传感器 微机电加速度传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。,4.1.2 传感器技术,（3）微机电气体流速传感器 以下图片中的气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。,4.1.2 传感器技术,4. 智能传感器 智能传感器（smart sensor）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。,
