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1、物联网导论,当今社会的是信息化的社会。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发、获取、传输与处理。尤其在物联网中，系统需要感知各种各样物的信息，而如何识别这些物的信息，作为物联网前端的传感器发挥了巨大的作用。传感器是获取自然领域中非电属性信息的主要途径与方法，是现代科学的中枢神经系统。传感器是指那些对被测对象的某一特定属性具有感受(或响应)与检测功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器是获,第三章 物联网传感技术,物联网导论,取自然领域中非电属性信息的主要途径与方法，是现代科学的中枢神经系统。传感器是指那些对被测对象的某一特定属性具有感受(或响
2、应)与检测功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的各种信号。伴随着物联网术的不断发展，现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的空间，发展前景十分广阔。,物联网导论,学习重点： 1、掌握物联网传感器定义、组成以及各种常用传感器的原理 2、掌握物联网检测技术中的压力和温度检测技术 3、掌握无线传感器网络的定义、体系结构及其设计方法,物联网导论,3.1物联网传感器技术,传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转化成便于处理和传输的另一种
3、物理量（一般为电量）的装置。广义地讲，传感器是获取和转换信息的装置。一般由敏感元件、转换元件、信号调节与转换电路组成，有时还要提供辅助电源。传感器作为重要的检测器件，种类繁多，但可以按照不同的分类标准分类，例如按输入量可分为温度、压力、位移、速度、加速度、湿度、声压、噪声、浓度、PH值等。下面对传感器的概念、原理、常用传感器以及传感器新技术进行介绍。,物联网导论,传感器是一种以一定精度把被测量（主要是非电量）转化为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置，传感器的这一描述确立了传感器的基本组成及结构。,3.1.1传感器的定义、组成与分类,物联网导论,1、传感器的定义 通常传
4、感器又被称为变换器、转换器、检测器、敏感原件、换能器。传感器是一种能把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。应当指出，这里所谓的“可用信号”是指宜于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。,物联网导论,2、传感器的组成,当前，由于电子技术、微电子技术、电子计算机技术的迅速发展，使电学量有了易于处理、便于测量等特点，因此传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源，其典型组成如图3-1所示。,物联网导论,图3-1 传感器的组成,物联网导论,1) 敏感元件 敏感元件（Sens
5、itive Element）直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种物理量的元件。敏感元件位于传感器系统的前端，直接接触各种实际测量的特定环境，敏感元件的某些属性会随着特定环境的变化而变化，通过敏感原件的属性的这个特点，为后续的系统提供数据。,物联网导论,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。元件传感器结构如下图所示。例如，电阻应变片在作应变测量时，就是一个元件传感器，它直接感受被测量应变，输出与应变有确定关系
6、的电量电阻变化。元件式传感器如图3-2所示。,图3-2 元件式传感器,物联网导论,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。,3）变换电路,物联网导论,传感器的优劣，一般通过若干个性能指标来表示。除了在一般检测系统中所用的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阈值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性以及与环境相关的参数、使
7、用条件等。,3、传感器的性能参数及要求,物联网导论,使用频率范围： 指灵敏度随频率而变化的量值不超出给定误差的频率区间。其两端分别为频率下限和上限。为了测量静态机械量，传感器应具有零频率响应特性。传感器的使用频率范围，除和传感器本身的频率响应特性有关外，还和传感器安装条件有关（主要影响频率上限）。,物联网导论,动态范围： 动态范围即可测量的量程，是指灵敏度随幅值的变化量不超出给定误差限的输入机械量的幅值范围。在此范围内，输出电压和机械输入量成正比，所以也称为线性范围。 相移： 指输入简谐振动时，输出同频电压信号相对输入量的相位滞后量。相移的存在有可能使输出的合成波形产生崎变，为避免输出失真，要
8、求相移值为零或，或者随频率成正比变化。,物联网导论,阈值: 即零位附近的分辨率，也就是指能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值。 漂移： 指一定时间间隔内传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。包括有零点漂移与灵敏度漂移。 过载能力： 指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。,物联网导论,稳定性： 指传感器在具体时间内仍保持其性能的能力。 重复性： 指传感器输入量在同一方向做全量程内连续重复测量所得输出/输入特性曲线不一致的程度。产生不一致的主要原因是传感器的机械部分不可避免地存在着间隔、摩擦及松动等。 可靠性： 通常包括工作寿命、平均无故
9、障时间、疲劳性能、绝缘电阻、耐压等指标。,物联网导论,传感器工作要求： 主要要求有高精度、低成本、高灵敏度、稳定性好、工作可靠、抗干扰能力强、动态特性良好、结构简单、使用维护方便、功耗低等。,4、传感器的分类,1） 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类：物理传感器诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号；化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。,物联网导论,有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器
10、技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。,2） 按照传感器用途可分类为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。,物联网导论,3）按照传感器输出信号为标准可将传感器分为： a)模拟传感器，将被测量的非电学量转换成模拟电信号。b)数字传感器，将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。c)膺数字传感器，将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换
11、)。d)开关传感器，当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。,物联网导论,在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。 按照应用材料可分类为： 按照其所用材料的类别分为金属、聚合物、陶瓷和混合物。 按材料的物理性质分为导体、绝缘体、半导体和磁性材料。 按材料的晶体结构分单晶、多晶和非晶材料。,物联网导论,在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转
12、换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。,3.1.2传感器的特性,物联网导论,1、传感器静态特性 静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 1) 线性度 指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。,物联网导论,2) 灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量y 与引起该增量的相应输入量增量x 之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，显然，灵敏度S 值越大，表示传感器越灵敏。 3) 迟滞 传感器在输
13、入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。,物联网导论,4) 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。 5) 漂移 传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出量的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。,物联网导论,
14、温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20)时的输出值的变化量与温度变化量之比。 6) 测量范围(measuring range) 传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。 7) 量程(span) 传感器测量范围的上限值与下限值的代数差，称为量程。,物联网导论,8) 精度(accuracy) 传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映，测量误差越小，传感器的精度越高。传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示，其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差，由系统误差和随机误差两部分组成。
15、工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差。如果传感器的工作条件偏离正常工作条件，还会带来附加误差，温度附加误差就是最主要的附加误差。,物联网导论,9) 分辨率和阈值(resolution and threshold) 传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨率。对于某些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨率就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表，分辨率就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨率时，数字式仪表的最后一位数不变
16、，仍指示原值。当分辨率以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨率。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”(dead band)，则将死区的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。,物联网导论,10) 稳定性(stability) 稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响了传感器的稳定性。 稳定性一般以室温条件下经过规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，称为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可用绝对误差来表示。,物联网导论,2、传感器动态特性 动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易
