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1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一拾 音 器学习单元二超声波传感器学习单元三微波传感器学习单元四无线射频识别模块六模块六 声敏传感器声敏传感器模块六模块六 声敏传感器声敏传感器模块导读模块导读广义范围上，从人耳能够识别的声波到超出人类听力范围的次声波、超声波、微波和频率范围更广的无线射频电波，都属于声音的范畴。从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开声波的感知和控制。声波虽然看不见、摸不着，却是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是工程设计中经常遇到的物理量。模块六模块六 声敏传感器声敏传感器模块导读模块导读近几年，随着人类对声波认识的逐步加深，有关声波测控的应
2、用技术也取得了不断的进步，出现了很多关于超声波传感器和微波传感器的应用领域，特别是无线射频识别技术在许多新兴领域得到了快速发展。声敏传感器所涉及的内容主要包括拾音器、超声波传感器、微波传感器和无线射频识别等，本模块针对常见的声敏传感器进行教学，使学生掌握利用声敏传感器进行声波测量的方法。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器这里所说的拾音器，是指对人耳能够识别的声波（频率为20Hz20kHz）进行感知的传感器。拾音器相当于一个话筒（麦克风），它用来接收声波，显示声音振动图像。拾音器能显示声音强度大小，也能研究声音的波形。拾音器按照其工作原理可以分为动圈式拾音器、电容式拾音器和驻极体拾音器等。学
3、习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器 拾音器的工作原理一、一、拾音器使用的是与人类耳朵相似的具有频率反应的电话筒。电路把信号放大并将其传送到接口电路。如最常见的电容式拾音器，它内置一个对声音敏感的电容式话筒，声波使话筒内的薄膜振动，导致电容的变化，产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成05V的电压，经过A/D转换被数据采集器接收并传送给计算机。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器 拾音器的分类二、二、动圈式拾音器动圈式拾音器1.如图6-1所示，动圈式拾音器也称动圈式话筒，是把声音转变为电信号的装置。它是利用电磁感应原理制成的。当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（音圈）随着一
4、起振动，音圈在永久磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。图6-1动圈式拾音器学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器动圈式话筒的基本结构如图6-2所示，它主要由振膜、音圈、磁钢、风罩和外壳等组成。图6-2动圈式话筒的基本结构学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器音圈放置在磁钢的圆形气隙中，黏接在振膜上。当声波作用到振膜上时，振膜带动音圈在磁钢所产生的磁场中做相应振动，从而切割磁力线，音圈两端就会产生感应电动势，于是声波便被转换成相应的音频电信号。由于话筒输出的电动势很弱，通常在话筒输出端配接一个升压变压器，以便与卡拉OK机连接。风罩是话筒的重要附件，能减小由于刮风或移动传声器时产生的猝
5、发气流噪声，衰减近距离讲话时所产生的口齿、呼吸等杂音，还能防止灰尘进入话筒。动圈式话筒是最早使用的话筒，半个多世纪以来，其原理没有变化，但其性能技术指标有了很大提高，优质的动圈式话筒的性能已接近电容式话筒。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器动圈式话筒的特点是使用较简单，无须极化电压，牢固可靠，性能稳定，价格相对便宜。频率特性良好，5015000Hz频率的幅频特性曲线平坦。动圈式话筒噪声低，在卡拉OK方面仍广泛使用，它的瞬态响应和高频特性不及电容式拾音器。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容式拾音器电容式拾音器2.如图6-3所示，电容式拾音器即电容话筒。利用一层特殊材料带上电荷，作为电
6、容的一个极，这里的电荷不易释放，与其相隔零点几毫米处有另外一个固定电极，这样就形成一个几皮法的电容器。图6-3电容式拾音器学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器薄膜电极跟随声波振动而导致它和某一极板的间距也在不断发生变化，使得电容发生变化。又由于它上面带的电荷不变，再根据Q=CU，电压也会随着发生变化，这样就将声音信号转换为电信号了。电容式话筒一般灵敏度都很高，比常用的动圈式话筒灵敏得多。电容式话筒的核心组成部分是极头，由两片金属薄膜组成。当声波引起其振动的时候，金属薄膜间距的不同造成了电容的不同，从而产生电流。电容式话筒一般需要使用外部电压源向电容器供电。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器
7、器电容式话筒的大致结构如图6-4所示。电容的两个极板被分成两个部分，分别被称为振膜和背极。图6-4电容式话筒的大致结构学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器一般来讲，电容式话筒在灵敏度和扩展后的高频（有时也会是低频）响应方面要优于动圈式话筒，这与电容式话筒需要先将声音信号转换成电流的工作原理有关。通常，电容式话筒的振膜都非常薄，很容易受到声压影响而发生振动，从而引起振膜与振膜舱后背板之间电压的相应改变。而这种电压的改变会经过前置放大器的多倍放大之后，再转换成声音信号输出。由于电容式话筒振膜的面积非常小，因而其对低频或高频声音信号的响应非常灵敏。绝大多数电容式话筒都能够精确捕捉到很多人耳听不到的
8、声音信号。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容式话筒适用于任何需要优质音质、声音清晰的使用场所。由于坚固耐用的结构和处理高声压的能力，电容式话筒是现场扩声或录音的最佳选择，它能对脚鼓、吉他、贝斯音箱进行拾音。电容式话筒的特点为：频率特性好，在音频范围内幅频特性曲线平坦，这一点优于动圈式话筒；灵敏度高，噪声小，音色柔和；输出信号电平比较大，失真小，瞬态响应性能好，这是动圈式话筒所达不到的；同时，电容式话筒的工作特性不够稳定，低频段灵敏度随着使用时间的增加而下降，寿命比较短，工作时需要直流电源而造成使用不方便。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器驻极体拾音器驻极体拾音器3.如图6-5所示，
9、驻极体拾音器即驻极体话筒，它具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中，它属于电容式话筒的一种。由于驻极体话筒的输入和输出阻抗很高，因此要在话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此，驻极体话筒在工作时需要直流工作电压。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器图6-5驻极体拾音器学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器驻极体话筒的内部结构如图6-6所示。它由声电转换系统和场效应管两部分组成，其电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线：漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一个电容做信号输出。漏极输出有两根引出线：漏极D经一个电
10、阻接至电源正极，再经一个电容做信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性判别。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器图6-6驻极体话筒的内部结构在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。再对调两表笔，比较两次测量结果。阻值较小的那次，黑表笔接的是源极S，红表笔接的是漏极D。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。驻极体话筒的工作原理是：高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作
11、用下，极化膜随着声音振动，因此和背极的距离也跟着变化，即极化膜和背极间的电容是随声波变化。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容上电荷量的计算公式为Q=CU，则U=Q/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变的，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会升高；反之，电容量增加时电容两极间的电压就会降低。由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器电容器的两个电极接在栅源极之间，电容两端电压为栅源
12、极偏置电压UCS，UCS变化时，引起场效应管的源、漏极之间电流IDC的变化，实现了阻抗变换。一般话筒经变换后输出电阻小于2k。通过阻抗非常高的场效应管将电容两端的电压取出来，同时进行放大，就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒要加一个直流偏置才能工作。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器表征驻极体话筒各项性能指标的参数主要有以下几项：（1）工作电压。这是指驻极体话筒正常工作时，所必须施加在话筒两端的最小直流工作电压。该参数视型号不同而有所不同，即使是同一种型号也有较大的离散性，典型值有1.5V、3V和4.5V。（2）工
13、作电流。这是指驻极体话筒静态时所通过的直流电流，它实际上就是内部场效应管的静态电流。和工作电压类似，工作电流的离散性也较大，通常为0.11mA。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器（3）最大工作电压。这是指驻极体话筒内部场效应管漏、源极两端所能够承受的最大直流电压。超过该极限电压时，场效应管就会被击穿损坏。（4）灵敏度。这是指话筒在一定的外部声压作用下所能产生音频信号电压的大小，其单位通常为mV/Pa（毫伏/帕）或dB（0dB=1000mV/Pa）。一般驻极体话筒的灵敏度为0.510mV/Pa或-66-40dB。话筒的灵敏度越高，在相同大小的声音下所输出的音频信号幅度越大。学习单元一学习单元
14、一 拾拾 音音 器器（5）频率响应。频率响应也称频率特性，是指话筒的灵敏度随声音频率变化而变化的特性，常用曲线来表示。一般来说，当声音频率超出厂家给出的上、下限频率时，话筒的灵敏度会明显下降。驻极体话筒的频率响应曲线一般较为平坦，其普通产品频率响应较好（即灵敏度比较均衡）的为100Hz10kHz，质量较好的话筒为40Hz15kHz，优质话筒可达20Hz20kHz。（6）输出阻抗。这是指话筒在一定的频率（1kHz）下输出端所具有的交流阻抗。驻极体话筒经过内部场效应管的阻抗变换，其输出阻抗一般小于3k。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器（7）固有噪声。这是指在没有外界声音时话筒所输出的噪声信号
15、电压。话筒的固有噪声越大，工作时输出信号中混有的噪声就越大。一般驻极体话筒的固有噪声都很小，为微伏级电压。（8）指向性。指向性又称方向性，是指话筒灵敏度随声波入射方向变化而变化的特性。话筒的指向性分单向性、双向性和全向性三种。单向性话筒的正面对声波的灵敏度明显高于其他方向，并且根据指向特性曲线的形状，可细分为心形、超心形和超指向形三种；双向性话筒在前、后方向的灵敏度均高于其他方向；全向性话筒对来自四面八方的声波都有基本相同的灵敏度。常用的机装型驻极体话筒绝大多数是全向性话筒。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器新型拾音器新型拾音器4.目前，新型拾音器主要有MEMS话筒、数字信号传声器、光纤传
16、声器等，应用前景比较好的是MEMS话筒。MEMS（微型机电系统）话筒是基于MEMS技术制造的话筒，简单地说就是一个电容器集成在微硅晶片上，可以采用表贴工艺进行制造，能够承受很高的回流焊温度，容易与CMOS工艺及其他音频电路相集成，并具有改进的噪声消除性能与良好的RF及EMI抑制能力。MEMS话筒的全部潜能还有待挖掘，但采用这种技术的产品已经在多种应用中体现出了诸多优势，特别是中高端手机应用中。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器目前，实际使用的大多数话筒都是ECM（驻极体电容器）话筒，这项技术已经有几十年的历史，ECM的工作原理是利用驻有永久电荷的聚合材料振动膜。与ECM的聚合材料振动膜相比
17、，MEMS话筒在不同温度下的性能都十分稳定，其敏感性不会受温度、振动、湿度和时间的影响。由于耐热性强，MEMS话筒可承受260的高温回流焊，而性能不会有任何变化。由于组装前后敏感性变化很小，因此还可以节省制造过程中的音频调试成本。集成在芯片上的宽带RF抑制功能，不仅对手机这样的RF应用尤其重要，而且对所有与手机操作原理类似的设备（如助听器）都非常重要。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器MEMS话筒的小型振动膜还有另一个优点，即轻巧，直径不到1mm，这意味着，与ECM话筒相比，MEMS话筒会对由安装在同一PCB上的扬声器引起的PCB噪声产生更低的振动耦合。在音频方面，MEMS话筒也有很多变化
18、。它不仅针对人声进行了优化，还有较高的声学敏感性。除了MEMS话筒，新型拾音器还包括数字信号传声器、阵列传声器、光纤传声器和压电（压电驻极体）传声器、唇语传声器等一些特种传声器。随着制造技术和信息技术的发展，会有更多的新型拾音器出现，也必将给人们的生活带来巨大的改变。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器思考与练习问题1常见的拾音器有哪几种？其主要区别是什么？思考：问题2拾音器的主要应用有哪些？思考：学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器课堂体验基本内容（1）最佳的声源是音叉，可以尝试比较不同声源的波形，如研究人类的声音、口哨、电子键盘及其他乐器，也可以尝试用两种频率几乎相同的声音来产生音拍的
19、波形图。可以对声音强弱进行调整，使得声音传感器能产生最佳的波形。如果声音太大，在波形的顶部或底部就会产生波形“缺失”现象。可以试着把声音传感器离声源稍远些，并把音量调得稍低些，观察有什么变化。学习单元一学习单元一 拾拾 音音 器器（2）驻极体话筒的灵敏度检测。在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响送话和录放效果。这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。将模拟式万用表拨至R100挡，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越
20、高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜采用。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。超声波检测是利用不同介质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检测技术。近几十年来，超声波检测技术在工业领域中的应用与其他无损检测手段相比，无论从使用效果、经济价值和适用范围来看，都有很广泛的发展前途。超声波检测主要应用在物位检测、厚度检测和金属探伤；在医学上，主要用于超声检查、超声清洗等。本学习单元主要是让学生掌握超声波传感器的基本工作原理和应用领域。学习单元二学习单元二 超声波传感
21、器超声波传感器 超声波和超声波传感器一、一、超声波及其性质超声波及其性质1.振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率为20Hz20kHz，能为人耳所闻的机械波称为声波；低于20Hz的机械波称为次声波；高于20kHz的机械波称为超声波，频率为300MHz300GHz的波称为微波。当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的波形不同，一般有以下几种：纵波，即质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体，液体和气体介质中
22、传播；横波，即质点振动方向垂直于传播方向的波它只能在固体介质中传播；表面波，即质点振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度，纵波、横波及表面波的传播速度与介质密度和弹性特性有关；在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速有一定的关系，一般横波声速为纵波的1/2，表面波声速为横波声速的90%。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，因此仅有纵波的传播。超声波在介质中传播时因被吸收而衰减，在气体中的传播距离会明显比在液体和固体中的传播距
23、离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理2.如图6-7所示，超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。图6-7超声波传感器学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波传感器统称为压电式超声波探头，按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在检测技术中压
24、电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。根据其结构不同，超声波探头可分为直探头式、斜探头式和双探头式，其中直探头式的结构如图6-8所示。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器图6-8超声波直探头的结构1换能片；2绝缘柱；3盖；4导电螺杆；5接线片；6压电片座；7外壳；8压电晶片；9保护膜；10吸收块学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波直探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成
25、。压电晶片多为圆板形，厚度为，超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，压电晶片的底面接地线，上面接导线引至电路中。吸收块的作用是降低压电晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有吸收块，当激励的电脉冲信号停止时，压电晶片因惯性作用会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差；当吸收块的声阻抗等于压电晶片的声阻抗时，效果最佳。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测液位超声波测液位 1. 超声波传感器的应用二、二、超声波测液位是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性制成的。如果从发射超声脉冲开始，到换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出液面
26、的高度。根据发射和接收换能器的功能，传感器可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器完成。图6-9所示为几种超声波液位检测的原理示意图。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波发射和接收换能器可设置在液体介质中，让超声波在液体介质中传播，如图6-9(a)所示；也可以安装在液面的上方，让超声波在空气中传播，如图6-9(b)所示，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。图6-9超声波测液位原理图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器对于单换能器，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器
27、的时间设为t，则h=ct/2式中，h为换能器距液面的距离；c为超声波在传播的速度。对于双换能器，液位高度则为式中，s=ct/2；2a为两个传感器探头的直线距离。从以上公式可以看出，只要测得超声波脉冲从发射到接收的时间间隔，便可以求得待测的液位高度。基于同样原理，可以应用超声波测距方法，实现机器人或智能轮椅的避障、定位、环境地图构建等工作。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测厚度超声波测厚度2.用超声波测量金属零件、钢管等材料的厚度，具有测量精度高、测试仪器轻便、操作安全简单、易于读数和可实现连续自动检测等优点；但对于声衰减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状很不规格的零件，超声
28、波测量就很难实现。超声波测厚度常用脉冲回波法，其测厚原理框图如图6-10所示。图6-10超声波测厚原理框图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器主控制器产生一定重复频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大激励压电式探头，以产生重复的超声脉冲，并耦合到被测工件中。脉冲传播到工件的另一面被反射回来，被同一探头接收，若超声波在工件中的传播速度v是已知的，设工件厚度为d，脉冲波从发射到接收的时间间隔为t且可以测量，则可以求出工件的厚度为d=vt/2。时间t的测量，可用示波器的方法，将发射和回波反射脉冲加至示波器的垂直偏转板上，标记发生器输出已知时间间隔的脉冲也加在示波器的垂直偏转板上，线性扫描
29、电压加在水平偏转板上，因此可以从示波器上直接观察发射和回波反射脉冲，并求出时间间隔t。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测速度超声波测速度3.超声波碰到活动物体能产生多普勒效应。因此，超声波可以用于车速的检测等速度测量领域。若发射机与接收机之间的距离发生变化，则发射机发射信号的频率与接收机收到信号的频率就不同。此现象是奥地利物理学家多普勒发现的，所以称为多普勒效应。根据声学多普勒效应，当向移动物体发射频率为f0的连续超声波时，被移动物体反射的超声波频率为f1，f1与f0服从多普勒关系。如果超声波发射方向和移动物体的夹角已知，就可以通过多普勒关系表达式得出物体的移动速度v。学习
30、单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器发射机发射出的超声波向被测物体辐射，被测物体以速度v运动，如图6-11（a）所示。被测物体作为接收机接收到的频率为f1=f0+v/0如果把f1作为反射波向接收机发射信号，如图6-11（b）所示，接收机接收到的信号频率为f2=f1+v/1=f0+v/0+v/1图6-11多普勒效应示意图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器由于被测物体的运动速度远小于电磁波的传播速度，因此可近似认为0=1，则f2=f0+2v/0由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即fd=f2f0=2v/0由此可见，被测物体的运动速度v可以用多普勒频率之差来描述。图6-12所
31、示为多普勒雷达检测线速度工作原理图。多普勒雷达的电路由发射机、接收机、混频器、检波器、放大器及处理电路等组成。发射信号和接收到的回波信号经混频器混频，两者产生差频输出，差频的频率正好为多普勒频率。fd=2vcos/0学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波测速还适合对含有较多杂质的流体进行流速测量，超声多普勒法只是其中一种，还有频差法和时差法等。图6-12多普勒雷达检测线速度工作原理图学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器超声波传感器的其他应用超声波传感器的其他应用4.超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，其中医学应用是其最主要的应用之一。超声波在医学上的应用主要是诊断疾
32、病，它已经成为临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是受检者无痛苦、无损害，方法简便，显像清晰，诊断的准确率高，因而容易推广，受到医务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的原理，其中以利用超声波的反射最为典型。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面时，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当
33、然，更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波技术将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测、机器人防撞、各种超声波接近开关及防盗报警等相关领域。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器（1）超声波传感器可以对集装箱状态进行探测。将超声波传感器安装在塑料熔体罐顶部，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等。（2）超声波传感器可用于检测透明物体，液体，任何表面粗糙、光滑和不规则物体，但不适用于室外、酷热环境或压力罐及泡沫物体。（3）超
34、声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。它配合新技术可在潮湿环境、噪声环境、温度剧烈变化环境等进行探测。学习单元二学习单元二 超声波传感器超声波传感器（4）超声波传感器可用于探测液位，探测透明物体和材料，控制张力及测量距离，主要用于包装、制瓶、物料搬运、塑料加工及汽车行业等。超声波传感器可用于流程监控，以提高产品质量、检测缺陷、确定有无及解决其他相关问题。（5）超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损检测。它对透明或有色物体，金属或非金属物体，液体、粉状物质均能检测，其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。学习单元二学习单元二 超声波传感器
35、超声波传感器思考与练习问题1什么是超声波？其频率范围是多少？思考：问题2超声波测距的基本方法是什么？思考：学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波传感器是继超声波、激光、红外和核辐射等传感器之后的一种新型非接触式传感器。它不仅可用于卫星通信、卫星发送等无线通信，而且在雷达、导弹诱导、射电望远镜等方面也有应用。由于微波与物质的相互作用，在工业中，微波传感器对材料无损检测及物位检测具有独到之处。它在工业、农业，能源，国防、公安，生物医学，环境保护和科学研究等方面具有广阔的应用前景。本学习单元主要介绍微波传感器的基本工作原理和分类。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器 微波传感器的工作原
36、理一、一、微波是波长为1mm1m的电磁波，既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同，它广泛用于液位、物位、厚度及含水量的测量。微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波传感器同时具有以下特点：传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小，介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。微波传感器由微
37、波振荡器、微波天线和微波检测器三部分组成。微波振荡器是产生微波的装置，由于微波波长很短，即频率很高（300MHz300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管；由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（波长在10cm以上可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线等。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器喇叭形天线结构简单，制造方便，可看作波导管的延长，它在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出；抛物面天线使微波发
38、射方向得到改善。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来获得被测量的，一般它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数；遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的位置、被测物中的含水量等参数。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器 微波传感器的分类二、二、微波式物位传感器微波式物位传感器1.微波传感器测物位的原理框图如图6-13所示。当被测物位较低时，发射天线发出的微波束全部由接收天线接收到，经检波、放大及电压比较后，显示正常工作、放大与电压比较
39、后，低于设定电压值，显示被测物位位置高于设定的物位信号。图6-13微波传感器测物位的原理框图学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波式液位传感器微波式液位传感器2.微波传感器测液位的原理图如图6-14所示。相距为S的发射天线和接收天线间构成一定角度，波长为的微波从被测液面反射后进入接收天线，接收天线收到的功率将随着被测液面的高低而变化，当发射功率、波长、增益均为恒定时，只要测得接收功率Pr就可获得被测液面的高度d。图6-14微波传感器测液位的原理图学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器微波式厚度传感器微波式厚度传感器3.微波传感器测厚的原理图如图6-15所示。在被测金属物体上、下两表
40、面各安装一个终端器，由上终端器发射到被测物体上表面，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环形器A、下传输波导管传输到下终端器。图6-15微波传感器测厚的原理图学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器24 GHz24 GHz雷达传感器雷达传感器4.24GHz雷达传感器也是微波传感器的一种，常见的有10GHz、24GHz、35GHz和77GHz频段。其中，24GHz和77GHz因为在大气中衰弱较弱，所以常被运用于交通测速雷达、汽车变道辅助系统、水位计、汽车ACC雷达巡航系统、天车防撞、机场防入侵、自动门感应和水龙头感应等。相对于传统的喇叭天线型微波传感器，此类传感器采用平
41、面微带技术，具有稳定性高、体积小、感应灵敏等特点。学习单元三学习单元三 微波传感器微波传感器思考与练习问题1什么是微波？其波长范围是多少？思考：问题2微波传感器的检测原理是什么？思考：学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别无线射频识别（radiofrequencyidentification，RFID）技术是自动识别技术的一种。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描。对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物，并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形码传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传
42、送至RFID读写器。RFID技术是一种非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境中。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别射频识别技术是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去的，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电源；也有的标签本身拥有电源，并可以主动发
43、出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别许多行业都运用了射频识别技术。将标签附着在一辆正在生产中的汽车上，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度；仓库可以追踪药品的所在；射频标签也可以附于牲畜与宠物身上，方便对其的积极识别（积极识别的意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入建筑锁住的部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。某些射频标签附着在衣物、个人财物上，甚至于植入人体。由于
44、这项技术可能会在未经本人许可的情况下读取个人信息，也会有侵犯个人隐私的可能。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID技术原理一、一、最初在技术领域，应答器是指能够传输信息、回复信息的电子模块。近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被称为智能标签或标签，如图6-16所示。RFID读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的读写器由高频模块（发送器和接收器）、控制单元及读写器天线组成。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别图6-16标签学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFID系统的基本
45、组成包括电子标签、读写器和应用软件。电子标签即应答器，是由天线、耦合元件及芯片组成的，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别如图6-17所示，读写器（reader）是由天线、耦合元件和芯片组成的，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器（如C5000W）或固定式读写器；应用软件是应用层软件，主要是对收集的数据进行进一步处理，并为人们所使用。图6-17手持式RFID读写器学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFIDRFID技术的特点技术的特点1.RFID技术具有射频技术的特点，射频识别系统最重要的优点
46、是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢等恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点，可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFIDRFID技术的工作原理技术的工作原理2.RFID技术的工作原理是读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。从RFID读写器及电子标签之间的通信及能量感应方式来看，RFID技术大致上可以分成感应耦合（inductivecoupling)及后向散射耦合（backs
47、cattercoupling）两种。一般低频的RFID技术大都采用第一种方式，而较高频的RFID技术大多采用第二种方式。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别读写器根据使用的结构和技术不同可以是读装置或读/写装置，它是RFID系统的信息控制和处理中心。读写器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。读写器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时读写器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合元件（线圈、微带天线等）
48、和微芯片组成无源单元。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFIDRFID技术的发展进程技术的发展进程3.19401950年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定射频识别技术的理论基础。19501960年，早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室研究阶段。19601970年，射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别19701980年，射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。19801990年，射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1
49、9902000年，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛应用，射频识别产品逐渐成为人们生活的一部分。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别2000年后，标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。现在射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID的分类二、二、依据工作频率的不同，RFID系统可
50、以分为低频、高频、超高频等；依据电子标签供电方式的不同，可以分为有源标签、无源标签和半有源标签。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别依据工作频率的分类依据工作频率的分类1.目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中，感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源感应器在不同工作频率时产品的特性及主要应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（1）低频（125135kHz）。RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。在该频段主要是通过电感耦合的方式进行工作，即在读写器线圈和感应器线圈间
51、存在变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作为供电电压使用。磁场区域能够很好地被定义，但是场强下降得太快。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别特性。a.工作在低频的感应器的一般工作频率为125135kHz。b.除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。c.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。d.低频产品有不同的封装形式。好的封装形式价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。e.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。f.相对于其他频段的RFID产品，该频段的数据传输速率比较低。g.感应器的价
52、格相对于其他频段来说较贵。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别c. c.马拉松赛跑系统的应用。马拉松赛跑系统的应用。e.e.自动加油系统的应用。自动加油系统的应用。f. f.酒店门锁系统的应用。酒店门锁系统的应用。b.b.汽车防盗和无钥匙开门系统的应用。汽车防盗和无钥匙开门系统的应用。d.d.自动停车场收费和车辆管理系统的应用。自动停车场收费和车辆管理系统的应用。g.g.门禁和安全管理系统的应用。门禁和安全管理系统的应用。主主要要应应用用 a.a.畜牧业的管理系统的应用。畜牧业的管理系统的应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别符合国际标准。a.ISO11784RFID畜
53、牧业的应用编码结构。b.ISO11785RFID畜牧业的应用技术理论。c.ISO14223-1RFID畜牧业的应用空气接口。d.ISO14223-2RFID畜牧业的应用协议定义。e.ISO18000-2定义低频的物理层、防冲撞和通信协议。f.DIN30745主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（2）高频（13.56MHz）。在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作，即通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们
54、通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别值得关注的是，在13.56MHz频段中主要由ISO14443和ISO15693两个标准组成。ISO14443系列产品识别距离近但价格低，保密性好，常作为公交卡、门禁卡来使用；ISO15693的最大优点在于它的识别效率，通过较大功率的读写器可将识别距离扩展至1.5m以上，由于波长的穿透性好，因此在处理密集标签时有优于超高频的读取效果。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别特性。a.工作频率为13.56MHz，该频率的波长约为22m。b.除了金属材料外，该频率的波长可以穿
55、过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。c.该频段在全球都得到认可，并没有特殊的限制。d.感应器一般采用电子标签的形式。e.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。f.该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。g.可以把某些数据信息写入标签中。h.数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别主要应用。a.图书管理系统的应用。b.瓦斯钢瓶的管理应用。c.服装生产线和物流系统的管理和应用。d.三表预收费系统的应用。e.酒店门锁的管理和应用。f.大型会议人员通道系统的应用。g.固定资产管理系统的应用。h.医药物流系统的管理和应用。i
56、.智能货架的管理。j.珠宝盘点管理。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别符合的国际标准。a.ISO/IEC14443近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm。b.ISO/IEC15693疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m。c.ISO/IEC18000-3标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通信协议。d.13.56MHzISMBandClass1定义了13.56MHz符合EPC的接口定义。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（3）超高频（860960MHz）。超高频系统通过电场来传输能量。电场能量下降得不是很快，但读取的区域难以进行定义。该频段读取距离比较远，无
57、源可达10m左右。其主要是通过电容耦合的方式进行实现。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别特性。a.对该频段的频率范围全球的定义并不一致。欧洲和部分亚洲国家和地区定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902905MHz，日本定义的频段为950956MHz。该频段的波长约为30cm。b.目前，该频段的功率输出没有统一的定义，美国定义为4W，欧洲定义为500mW，可能欧洲限制会上升到2W。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别c.超高频段的电波不能通过许多材料，特别是金属、液体、灰尘、雾等悬浮颗粒物质，即环境对超高频段的影响很大。d.电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线
58、性和圆极化两种设计，可以满足不同应用的需求。e.该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。f.该频段有很高的数据传输速率，在很短的时间内可以读取大量的电子标签。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别主要应用。a.供应链上的管理和应用。b.生产线自动化的管理和应用。c.航空包裹的管理和应用。d.集装箱的管理和应用。e.铁路包裹的管理和应用。f.后勤管理系统的应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别符合的国际标准。a.ISO/IEC18000-6定义了超高频的物理层和通信协议，空气接口定义了TypeA和TypeB两部分，支持可读和可写操作。b.EPCglobal定义了电
59、子物品编码的结构和超高频的空气接口及通信的协议，如Class0,Class1,UHFGen2。c.UbiquitousID定义了UID编码结构和通信管理协议。超高频的产品得到大量的应用，如沃尔玛、Tesco、美国国防部和麦德龙超市等都在它们的供应链上应用RFID技术。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别依据电子标签供电方式分类依据电子标签供电方式分类2.目前，RFID技术所衍生的产品大概有三大类：无源RFID产品、有源RFID产品和半有源RFID产品。无源RFID产品发展最早，也是目前发展最成熟、市场应用最广的产品。如公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，属于近距离接触
60、式识别类。其产品的主要工作频率有低频125kHz、高频13.56MHz、超高频433MHz和超高频915MHz。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别有源RFID产品是最近几年慢慢发展起来的，其远距离自动识别的特性决定了其巨大的应用空间和市场潜质。目前，有源RFID产品在远距离自动识别领域，如智能监狱、智能医院、智能停车场、智能交通、智慧城市、智慧地球及物联网等领域有重大应用。产品主要工作频率有超高频915MHz和微波2.45GHz。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别有源RFID产品和无源RFID产品的不同特性决定了其不同的应用领域和不同的应用模式，也有各自的优势。但在本书
61、中，着重介绍介于有源RFID和无源RFID之间的半有源RFID产品，该产品集有源RFID和无源RFID的优势于一体，在门禁进出管理、人员精确定位、区域定位管理、周界管理、电子围栏及安防报警等领域有着很大的优势。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别半有源RFID产品在低频125kHz频率的触发下，让微波2.45GHz发挥优势。半有源RFID技术又称低频激活触发技术，利用低频近距离精确定位、微波远距离识别和上传数据来解决单纯的有源RFID和无源RFID无法实现的功能。简单地说，就是近距离激活定位、远距离识别及上传数据。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别半有源RFID是一项易于
62、操控、简单实用且特别适合于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无须接触或瞄准；可在各种恶劣环境下自由工作，短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条形码，如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距离射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID电子标签三、三、电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型小标签。电子标签中保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体表面。存储在芯片中的数据由阅读器以无线电波的形式非接触地读取，并通
63、过阅读器的处理器进行信息解读及相关的管理。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签的组成电子标签的组成1.电子标签主要由天线、射频接口和芯片三部分组成，其内部框图如图6-18所示。图6-18电子标签内部框图学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签内部又可细分为以下几个小单元：（1）天线。天线的主要功能是接收读写器传送过来的电磁信号或将读写器所需要的数据传回给读写器，即负责发射和接收电磁波。它是电子标签与读写器之间联系的重要一环。（2）逻辑控制单元。逻辑控制单元负责对读写器传送来的信号进行译码，并按照读写器的要求回传数据给读写器。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线
64、射频识别（3）调制解调单元。由控制单元传出的数据需要经过调制单元的调制以后，才能加载到天线上，成为天线可以传送的射频信号，再回传给读写器；解调单元负责将经过调制的信号加以解调，将载波去除，以获得最初的调制信号。（4）电压调节单元。电压调节单元主要用来把从读写器接收过来的射频信号转化为直流电源（DC），并且经由其内部的储能装置（大电容）将能量储存起来，再通过稳压电路，以确保稳定的电源供应。（5）存储单元。存储单元主要用于存储系统运行时产生的数据或识别数据等。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签与读写器之间通过电磁波进行通信，与其他通信系统一样，电子标签可以看作一个特殊的收发信机
65、（transceiver）。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体目标对象上。电子标签内编写的程序可按具体需要进行随时读取和改写，其中的内容也可在被改写的同时被永久锁死、进行保护。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别通常电子标签的芯片体积很小，厚度一般不超过0.35mm，可印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上，也可以直接制作在商品标签上。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签芯片电子标签芯片2.电子标签芯片是电子标签的一个重要组成部分，它主要负责存储标签内部信息，还负责对标签接收及发送的信号做一些必要的处理。电子标签芯片可以分
66、为逻辑控制模块和存储模块两部分，其内部框图如图6-19所示。图6-19电子标签芯片内部框图学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签芯片内部的逻辑控制模块又可以细分为PPM译码模块、命令处理模块、主状态机、编码模块、防碰撞控制、通用寄存器、EEPROM接口等部分。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签天线电子标签天线3.天线可以将导行波转换为自由空间波，也可以把自由空间波转换为导行波。天线的周围是一个三维空间，分别是波束范围、立体弧度和立体角。由无线发射机发送的信号，首先经由馈线传送给天线，天线接收完毕以后，再经由馈线传送给无线接收机。由此可以看出，在传送信号的过程
67、中，天线是必不可少的。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别RFID电子标签主要有线圈型、微带贴片型和偶极子型三种。工作距离小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型RFID电子标签，工作在中、低频段；工作距离在1m以上的远距离应用系统的RFID天线需要采用微带贴片型或偶极子型RFID电子标签，工作在高频及微波频段。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（1）线圈型天线。某些应用要求RFID的线圈天线外形很小，且需要一定的工作距离，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间的天线线圈互感量，通常在天线线圈内
68、部插入具有高磁导率的铁氧体材料，来补偿线圈横截面小的问题。（2）微带贴片型天线。微带贴片型天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。微带贴片型天线质量轻，体积小，剖面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等特点使其成为印刷天线的主流。它适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（3）偶极子型天线。在远距离耦合的RFID系统中，最常用的是偶极子型天线。信号从偶极子型天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。偶极子型天线分为四种类型，分别为半波偶极子天线、双线折
69、叠偶极子天线、三线折叠偶极子天线和双偶极子天线。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签的分类电子标签的分类4.射频识别系统可以应用于不同的领域和场合，不同的应用场合对RFID系统中电子标签的要求也不尽相同。为了满足这些多种多样的需求，电子标签的种类也多种多样。（1）按照标签获取能量的方式分类，电子标签可分为有源标签、半有源标签和无源标签。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别有源标签的内部自带电源，标签工作时所需的能量全部来自这个电源。只要进入阅读器的有效工作范围，标签就可以主动发送信号。有源标签由于其自带电源，不需要阅读器为其提供能量，因此其工作距离较远，应用较灵活。
70、但由于其内部电源的寿命有限，需要定期更换电源，因此它的使用寿命也较短；而且体积大，成本高，这些缺点限制了有源标签的使用。半有源标签的内部也自带电源，但该电源并不提供标签工作时所需的全部能量，它仅用来维持标签内部的电路工作，并不提供传送电磁信号所需的能量。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别无源标签就是内部不带电源的标签。无源标签工作时所需的能量全部来自阅读器传送过来的射频信号，其内部电路将该信号转化为直流电源为其工作提供能量。因此无源标签的工作距离较短。但是它的使用寿命相对要长很多，而且也比较便宜，体积也较小。目前，无源标签是使用最为广泛的一类标签。学习单元四学习单元四 无线射频识别
71、无线射频识别（2）按照标签的工作频率分类，电子标签可以分为低频、高频、超高频和微波标签。低频标签的工作频段很低（135kHz以下），它的工作方式是电感耦合式，主要运用在交通工具防盗、畜牧业管理等领域。典型的高频标签工作频率为13.56MHz，它的工作方式也是电感耦合式，主要运用在图书馆、IC卡等领域。超高频和微波标签的工作频率都很高，分别为860960MHz和2.4GHz以上，它们的工作方式多为电磁反向散射式，主要运用在道路自动收费系统等领域。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（3）按照数据调制方式分类，电子标签可以分为主动式、被动式和半主动式三种。主动式标签的内部带有电源，即有源
72、标签，用以供应内部IC所需电源以产生对外的信号，它可以主动向读写器发送数据。一般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量，可以用来储存读取器所传送来的一些附加信息，主要应用在对传输距离要求比较高的场合。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别被动式标签主要采用散射调制方式传输数据，它的信号必须经过调制以后才能进行传输，一般应用于对传输距离要求不太高的场合。被动式标签没有内部供电电源，其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读写器发出的。当标签接收到足够强度的信号时，可以向读写器发出数据。这些数据不仅包括ID号（全球唯一标示ID），还可以包括预先存于标签
73、内EEPROM中的数据。由于被动式标签具有价格低廉、体积小巧、无须电源的优点，市场上的RFID标签主要是被动式的。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别半主动式标签的内部也带有电源，但必须经过读写器的激活才能向其传送数据，即不能主动传输数据。半主动式标签类似于被动式标签，只是它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作状态。这样的好处在于天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。比起被动式标签，半主动式标签有更快的反应速度和更好的效率。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（4）按照存储器类型分类，电子标签可以分为只读标签、一次写入多次读取标签和可
74、读写标签。只读标签内部的数据信息出厂时就被写入，而且以后都不能改变，内部构造简单，储存信息量也很少，价格便宜。一次写入多次读取标签在出厂后可以被写入数据，一旦写入以后也不能改变，内部存储器一般为PROM和PAL。可读写标签内部存储器的容量比上述两种标签的都要大，其内部信息可以被读出，也可以被随意更改，该类标签的成本最高。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（5）按照标签作用距离分类，电子标签可以分为密耦合、近耦合、疏耦合和远耦合四类，其作用距离分别为小于1cm、10cm左右、1m左右和510m或10m以上。（6）按照标签封装材质分类，电子标签可以分为纸标签、塑料标签和玻璃标签。纸标签
75、一般都具有自粘功能，用来粘贴在待识别物体上。这种标签价格低，一般由面层、芯片线路层、胶层和底层组成。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别塑料标签是采用特定的工艺将芯片和天线用特定的塑料基材封装成不同的标签形式，如钥匙牌、手表形标签、狗牌、信用卡等形式。常用的塑料基材是PVC，标签结构包括面层、芯片层和底层。玻璃标签应用于动物识别与跟踪，将芯片、天线采用一种特殊的固定物质植入一定大小的玻璃容器中，封装成玻璃标签。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别声表面波电子标签声表面波电子标签5.声表面波（surfaceacousticwave，SAW）是传播于晶体表面的一种机械波，其传播
76、速度仅为电磁波的十万分之一，传播衰耗很小。声表面波器件的功能部分是采用现代微电子技术在表面抛光的压电材料基片上制作的叉指换能器、反射体和耦合栅等金属电极结构，基于（逆）压电效应，射频信号在经历电磁波声表面波电磁波的换能过程中得到处理，达到预定功能要求。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别以高频谐振器、带通滤波器为代表的现代声表面波器件，具有体积小、质量轻、可靠性高、一致性好、功能多及设计灵活等优点，如图6-20所示。图6-20声表面波电子标签原理图学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别由于声表面波器件工作在射频波段，无源且抗电磁干扰能力较强，因此该类电子标签具有一定的独特优势
77、。SAW电子标签应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、门禁控制、超市防盗、航空行李分拣、体育竞赛等；同时也适用于压力、应力、扭曲、加速度等变化参数的测量，如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、汽车轮胎压力测量等。其主要优点如下：学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别（1）（2）（3）读取范围大且可靠，识别距离远。（4）（5）可使用在金属和液体产品上。标签芯片与天线匹配简单，制作工艺成本低。不仅能识别静止物体，而且能识别高速运动物体。可在高温差、强电磁干扰等恶劣环境下使用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签的技术参数电子标签的技术参数 6.按照电子标签的技术特征，电子
78、标签的技术参数有能量需求、读写速度、封装形式、内存、工作频率、传输速率和数据的安全性等。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签的状态转移电子标签的状态转移7.电子标签的状态主要有休眠状态、选中状态、就绪状态和未上电状态，如图6-21所示。图6-21电子标签的状态转移图学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子标签的发展趋势电子标签的发展趋势8.未来电子标签将有以下的发展趋势：（1）工作距离更远。随着低功耗IC技术的发展，电子标签所需功耗可以降到非常低的水平，这就使得无源RFID系统的工作距离可以更远，有些甚至可达几十米以上。（2）无线可读写性能更加完善。系统误码率不断降
79、低，抗干扰性不断提高。（3）更加适合高速移动物体的识别。电子标签和读写器之间的通信速率会获得很大程度的提高，对高速移动物体的识别会越来越准确。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别4）快速多标签读写功能更加完善。采用适用于识别大量物品的系统通信协议，实现快速的多标签读/写功能。（5）自我保护功能更加完善。在能量场很强的环境中，电子标签接收到的电磁能量很强，产生高电压，为此需要加强自我保护功能，保护电子标签芯片不受损害。（6）标签附属功能更多。例如，带有传感器、蜂鸣器或光指示或标签具备杀死功能，即标签到达寿命或终止应用时能够自行销毁。（7）体积更小。日立公司设计开发的带有内置天线的芯片厚
80、度约为0.1mm。（8）成本更低。新的生产工艺使得整个系统的生产成本不断降低。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID读写器 四、四、RFID读写器通过射频识别信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可识别高速运动物体并可同时识别多个RFID标签，操作快捷方便。RFID读写器有固定式和手持式两种，手持式RFID读写器包含有低频、高频、超高频、有源等。RFID读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的RFID读写器包含有RFID射频模块(发送器和接收器)、控制单元及阅读器天线。学习单元四学习单元四 无线射频识别无
81、线射频识别在射频识别系统中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；读写器又称为读出装置、扫描器、通信器、读取器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。RFID读写器根据频率可以分为低频（125kHz）读写器、高频（13.56MHz）读写器、超高频读写器（900MHz和2.4GHz）等。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID技术的应用五、五、用于病患监测的无源用于病患监测的无源RFIDRFID系统系统1.病患监测设备通常用于测量病患的生命迹象，如血压、心
82、率等参数，管理这些重要数据的要求远远超出了简单的库存控制范围，需要设备能够提供设备检查、校准和自检结果，并具有安全升级功能，同时最大限度地降低设备故障停机时间。维修人员经常把记录维修数据的标签粘贴在设备上，由于需要记录大量数据，过一段时间后逐渐损坏，标签贴纸不再是一个合理的选择。与静态的标签贴纸不同，动态的双接口RFIDEEPROM电子标签则能记录测量参数，以备日后读取，还能把新数据输入系统。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别基于基于RFIDRFID技术的物联网智能公交系统技术的物联网智能公交系统 2.基于物联网技术的公交停车场站安全监管系统主要由车辆出入口管理系统和场站智能视频监
83、控系统两部分组成，利用先进的物联网技术，将用户端延伸和扩展到公交车辆、停车场站中的任何物品间进行数据交换和通信，全面立体地解决公交行业监管问题。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别基于基于RFIDRFID技术的小区安防系统技术的小区安防系统3.在小区的各个通道中安装若干个RFID读写器，并且将它们通过通信线路与地面监控中心的计算机进行数据交换。同时，在每个进入小区的人员车辆上放置安置有RFID电子标签的身份卡，当人员车辆进入小区时，只要通过或接近放置在通道内的任何一个读写器，读写器即会感应到信号，同时立即上传到监控中心的计算机上，计算机就可判断出具体信息（如是谁、在哪个位置、具体时间
84、等），管理者也可以根据大屏幕或计算机上的分布示意图单击小区内的任一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别射频门禁系统射频门禁系统4.门禁系统应用射频识别技术，可以实现持有效电子标签的车不停车，方便通行又节约时间，提高路口的通行效率，更重要的是可以对小区或停车场的车辆出入进行实时的监控，准确验证出入车辆和车主身份，维护区域治安，使小区或停车场的安防管理更加人性化、信息化、智能化和高效化。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子溯源系统电子溯源系统5.溯源技术大致有三种。第一种是RFID无线射频技术，在产品包装上加贴一个带芯片的
85、标识，产品在进出仓库和运输时就可以自动采集和读取相关的信息，产品的流向都可以记录在芯片上；第二种是二维码，消费者只需通过手机拍摄二维码，就能查询到产品的相关信息，查询的记录都会保留在系统内，一旦产品需要召回就可以直接发送短信给消费者，实现精准召回；第三种是条形码加上产品批次信息（如生产日期、生产时间、批号等），采用这种方式生产企业基本不增加生产成本。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别电子溯源系统可以实现所有批次产品从原料到成品、从成品到原料100%的双向追溯功能。这个系统最大的特色就是数据的安全性，每个人工输入环节均被软件实时备份。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别食品
86、药品溯源食品药品溯源 6.采用RFID技术进行食品药品的溯源在一些城市已经开始试点，包括宁波、广州、上海等地。食品药品的溯源主要解决食品来路的跟踪问题，如果发现了有问题的食品，可以简单地追溯，直到找到问题的根源。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别门票门票7.RFID技术在大型会展中的应用已经得到验证，2005年爱知世博会的门票系统就采用了RFID技术，做到了大批参观者的快速入场；2006年世界杯主办方也采用了嵌入RFID芯片的门票，起到了防伪的作用；2008年的北京奥运会门票上，RFID技术已得到了广泛应用。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别监控放射源监控放射源8.成都
87、市建立了核与辐射监管体系。全市有在用放射源数量1340余枚，约占全省的一半，目前都处于安全可控状态；成都还将启动放射源监控系统建设，给放射源贴上“电子标签”，实现24小时监控。这些放射源在运输过程中存在安全隐患，可以通过后方平台进行监控，能够实现精准的掌控。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别应用于奢侈品应用于奢侈品9.防盗电子标签已经被广泛运用到了很多方面，如医疗、图书馆、商场等，但是对一些奢侈品来说，还是相对陌生的，因为即使有一小部分在某些珠宝类商品做了相关的防盗电子标签，都只不过是极大地提升珠宝企业的工作效率，如盘点、点仓、出入库及降低失窃率等，对购买珠宝顾客的作用不是很大。现
88、在需要在此基础上使珠宝被购买后还能继续有跟踪定位功能，这样不仅能让顾客以后都能放心地佩戴珠宝，即使不小心丢失也可以在第一时间定位到珠宝的信息。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别这类电子标签不仅仅可以用在珠宝中，同样也可以运用到很多高级红酒、顶级服装的保护中。随着人们越来越会享受生活，享受奢侈品的人会越来越看重这些物品的保护，相信在不远的将来，这样一款升级版的电子标签将会应运而生并且被广泛地运用到生活当中。石油石化、国家电网、物流、服装等领域都可以使用RFID电子标签，只要是有价值的物品都可以用RFID电子标签进行监管，哪怕是私人物品的运输。这里迎接的不仅仅是一个低成本的智能防盗产品
89、，而且是一个可以应用于信息化实时管理的物联网时代。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别 RFID市场的发展方向与存在的问题六、六、RFID技术作为物联网发展的最关键技术，其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。根据分析师的预测，未来RFID技术将主要应用在供应链管理等物流领域，而这个市场将成为RFID市场的重头戏。RFID的普及所面临的问题，主要是RFID芯片成本过高和产品的成品率不高。但如果在应用上能够采取有效措施，实现RFID标签的量产化，RFID标签的价格将会迅速下跌，应用普及也将指日可待。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别超高频技术不完善，制约应用发展超高频技术不完
90、善，制约应用发展 1.目前，在无源超高频电子标签技术上还存在着系统集成稳定性差、超高频标签性能本身有物理缺陷等许多技术方面不完善的问题。在系统集成方面，现阶段中国十分缺乏专业、高水平的超高频系统集成公司，整体而言无源超高频电子标签的应用解决方案还不够成熟。这种现状造成应用系统的稳定性不高，进而影响终端用户采用超高频应用方案的信心。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别超高频标准不统一，制约产业发展超高频标准不统一，制约产业发展2.目前，无源超高频电子标签在国内尚无统一的标准，国际上制定的ISO18000-6C/EPCClass1Gen2协议，由于涉及多项专利，因此很难把它作为国家标准来
91、颁布和实施。国内超高频市场上相关的标准及检测体系实际上是处于缺位状态，在没有统一标准的环境下，产业和应用的发展将受到很大的制约。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别超高频成本瓶颈，制约市场发展超高频成本瓶颈，制约市场发展3.尽管近两年来，无源超高频电子标签价格下降很快，但是从RFID芯片及包含读写器、电子标签、中间件、系统维护等整体成本而言，超高频RFID系统价格依然偏高，而项目成本是应用超高频RFID系统最终用户权衡项目投资收益的重要指标。所以，超高频系统的成本瓶颈，也是制约中国超高频市场发展的重要因素。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别2010年以来，由于经济形势的好
92、转和物联网产业发展等利好因素的推动，全球RFID市场也持续升温。2012年，市场规模达到200多亿美元。与此同时，RFID的应用领域越来越多，人们对RFID产业发展的期待也越来越高。目前，RFID技术正处于迅速成熟的时期，许多国家都将RFID作为一项重要产业予以积极推动。总之，目前中国无源超高频市场还处于发展的初期，核心技术急需突破，商业模式有待创新和完善，产业链需要进一步发展和壮大，只有核心问题得到有效解决，才能真正迎来RFID无源超高频市场的快速发展。学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别思考与练习问题1RFID系统由哪几部分组成？其工作原理是什么？思考：问题2简述未来RFID技术的发展前景。你还能想到哪些应用？思考：学习单元四学习单元四 无线射频识别无线射频识别课堂体验上网查询资料，了解除了书中介绍的应用之外还有哪些领域应用无线射频识别技术。Thank you!Thank you!
