传感器的智能化与微型化

传感器的微型化与智能化自动检测技术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自动检测技术这些是传感器吗？记忆合金热敏油墨热敏灯罩温度变化（对温度敏感的材料）自动检测技术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（信息传输）——“神经”

3.计算机技术（信息处理）——“大脑”自动检测技术

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自动检测技术

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“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，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。

自动检测技术即：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。

自动检测技术

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。自动检测技术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。

自动检测技术

（4）具有双向通信功能，能直接与微处理器（μP）或单片机（μC）通信。

2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。自动检测技术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。自动检测技术集成智能传感器外形示意图非集成式智能传感器框图自动检测技术在一个封装中可能的混合集成实现方式自动检测技术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。自动检测技术MicroElectroMechanicalSystem

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？自动检测技术MEMS“微米级”加工技术100μm自动检测技术显微照片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自动检测技术陀螺仪环形陀螺仪MEMS陀螺仪的作用MEMS独轮车上的陀螺仪MEMS自动检测技术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自动检测技术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”自动检测技术制导炸弹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，以此检查移动车辆的行进路线，作为

GPS

的辅助导航，直到GPS信号恢复正常。MEMSMEMS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自动检测技术方法一：100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“无线传感器网络”由此孕育而生自动检测技术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？WirelessSensorNetwork（WSN）无线传感器网络自动检测技术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。自动检测技术这些结点采用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150×150×7.5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”。自动检测技术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。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。自动检测技术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。自动检测技术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”自动检测技术美国“9·11”事件海湾战争，尤其是9·11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。自动检测技术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。自动检测技术大型机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”（InternetofThings）

奥巴马就职后，IBM提出的“智慧的地球”概念得到重视。“物联网”概念很多年前已提出。智慧的地球＝物联网＋互联网

美国认为物联网是振兴经济、确立竞争优势的关键战略，政府给予积极回应。自动检测技术《2010年政府工作报告》温家宝总理明确提出:加快物联网的研发应用。2009年8月温家宝总理视察无锡时指出：尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。物联网中的“电子标签”什么是物联网？

物联网

电子标签＋无线通信＋互联网传感器＋无线通信＋互联网电子标签＋传感器＋无线通信＋互联网传感网

电子标签＋红外感应器＋激光扫描器＋GPS

＋互联网

……自动检测技术现在：超市排队付款用扫描仪照射每一件商品的条形码，以识别每一类商品的价格。当你推着满满的购物车从收银台通过时，不必排队等候结账。商品上的电子标签已将商品信息自动登陆到商场的计价系统，货款也自动从你的信用卡里扣除。今后：超市智能支付什么是电子标签？电子标签如何标识商品？自动检测技术自动识别技术是一项自动采集和处理数据的技术，能够自动获取被识别物体的相关信息，并由计算机完成后续处理。作用：是对物体进行识别和跟踪。与人工识别相比，自动识别更快、更准，提供的信息更多。自动识别技术广泛应用于物流供应链、小额支付、人员识别、物品防盗与防伪、动物识别、运动计时、疾病追溯以及车辆识别与管理等领域。自动检测技术自动识别技术包括：条形码识别——商品标签磁条卡识别——银行卡、电话卡、收费卡IC卡识别——社保卡、手机SIM卡生物识别——语音识别、指纹识别、脸部识别光学识别——扫描仪的文字识别射频识别——公交卡、身份证自动检测技术自动识别——

一维条形码二维条形码——可以存储更多的信息

二维条形码条形码识别最大缺点：只能识别一“类”商品，不能识别一“件”商品。例如：同一种牛奶盒上的条形码到处都一样，无法获取某一盒牛奶的信息。没有做到“一物一码”，无法实现产品的实时追踪。接触式磁条卡银行卡、证券、保险、超市、电话卡、收费卡、预约卡、门票、储蓄卡、信用卡等。接触式

IC卡集成电路

IC卡插入阅读器，将芯片与内部电路接通，然后进行操作。非接触式

IC卡把IC卡靠近阅读器，不必接触，信息就可以进行交换。公交卡“IC卡”内部并无电池，它是怎么工作的？阅读器

IC卡公交卡的识别系统由阅读器和

IC卡组成。11110101

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10110010

询问

应答电磁波每张IC卡都有自己唯一的识别码。集成电路芯片

感应天线

公交卡工作原理发射电磁波IC卡本身没有电源。当天线感应到电磁波后获得能量，电路开始工作。与阅读器进行通信联系后进入休眠状态，不会重复读卡。阅读器完成对应操作，并发“嘟”声结束。嘟

阅读器

IC卡的内部结构由集成电路芯片、天线和外部封装构成。阅读器发射电磁波～滤波解调微机芯片放大

频率为13.56MHZ

的电磁波感应天线L

阅读器是一台发射器，向外发射电磁波，“询问”附近的IC卡。如有多张IC卡同时应答，则分别处理。询问C

IC卡将电磁波转化为能量集成电路芯片C1

感应天线L

I

C2

IC卡的天线接收到电磁波，并产生感应电流，经二极管整流，在C2两端产生2V电压供芯片工作，并向阅读器报告本卡的相关信息。＋

－

2V

电磁波应答卡的类别；本卡代码；乘车时间；剩余金额；阅读器读取卡片的信息～滤波解调微机芯片放大

感应天线

阅读器接收来自IC卡的数据信号，并发出操作指令（应答或者对IC卡扣款）。IC卡的信息扣款免于扣款；部分扣款；全额扣款；芯片～滤波解调计算机放大

射频识别系统阅读器

IC卡

电子标签射频识别技术射频识别是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术。射频识别技术是信息化建设的核心技术之一。射频识别系统由阅读器和电子标签组成。射频——无线电通信所用电磁波的频率阅读器

电子标签IC卡

电子标签的各种结构由集成电路芯片和天线构成。芯片极小，金属箔天线可制成各种形状。应用MEMS技术的芯片将电子标签附着在商品上，通过射频识别技术对商品进行自动识别。电子标签条形码只能识别某一“类”产品，无法识别某一“件”产品。而在现代物流业，需要对产品进行唯一的识别，并追踪供应链上的每一件单品。电子标签的芯片面积不足1平方毫米，但它的容量巨大，可以提供几百亿个电子编码供选用。这意味着：利用互联网以及全球统一标识编码，可以给每个实体唯一的代码，以便跟踪它的整个生命周期，从而实现全球物品信息实时共享的“物联网”。01001101

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通俗地说，现在：每一类商品一个代码；将来：每一件商品一个代码；电子标签是否存储商品的全部信息？网络大米：友谊农场种植、1月29日收割、2月27日分装数据库

大米：龙江农场种植、1月10日收割、2月15日分装大米：建设农场种植、1月21日收割、2月20日分装电子标签存储的仅是商品的代码，不含其它信息。实际使用时，阅读器读取电子标签的代码并输入计算机，然后通过网络，在数据库中查寻该代码对应的商品数据，再将信息回传给顾客。10010101

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读取代码，查询信息

（1）可识别单件产品；（2）非接触，透过外包装读取数据；（3）存储的信息量大；（4）构成网络环境；（5）同时识别多个对象。射频识别技术的特点每件商品都有产品电子标签射频识别技术的应用射频识别并不是全新的技术，早在二战时期，已被美国空军用作敌我飞机识别。由于技术和成本等原因，一直没有得到广泛应用。而今，社会的进步，使这一技术在智能化、网络化方面得到大力发展，并成为“物联网”的重要组成部分。自动检测技术二代身份证识别射频识别（RFID）电子护照内的非接触式晶片，载有持证人的个人资料及容貌影像。电子护照具有“基本读取控制”功能，可预防未经授权的信息读取行为。电子护照嵌入射频芯片的门票射频识别（RFID）门禁卡小区大门宾馆房门射频识别（RFID）动物出生便贴上标签，从而实现鸡、鸭、牛、羊、猪从出生到餐桌的全程跟踪。射频识别（RFID）电子标签通过车载电子标签与收费站的天线进行微波通讯，系统根据车型和车牌号自动收取费用，并通过网络与银行系统进行结算，从而实现车辆不停车收费。公路不停车收费管理系统射频识别（RFID）电子收费系统雷达模型物流分拣系统货物从制造商到零售商，商品的运输起点、中转点、终止点及商品经过某地的具体时间、负责人，都存储在电子标签中。电子标签与传感器的结合感温电子标签除识别与定位功能外，还可通过温度传感器获取实时温度数据。电子标签温度传感器

感温电子标签＋=用感温