第三章物联网传感器技术ZZ2003版

第3章物联网传感器技术传感器基础知识

几种常用传感器介绍

智能传感器MEMS技术4123传感器接口技术

5目录1传感器技术：是物联网的基础技术之一，处于物联网构架的感知层2传感器：是一种能把特定的被测信号，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3.1传感器基础知识

3传感器作用：传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供物联网系统赖以进行决策和处理所必需的原始数据3.1.1传感器概念1.工业自动化系统：以传感器一微机为核心的自动检测与控制系统在各领域广泛应用2.航空航天：飞行速度/方向、飞行姿态检测3.资源探测与环境保护：大气污染、水质污染、放射性、噪声检测4.医学领域：人体温度、血压检测5.家用电子产品：冰箱、洗衣机、微波炉6.军事领城：地形、地貌检测，红外雷达搜素、跟踪、测距……………

3.1.2传感器作用

3.1.2传感器作用

工业控制应用3.1.2传感器作用

土壤环境检测应用3.1.2传感器作用

污染排放监测应用3.1.3传感器组成

注意：并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换器件，有部分传感器不需要起变换作用的敏感元件，如热敏电阻、光敏电阻按被测量分类物理量传感器力学量压力传感器、力传感器、力矩传感器、速度传感器、加速度传感器、流量传感器、位移传感器、位置传感器、尺度传感器、密度传感器、粘度传感器、硬度传感器、浊度传感器热学量温度传感器、热流传感器、热导率传感器光学量可见光传感器、红外光传感器、紫外光传感器、照度传感器、色度传感器、图像传感器、亮度传感器磁学量磁场强度传感器、磁通传感器电学量电流传感器（互感器）、电压传感器(互感器)、电场强度传感器声学量声压传感器、噪声传感器、超声波传感器、声表面波传感器射线x射线传感器、β射线传感器、γ射线传感器、辐射剂量传感器化学量传感器离子传感器、气体传感器、湿度传感器生理量传感器生物量体压传感器、脉搏传感器、心音传感器、体温传感器、血流传感器、呼吸传感器、血容量传感器、体电图传感器生化量酶式传感器、免疫血型传感器、微生物型传感器、血气传感器、血液电解质3.1.4传感器分类

3.1.4传感器分类

按照输出信号分类

模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号

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)

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输出(包括直接或间接转换)

开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定阈值时，传感器输出一个设定的低电平或高电平信号按工作原理分类

应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器按组成材料分类、按制造工艺分类，等3.1.5传感器基本特性

静态特性：

指被测量的值处于稳定状态时的输出和输入关系。衡量静态特性的重要指标包括线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、重复性等通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值灵敏度是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化3.1.5传感器基本特性

动态特性：

输出对随时间变化输入量的响应特性在实际工作中，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用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示

3.1.5传感器基本特性

作业

请上网查找某种压力传感器技术资料，下载产品外观图片，并摘录生产厂家介绍、基本功能描述、安装使用说明、技术参数等，整理成一份技术文档提交温度传感器湿度传感器超声波传感器气敏传感器3.2几种常用传感器介绍基本概念1温标：用来度量物体温度数值的标尺，规定温度的读数起点（零点）和测量温度的单位，华氏、摄氏、热力学、国际实用温标2按敏感元件与被测介质接触与否，分为：⑴接触式温度传感器：双金属、玻璃液体、压力式、电阻、电偶温度计⑵非接触式温度传感器：亮度法(光学温度计)、辐射法(辐射高温计)、比色法(比色温度计)3

按材料及电子元件特性，分为：⑴热电阻：基于导体电阻值随温度变化来测量温度，常用铂和铜⑵热电偶：两种不同导体组成闭合回路，温度场梯度变化转换成热电动势3.2.1温度传感器3.2.1温度传感器DS18B20DS18B20数字温度传感器接线方便，不同封装可应用于多种场合，如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式①独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯②测温范围：-55℃～+125℃，固有测温误差1℃③工作电源:3.0~5.5VDC④不需要任何外围元件⑤测量结果以9~12位数字量方式串行传送试用范围：①适用于冷库、粮仓、储罐、电讯机房、电力机房、电缆线槽等测温和控制领域②

轴瓦、缸体、纺机、空调等狭小空间工业设备测温和控制③

汽车空调、冰箱、冷柜，以及中低温干燥箱测温和控制等3.2.1温度传感器WZPK□-□40隔爆铠装铂热电阻防爆等级：dIIBT1～6执行标准：GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备通用要求GB3836.2-2000爆炸性气体环境用电气设备隔爆型“d”JB5518《工业热电偶与热电阻隔爆技术条件》

标准结构形式WZPK□（单双只）-□（安装方式）40隔爆铠装铂热电阻是由隔爆接线盒、铠装铂热电阻感温元件以及带螺纹或法兰安装固定装置的外保护管等组合而成的温度传感器，可广泛用于dIIBT1～6温度组别区间内有爆炸性气体危险场合的-200～850℃范围温度测量见补充资料PPT1绝对湿度：是大气中水汽的密度，即单位大气中所含水汽的质量。常用大气的压强表示，符号为D，单位为mmHg(毫米汞柱)2相对湿度：指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比，或湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比，或湿空气中水蒸气分压力与相同温度下的饱和压力之比3

露点：使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度值。注意：当未饱和水汽接触温度较低物体时，就会在这些物体表面凝结成水滴（结露现象），对电子产品有害3.2.2湿度传感器基本概念分类3.2.2湿度传感器水分子亲和力：水分子易于吸附在固体表面并渗透到固体内部湿度传感器作用：将湿度变化转化成阻抗或电容值的变化3.2.2湿度传感器高分子湿度传感器：高分子湿敏材料利用自身的吸湿性及离子导电性测量湿度，特点测湿范围宽，可利用已有技术（如薄膜制造技术），制备一致性好，成本低、体积小、重量轻电阻式湿度传感器

敏感元件为湿敏电阻，其主要材料一般为电介质、半导体、多孔陶瓷、有机物及高分子聚合物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化电阻变化电容式湿度传感器敏感元件为湿敏电容，主要材料为高分子聚合物、金属氧化物。这些材料对水分子有较强的吸附能力，吸附水分的多少随环境湿度而变化电容变化选择注意事项：

3.2.2湿度传感器

在选择湿度传感器时，应考虑到诸多因素，如精度和长期稳定性、温度系数、供电、互换性、湿度校正、测量范围，传感器的灵敏度、精度和噪声、响应速度、使用环境、价格等作业

请上网查找某种湿度传感器技术资料，下载产品外观图片，并摘录生产厂家介绍、基本功能描述、安装使用说明、技术参数等，整理成一份技术文档提交3.2.3超声波传感器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的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点20Hz～20kHz为可听声波（人耳能听到），低于20Hz为次声波，高于20kHz为超声波超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度超声波传感器由超声波探头、控制部分与电源部分等构成。超声波探头主要由压电晶片制成，既可以发射超声波（发送传感器），也可以接收超声波（接收传感器）基本概念主要技术指标工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，而且超声波传感器一般功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间工作而不失效。但医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的冷却设备居里点：铁磁体从铁磁相转变成顺磁相的相变温度。物质成为顺磁体后，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低指向性：超声波传感器探测的方向与范围3.2.3超声波传感器3.2.3超声波传感器-超声波传感器应用（1）超声波疾病诊断：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

（2）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容体罐或塑料粒料室顶部，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

（3）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，光的密致材料和不规则物体

（4）超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。配合新技术可在潮湿环境，如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测

（5）超声波传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料，控制张力以及测量距离超声波传感器应用3.2.3超声波传感器

被测气体的种类繁多，它们的性质也各不相同。所以不可能用一种方法来检测各种气体，其分析方法也随气体的种类、浓度、成分和用途而异1气敏传感器：指将被测气体浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件。氢气、天然气、液化石油气……3.2.4气敏传感器

气敏传感器主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器、化学反应式气敏传感器、光干涉式气敏传感器、热传导式气敏传感器等，其中用得最多的是半导体气敏传感器

工作原理：声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用，或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移

气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值主要参数与特性：①灵敏度：气敏元件对气体的敏感程度②响应时间：气敏元件的反应速度③选择性：气敏元件对不同气体有不同的灵敏度④稳定性：气敏元件的输出特性保持不变的能力3.2.4气敏传感器应用

半导体气敏元件，由于具有灵敏度高、响应时间长、恢复时间短、使用寿命长和成本低等待点，所以半导体气敏传感器有很广的应用气敏传感器的主要应用：一氧化碳气体检测、瓦斯气体检测、煤气检测、氟利昂检测、呼气中乙醇检测、人体口腔口臭检测等3.2.4气敏传感器见补充资料PPT3.3.1基本概念1智能传感器:(intelligentsensor)具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物2三个优点：

(1）通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低（2）具有一定的编程自动化能力（3）功能多样化3.3智能传感器3.3智能传感器3.3.2组成3.3.3功能与特点⑴自补偿和计算-温漂⑵自诊断功能-故障修复⑶复合敏感功能-信息融合⑷强大的通讯接口功能⑸现场学习功能-自适应⑹提供模拟和数字输出⑺数值处理功能⑻掉电保护功能功能特点

⑴一定程度的人工智能是源于硬件和软件的结合体，可实现学习功能，更能体现仪表在控制系统中的作用

可以根据不同的测量要求，选择合适的方案，并能对信息进行综合处理，对系统状态进行检测⑵多敏感功能将原来分散的、各自独立的单敏传感器集成为具有多敏功能的传感器

能同时测量多种物理量和化学量，全面反映被测量物体的综合信息⑶精度高、测量范围宽，随时检测出被测量变化对检测元件特性的影响，并完成各种运算，其输出信号更为精确

可用一个智能传感器应付很宽的测量范围，特别适用要求量程比大的检测控制场合--》动态调整⑷通信功能可采用标准化总线接口，进行信息交换，这是智能传感器的标志之一3.3智能传感器3.3.4基于IEEE1451的网络化智能传感器1IEEE1451：一种新的通用智能化传感器接口标准，它为即插即用智能传感器与现有的各种总线之间提供了通用的接口标准2标准的目的：开发一种软硬件连接方案，将智能变送器连接到网络或直接支持现有的各种网络技术，包括各种现场总线、因特网等。为不同厂家生产的传感器提供具有即插即用功能的智能传感器接口

IEEE1451标准系列代号名称与描述EEEP1451.0智能变送器接口标准IEEE1451.1-1999网络适配处理器信息模型IEEEP1451.1网络适配处理器信息模型（修订版）IEEE1451.2-1997变送器与微处理器通信协议和TEDS格式IEEEP1451.2变送器与微处理器通信协议和TEDS格式(修订版)IEEE1451.3-2003分布式多点系统数字通信与TEDS格式IEEE1451.4-2004混合模式通信协议与TEDS格式颁布标准IEEEP1451.5无线通信协议与TEDS格式IEEEP1451.6CAN开放式协议变送器网络接口IEEEP1451.7传感器与驱动器的智能传感器标准-转换器射频识别（RFID）系统通信协议和转换器电子数据表（TEDS）格式3.3.4IEEE1451智能传感器IEEE1451体系内容①建立网络化智能传感器的软件模型，包括信息与通信模型②定义网络化智能传感器的硬件模型，包括网络适配器NCAP、智能变送器接口模块STIM及两者间的有线、无线接口③定义NCAP中封装不同网络通信协议接口，支持多种网络及总线标准④对智能传感器数据传输、寻址、中断、触发等做详细规定⑤定义电子数据表格TEDS及其数据格式3.3.4IEEE1451智能传感器NCAP：NetworkCapableApplicationProcessSTIM：SmartTransducerInterfaceModuleTEDS：Transducer

Electronic

Data

Sheets该标准规定的软件接口通过对象模型、数据模型和网络通讯模型等3种模型来实现①对象模型：该标准定义每个对象类的接口和行为。系统中，该标准定义4种对象类：块类、组件类、服务类和非本标准规定的对象类3.3.4IEEE1451智能传感器②数据模型：该模型规范了符合IEEE1451标准网络化智能传感器所涉及的数据类型，含基本和结构类型、物理数量和对象属性类型及与网络通讯相关的类型③网络通信模型:包括对象模型、数据模型和网络通信模型，这3种模型为传感器、网络适配器、通信网络间确定相应的软件接口IEEE1451.2协议1IEEE1451.2协议：一种网络化智能传感器接口标准2IEEE1451.2协议：提出了一种数字化点到点的智能接口模块到网络适配器的有线传输接口方案3IEEE1451.2协议：规定智能传感器由网络适配器和智能传感器接口模块两部分构成3.3.4IEEE1451智能传感器网络化智能变送器模型3.3.4IEEE1451智能传感器

传感器独立接口是智能传感器接口模块和网络适配器的接口，实现网络适配器对智能传感器接口模块的控制和两者之间的通信IEEE1451.2协议3.3.4IEEE1451智能传感器

通过提供标准的智能传感器接口模块(STIM-SmartTransducerInterfaceModule)、STIM和NCAP间的接口(TII-TransducerIndependentInterface,转换器独立接口)、统一网络化智能传感器基本结构，解决标准不统一问题，厂商可依需求扩展IEEE1451.2标准将网络化智能传感器分为智能传感器接口模块（含电子数据表格TEDS）、网络适配器、STIM与NCAP间的TII接口

TEDS：提供对传感器、缓存传感器、数据序列传感器、事件序列传感器及执行器等模型的支持，具有自动识别传感器或执行器的能力

STIM模块：变送器（传感器或执行器）、信号调理与信号转换电路、TEDS、微处理器和存储器，可连接单一传感器或多传感器构成传感器网络3.3.4IEEE1451智能传感器TII接口示意图TII接口的逻辑信号和功能定义分组信号线逻辑驱动源功能数据DOUT正逻辑STIM由STIM向NCAP传送数据DIN正逻辑NCAP由NCAP向STIM传送数据和地址DCLK正逻辑NCAP上升沿锁定DIN和DOUT的数据NIOE负逻辑NCAP使能数据传输和结束数据帧传输的信号触发NTRIG下降沿NCAP触发功能辅助POWER无NCAP通常+5V供电COMMON无NCAP信号地NACK下降沿STIM触发应答和数据传输应答NSDET负逻辑STIMNCAP据此信号检测STIM的存在中断NINT下降沿STIMNCAP响应STIM的服务请求3.3.4IEEE1451智能传感器智能传感器标准体系3.3.5智能传感器标准体系

标准体系中最重要的就是第三部分智能传感器产品标准：硬件系统、软件系统和产品技术要求硬件系统：包括敏感元件、网络接口规范、内部接口规范、供电标准、防爆要求、封装要求。其中，敏感元件按照其物理特性分为温度、湿度、压力、流量、加速度等，并对各种不同原理产品的特性指标、封装形式给出具体要求。网络接口规范分别规定了智能传感器的物理接口和数据接口要求。内部接口规范规定智能传感器实现IEEE1451标准时的通信接口要求软件系统：包括系统软件规范和数据共享。其中，系统软件规范指智能传感器的编程规范等，数据共享指源数据和编码的格式要求、信息分类等，是与物联网衔接时的重要组成部分

产品技术要求：按照被测参数不同，分为温度传感器、流量传感器、压力传感器、变送器等的具体技术要求，比如自校验、自诊断、信息决策等3.3.5智能传感器标准体系三个层次：

一个是传感网络，以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别二是传输网络，即通过现有的互联网、广电网、通信网或下一代互联网，实现数据的传输和计算三是应用网络，即输入、输出控制终端，包括手机等终端

智能传感器已经广泛应用在航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域3.3.5智能传感器应用（1）向高精度发展（2）向高可靠性、宽温度范围发展（3）向微型化发展（4）向微功耗及无源化发展（5）向智能化数字化发展（6）向网络化发展3.3.5智能传感器发展趋势3.4.1MEMS概述1MEMS：由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统2MEMS目标：把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平3.4