传感器集成化、智能化和网络化

传感器集成化、智能化和网络化第一页，共53页。物联网传感器技术与应用

物联网系列教材荣获陕西省高等教育教学成果二等奖

点击此处结束放映第二页，共53页。物联网传感器技术与应用第12章

传感器集成化、智能化和网络化点击此处结束放映第三页，共53页。物联网传感器技术与应用

传感器不仅可以单独使用，还可以构成传感器的网络，传感器是朝着集成化、智能化和网络化的方向发展。随着物联网时代的到来，集成化、智能化和网络化的传感器不仅融入了物联网之中，也成为实现物联网的基石。点击此处结束放映第四页，共53页。

微机电系统（MEMS）及MEMS传感器12.1智能传感器12.2多传感器信息融合技术12.3传感器网络化12.4物联网传感器技术与应用点击此处结束放映第五页，共53页。

微机电系统（MEMS）及MEMS传感器12.1物联网传感器技术与应用点击此处结束放映第六页，共53页。物联网传感器技术与应用

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems）的英文缩写，是由微传感器、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。MEMS的概念是1980年代出现的，MEMS已从初期的探索和研究阶段，迅速发展为目前的量产、实用和开辟新应用阶段。点击此处结束放映第七页，共53页。物联网传感器技术与应用12.1.1微传感器的材料

1.半导体硅材料

半导体硅材料不仅是大规模集成电路的支柱，同时也是传感器使用的主要敏感材料。微传感器采用的硅材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、硅-蓝宝石、碳化硅等。点击此处结束放映第八页，共53页。物联网传感器技术与应用（1）单晶硅

单晶硅是硅的单晶体。（2）多晶硅

多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物。（3）非晶硅

非晶硅是单质硅的一种形态。（4）硅-蓝宝石

硅-蓝宝石材料是一种在蓝宝石衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。（5）碳化硅点击此处结束放映第九页，共53页。物联网传感器技术与应用2.其它材料

（1）化合物半导体材料

（2）石英晶体材料

（3）功能陶瓷材料

（4）功能高分子材料点击此处结束放映第十页，共53页。物联网传感器技术与应用12.1.2微传感器的加工工艺

1.光刻技术

光刻技术是将设计好的图形转换到硅片上的一种技术，是加工制造半导体集成电路和集成传感器微图形结构的关键技术。2.蚀刻技术

蚀刻技术是将不需要的薄膜利用化学溶液或其它方法去除掉。点击此处结束放映第十一页，共53页。物联网传感器技术与应用3.薄膜技术

薄膜是指衬底上的一层薄层材料，可作为敏感膜、介质膜和导电膜等。4.键合技术

在不使用粘接剂的情况下，将分别制作的硅部件连接在一起的技术称为键合技术。点击此处结束放映第十二页，共53页。物联网传感器技术与应用5.半导体掺杂

半导体常用的掺杂技术主要有两种，分别为扩散和离子注入。6.LIGA技术LIGA是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。点击此处结束放映第十三页，共53页。物联网传感器技术与应用12.1.3硅电容式集成压力传感器

图12.1所示为硅电容式集成压力传感器的示意图，图中的膜片是硅材料的敏感膜片。图12.1是差动输出结构，核心部件是一个对压力敏感的电容器Cp和固定的参考电容Cref。点击此处结束放映第十四页，共53页。物联网传感器技术与应用

点击此处结束放映第十五页，共53页。物联网传感器技术与应用12.1.4硅微机械三轴加速度传感器

一种硅微机械三轴加速度传感器的外形结构如图12.2（a）所示，它有四个敏感质量块，采用表面加工和体加工相结合的加工工艺。质量块连接敏感梁，敏感梁具有非常小的刚度，能够感知加速度。点击此处结束放映第十六页，共53页。物联网传感器技术与应用

点击此处结束放映第十七页，共53页。物联网传感器技术与应用

智能传感器12.2点击此处结束放映第十八页，共53页。物联网传感器技术与应用12.2.1智能传感器的功能和特点

智能传感器（intelligentsensor或smartsensor）不仅仅是一个简单的传感器，它带有微处理器，具有采集、处理和交换信息的能力，是集成化传感器与微处理器相结合的产物。点击此处结束放映第十九页，共53页。物联网传感器技术与应用1.智能传感器的功能

（1）自补偿和计算功能。（2）自检、自诊断和自校功能。（3）双向通信功能。（4）信息存储和记忆功能。（5）复合敏感功能。点击此处结束放映第二十页，共53页。物联网传感器技术与应用2.智能传感器的技术特点

（1）智能传感器的集成化。（2）微机械加工技术。（3）软件。（4）人工智能材料的应用。点击此处结束放映第二十一页，共53页。物联网传感器技术与应用12.2.2智能传感器的构成和实现点击此处结束放映第二十二页，共53页。物联网传感器技术与应用1.非集成化实现

非集成化智能传感器是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体，构成一个智能的传感器系统，其框图如图12.5所示。点击此处结束放映第二十三页，共53页。物联网传感器技术与应用2.集成化实现

集成化智能传感器是采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路和微处理器单元，并将它们集成在一块芯片上。3.混合实现

智能传感器的混合实现是根据需要，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两或三块芯片上，并装在一个外壳里。点击此处结束放映第二十四页，共53页。物联网传感器技术与应用12.2.3智能传感器的典型实例1.光电式智能压力传感器

该传感器使用了一个红外发光二极管和两个光敏二极管，通过光学方法测量压力敏感元件（膜片）的位移。二极管的非线性、膜的非线性可由微处理器修正，这就是智能化传感器的设计途径。点击此处结束放映第二十五页，共53页。物联网传感器技术与应用点击此处结束放映第二十六页，共53页。物联网传感器技术与应用2.智能质量流量传感器系统3.智能的天线伺服跟踪系统

当天线用来捕捉天空中微弱的电磁波时，为了提高信号的接收质量，一些高增益的天线配有天线伺服系统。伺服系统是精确跟随或复现某个过程的反馈控制系统。例如，车用卫星接收机的天线有一套伺服跟踪系统，在伺服跟踪系统的控制下天线的朝向随着车的移动始终向着卫星，从而达到稳定接收的目的。点击此处结束放映第二十七页，共53页。物联网传感器技术与应用点击此处结束放映第二十八页，共53页。物联网传感器技术与应用（1）天线伺服跟踪系统

天线伺服系统的基本工作原理就是根据接收信号的强弱变化控制俯仰和方位电机转动，从而调整天线的俯仰和方位角度，使天线达到信号的正常接收。点击此处结束放映第二十九页，共53页。物联网传感器技术与应用（2）天线伺服系统的硬件设计

采用模块化设计，如图12.13所示。其中，倾角传感器用来实时测量天线的俯仰角和天线基座相对于水平面的倾角。点击此处结束放映第三十页，共53页。物联网传感器技术与应用（3）天线伺服系统的软件设计

采用上位机和下位机共同控制天线伺服跟踪转台。上位机进行数据采集、数据分析和数据处理，然后通过串行口发送指令给下位机。下位机主要对加速度传感器的信号进行读取，确定加速度的大小，再通过RS-232接口发送到上位机。另外，下位机还要接收上位机的控制指令，通过I/O口控制继电器。点击此处结束放映第三十一页，共53页。物联网传感器技术与应用12.2.4智能传感器的发展前景

智能传感器是美国宇航局1978年首先提出的。1980年代初，美国Honeywell公司推出了世界上第一个实用的智能化传感器。智能传感器将硅微机械敏感技术与微处理器的计算、控制能力结合在一起，建立起一种新的传感器概念。智能传感器的实现，对测量和控制技术将是一个重大进展。智能传感器代表着传感技术今后发展的大趋势，这已是全球仪器仪表界共同瞩目的研究内容。点击此处结束放映第三十二页，共53页。物联网传感器技术与应用多传感器信息融合技术12.3点击此处结束放映第三十三页，共53页。物联网传感器技术与应用12.3.1多传感器信息融合的基本原理

多传感器信息融合是20世纪80年代兴起的技术。多传感器信息融合技术将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理，在这个过程中要充分利用多源数据，进行合理支配和使用。信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息，通过对信息多级别、多方面组合，导出更多有用信息。点击此处结束放映第三十四页，共53页。物联网传感器技术与应用12.3.2多传感器信息融合的层次和结构

1.信息融合的层次（1）数据级融合（2）特征级融合（3）决策级融合点击此处结束放映第三十五页，共53页。物联网传感器技术与应用

2.信息融合的结构（1）集中式（2）分布式（3）混合式点击此处结束放映第三十六页，共53页。物联网传感器技术与应用12.3.3多传感器信息融合实例

1.在军事领域的应用

军事应用是多传感器信息融合技术诞生的奠基石。多传感器信息融合系统瞄准未来信息化战场需求，着眼于提高信息采集和信息融合能力，突破以往多传感平台只限于单平台多传感部件的概念。点击此处结束放映第三十七页，共53页。物联网传感器技术与应用2.在民事领域的应用

（1）移动机器人的感知系统

移动机器人的传感器可分为内部传感器和外部传感器。内部传感主要有里程计、陀螺仪、磁罗盘及光电编码器等。外部传感主要包括视觉传感器、激光测距传感器、超声波传感器、红外传感器、接近传感器等。点击此处结束放映第三十八页，共53页。物联网传感器技术与应用（2）移动机器人多传感器信息融合的实现

不同的传感器集成在移动机器人上，构成了多传感器信息融合的感知系统。多传感器信息融合方法主要包括：加权平均法、Kalman滤波、Bayes估计、模糊逻辑、神经网络以及基于行为方法和基于规则方法等。应用这些方法可以进行数据层、特征层以及决策层的融合，也可以实现测距传感器信息、内部航迹推算系统信息、全局定位信息之间的信息融合，从而使移动机器人做出正确的判断与决策。点击此处结束放映第三十九页，共53页。物联网传感器技术与应用传感器网络化12.4点击此处结束放映第四十页，共53页。物联网传感器技术与应用12.4.1传感器网络的发展历史1.第一代传感器网络

第一代传感器网络出现在20世纪70年代，是由传统的传感器组成的测控系统，采用点对点传输的接口规范。2.第二代传感器网络

第二代传感器网络是基于智能传感器的测控网络。点击此处结束放映第四十一页，共53页。物联网传感器技术与应用3.第三代传感器网络

第三代传感器网络是基于现场总线的智能传感器网络。20世纪80年代末到90年代初，现场总线技术推出。4.第四代传感器网络

第四代传感器网络是无线传感器网络。无线传感器网络采用大量多功能传感器，自组织无线接入网络。点击此处结束放映第四十二页，共53页。物联网传感器技术与应用12.4.2现场总线

现场总线是将传感器、各种操作终端和控制器等用于过程自动化和制造自动化的现场设备互连的现场通信网络。1.现场总线的特点（1）增强了现场级的信息采集能力（2）开放式、互操纵性、互换性、可集成性（3）系统可靠性高、可维护性好（4）降低了系统和工程成本点击此处结束放映第四十三页，共53页。物联网传感器技术与应用2.几种代表性现场总线技术（1）基金会现场总线（FF）（2）Lonworks总线（3）Profibus总线（4）CAN总线点击此处结束放映第四十四页，共53页。物联网传感器技术与应用3.现场总线的应用实例

传统锅炉运行热效率低，浪费能源，污染环境。锅炉自动化改造的任务非常迫切，利用现场总线可以使锅炉的控制达到最佳状态。

采用CAN总线，每个锅炉均有传感器和执行机构，分控室和中心控制室都有锅炉监控器、仪表和一体化操作站。点击此处结束放映第四十五页，共53页。物联网传感器技术与应用点击此处结束放映第四十六页，共53页。物联网传感器技术与应用12.4.3智能微尘（SmartDust）

智能微尘让拥有智能的无线传感器缩小成如同沙粒或尘埃的大小，每个智能微尘可以是一个无线传感器网络中的节点，可以探测周围诸多的环境参数。点击此处结束放映第四