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第3章 传感器技术

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传感器技术 PPT课件

传感器技术 PPT课件

•传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须
具有灵活性和扩展性
•节点的硬件设计需满足一定的标准接口，例如节点和传感板的接口统 一有利于给节点安装上不同功能的传感器
•软件的设计必须是可剪裁的，能够根据不同应用的需求，安装不同功能
的软件模块
大规模长时间部署传感器的设计需求
鲁棒性
•鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
号和通过数字信号，选择是否需要外部模数转 换器和额外的校准技术。
常用传感器及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
微处理器
微处理器是无线传感节点中负责计算的核心 ，目前 的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转
低功耗
•在硬件设计上采用低功耗芯片
例如TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为3mW，而一
般的计算机的功率为200到300W
•软件节能策略来实现节能
软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低
功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态
大规模长时间部署传感器的设计需求
灵活性与扩展性
•通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
发射功率越大，接受灵敏度越高，信号传输距离越远。
•常用通信芯片： •CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
202006 - 第3章 热电式传感器【传感器技术案例教程】

202006 - 第3章 热电式传感器【传感器技术案例教程】


3.2.3 测温电桥电路
2. 不平衡电桥
常值电阻
R1 R2 R3 R0
初始温度感温电阻
Rt R0
温度变化后电桥不平衡输出
不平衡电桥电路原理图
Uout
Rt
2 2R0 Rt
U in
特点：快速、小范围线性、受电桥工作电压干扰
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.2 热电阻温度传感器
3.3.4 热电偶的误差及补偿 3.3.5 热电偶的组成、分类及特点
传感器技术案例教程
3.3 热电偶
3.3.1 热电效应
接触热电动势：Peltie 效应
eAB T
KT e
ln
nA T nB T
K 1.38 10 23 J K
— 玻尔兹曼常数
e 1.6021019 C
— 电子电荷量
nA T ,nB T
自动平衡电桥电路原理图
温度变化，电桥不平衡，差分放大器 A 输出不为零，伺服电 机 SM 带动电位器 RP 电刷移动，直到电桥重新处于平衡
特点：负反馈，快速测量、线性范围大、抗干扰能力强等； 相对复杂、成本高
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.3 热电偶
3.3.1 热电效应
3.3.2 热电偶的工作原理 3.3.3 热电偶的基本定律
传感器技术案例教程
3.2 热电阻温度传感器
3.2.1 金属热电阻 3.2.2 半导体热敏电阻 3.2.3 测温电桥电路
(第3章 热电式传感器)
传感器技术案例教程
(第3章 热电式传感器)
3.2 热电阻温度传感器
3.2.1 金属热电阻
基本原理：温度升高，自由电子动能增加，改变自由电子运动，使 之定向运动所需能量增加；多数金属电阻随温度升高而增加；可描 述为
物联网技术基础第3章-传感器与传感网技术可修改全文

物联网技术基础第3章-传感器与传感网技术可修改全文

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3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
对于阶跃输入信号，传感器的响应称 为阶跃响应或瞬态响应，是指传感器 在瞬变的非周期信号作用下的响应特 性。
对于正弦输入信号，传感器的响应称 为频率响应或稳态响应，是指传感器 在振幅稳定不变的正弦信号作用下的 响应特性。
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3.1 传感器概述
3.1.4 传感器的性能指标
建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方 法。可将传感器作为线性定常系统来考虑，因而其动态数 学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线 性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器。
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3.2 常用传感器
3.2 常用传感器
不同类别的传感器，其工作原理是不同的。下面介绍几种常用的传感器，包括温度传 感器、光电传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、超声波传感器、激光传 感器、生物传感器等。
15
3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类
表3-3为传感器按被测量进行分类。
物理量 传感器
化学量 传感器 生理量 传感器
表3-3 传感器按被测量进行分类
力学量 热学量
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、黏度传感器、硬度传 感器、浊度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成 可用输出信号的传感器。温度传感器 利用热敏元件的参数随温度变化而变 化的特性来达到测量温度的目的。常 见温度传感器如图3-3所示。
图3-3 温度传感器
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3.2 常用传感器
3.2.1 温度传感器
第3章 传感器及检测技术

第3章 传感器及检测技术


• （2）传感器的校准 • 传感器需定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继 续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确 保传感器的测量精度的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容 是基本相同的。
3.1.2 传感器的分类
• 传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不同类型的传感器来测 量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种 分类方法。常用的分类方法有： • 1．按被测量分类:被测量的类型主要有：①机械量，如位移、力、速 度、加速度等；②热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差） 、液位等；③物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；④状态参 量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。 • 2．按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电 容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。现 有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律， 这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于 专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。
– 磁电式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成。主要用于流 量、转速和位移等参数的测量。
– 电涡流式传感器是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理 制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。
• 。
• （2）磁学式传感器
– 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等 参数的测量。
• 3．传感器与家用电器
– 传感器已在现代家用电器中得到普遍应用，譬如，在电子炉灶、自动电饭锅、吸 尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电熨斗、电风扇、 游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色电视机、录像机 、录音机、收音机、电唱机及家庭影院等方面都得到了广泛应用。
chapter3 常用传感器和敏感元件new

chapter3 常用传感器和敏感元件new

传感器的基本组成 被测量
敏感元件 转换元件 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
例：压力传感器：
兰州理工大学机电工程学院
基本转 换电路
电感线圈 磁芯
转换元件
大 气 压 输入P 被测量
敏感元件 转换元件
膜盒
敏感元件
壳体 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
兰州理工大学机电工程学院
3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度 , 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速 , 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热.
第3章 常用传感器和敏感元件 2)按工作的物理基础分类:
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效 应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其 电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发 生变化象。
3.3.1 电阻式传感器
兰州理工大学机电工程学院
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
案例：桥梁固有频率测量
兰州理工大学机电工程学院
案例：电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
兰州理工大学机电工程学院
案例：冲床生产记数 和生产过程监测
兰州理工大学机电工程学院
案例：机器人握力测量
兰州理工大学机电工程学院
案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
代入
传感器原理与检测技术(第三章)概要

传感器原理与检测技术(第三章)概要


Em
cos 2x
W
s in t
E2'
Em
sin
2x
W
cost
(3.5)
将两路输出用求和电路相加，则获得总输出 ：
E
Em
sin(t
2x
W
)
它表明E的幅值恒定，相位变化正比于位移量x。 该信号经BPF、整形、鉴相细分后产生脉冲，由可逆 计数器计数显示相应的位移量。
鉴相型磁栅传感器的原理框图
图中鉴相细分是对调制信号的一种细分 方法，其实现手段可参看相关文献。
• 实际中N1起磁路开关作用。当N1不通电或电流小于某一定值 时，磁路处于不饱和态，磁栅的磁力线通过磁头铁芯闭合， 磁路中的磁感应强度决定于磁头与磁栅的相对位置。反之， 当 N1 通 交 变 电 流 并 达 到 某 一 幅 值 时 ， 铁 芯 饱 和 使 磁 路 “ 断 开”，磁栅上的剩磁通不能在磁头铁芯中通过。随着激磁交 变电流的变化，该磁路开关不断“通”和“断”。这样，在 N2中产生感应电势，它主要与磁头在磁栅上的位置有关，而 与磁头和磁栅之间的相对速度关系不大。
2．光栅读数头
它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和 驱动电路组成。白炽灯发出的光线经透镜变成 平行光照在光栅尺上。光敏元件输出的信号经 驱动电路进行电压和功率放大。光栅读数头的 结构按光路分为：垂直入射光栅读数头、分光 读数头和反射读数头等 。
光栅按其形状和用途可以分为长光栅和圆 光栅两类，长光栅用于长度测量，又称直线光 栅，圆光栅用于角度测量；按光线的走向可分 为透射光栅和反射光栅。
鉴幅型磁栅传感器的原理框图
四、磁栅数显装置
由专用大规模集成电路(LSI)芯片组配两片驱动器 和少量电阻、电容即可组成磁栅数显表 。
传感器与检测技术 第 3 章 位 移 传 感 器

传感器与检测技术 第 3 章 位 移 传 感 器

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３. １ 自 感 式 位 移 传 感 器
• ２. 相 敏 检 波 电 路 • 检 波 是 将 交 变 信 号 转 换 为 直 流 平 均 值 ，它 的 作 用 是 将 电
感 的 变 化 转 换 成 直 流 电 压 或电 流 ， 以 便 用 仪 表 指 示 出 来 。 但 若 仅 采 用 电桥 电 路 配 以 普 通 的 检 波 电 路 ， 则 只 能 判 别 位移 的 大 小 ， 却 无 法 判 别 输 出 电 压 的 相 位 和 位 移 的 方 向 。 如 果 在 输 出 电 压 送 到 指 示 仪 表 之 前 ，经 过 一 个 能 判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的 大 小 ） ， 还 可 以 反 映 输 出 电压 的 相 位 （ 位 移 的 方 向 ） ， 这种检波电路称为相敏检波电路。 • 图 ３ －６ 所 示 为 相 敏 检 波 电 路 的 原 理 图 ， 四 个 特 性 相 同 的 二 极 管 ＶＤ １ ～ ＶＤ ４ 串 接 成 一 个回 路 ， 四 个 节 点 １ ～ ４分别接到两个变压器Ａ和Ｂ的次级线圈上。
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３. １ 自 感 式 位 移 传 感 器
• （ ２） 变 截 面 式 自 感 传 感 器 • 图 ３ －３ （ ｂ） 所 示 为 变 截 面 式 自 感 传 感 器 的 结 构 。 在
式 （ ３ －２） 中 ， Ｎ 确 定 后 ， 若 保 持气 隙 厚 度 δ 为 常 值 ， 则 Ｌ ＝ ｆ（ Ａ） ， 即 电 感 Ｌ 是 气 隙 有 效 截 面 积 Ａ 的 函 数 ， 故 称 这 种 传 感 器 为变 截 面 式 电 感 传 感 器 。 • 它 的 特 性 曲 线 如 图 ３ －４ （ ｂ） 所 示 ， 电 感 Ｌ 与 气 隙 有 效 截 面 积 Ａ 成 正 比 ， 输 入 、 输 出 呈线 性 关 系 。 由 图 ３ － ４ （ ｂ） 中 的 虚 线 可 以 看 出 ， 灵 敏 度 Ｋ １ 为 一 常 数 。 但 是 ， 由 于 漏 感 等 原因 ， 它 的 特 性 曲 线 并 非 是 线 性 的 ， 而 且它的线性区较小，灵敏度低。
第3章 电阻应变式传感器

第3章 电阻应变式传感器


一个是由电阻丝几何尺寸引起的；另一个由电阻丝电 阻率引起的。对金属电阻丝来讲后一项数值很小，可 以忽略不计，则上式简化为：
dR ≈ (1+ 2µ)ε R 上式表明了电阻相对变化率与应变成正比。比 值S一般称为电阻应变片的应变系数或灵敏度
dR S = R =1+ 2µ dR = Sε R
ε
(二)金属电阻应变片的结构及参数
1. 结构形式
金属电阻应变片有丝式和箔式两种。都是 由敏感栅、基底、粘结剂和引线等组成。
1. 结构形式
1. 结构形式
1) 敏感栅 敏感栅用来感受应变并转换为电阻的变化。 金属丝电阻应变片的敏感栅由具有高电阻 率的金属丝(康铜或镍铬合金等，直径 0.015~0.05mm左右)绕成。
∵
∆R = SRε
2. 金属应变片的主要参数
2. 金属应变片的主要参数
i. 基长l 基长l 基宽b ii. 基宽b iii.电阻值 电阻值R iii. 电阻值R 灵敏度S iv. 灵敏度S v. 允许电流
二、应变片的测量电路
测量过程 力、压力 敏感元件 应变变化 应变片 电阻变化 电阻应变仪 电压或电流的变化 并显示和记录 按 激 励 电 压 性 质
讨论
3) 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中 4) 桥臂电阻数与输出之关系
∆R ∵U0 ∝ R
2∆R ∆R ∴ = ∝U0 2R R
单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出， 单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出，但 可以起平均作用及消除干扰的作用 起平均作用及消除干扰的作用。 可以起平均作用及消除干扰的作用。
按能量关 系分类
按输出信号 分类
传感器的命名
××
《传感器与检测技术(第2版)》胡向东第3章剖析

《传感器与检测技术(第2版)》胡向东第3章剖析

尽可能小的输入电压噪声； 尽可能小的输入失调电压（μV级）； 尽可能小的输入失调漂移，即受温度影响情况，对于测量精度要求高的场合
，该值应该为nV/℃级； 较高的共模抑制比； 符合测量信号的频带范围，即带宽。
3.2 测量电路
3.2.1 直流电桥
B
Io
1. 直流电桥平衡条件
R1 A
当RL→∞时，电桥输出电压为： R3
又有新的增量ΔR’1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生 新的增量， 此时电桥输出电压为 ：
U0 g ( R1 R1)R4 R2 R3 g R1 R4 g (R1K )R4
可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环
境温度无关。
注意补偿条件：
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 ② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、 线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件 材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
推得：
dR
d
R (1 2)
定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应 变所引起的电阻相对变化量。其表达式为
dR
d
K R 1 2
K R 1 2
R
灵敏度系数K受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ
二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即
（∆ρ/ρ）/ε。 对金属材料：1+2μ＞＞(∆ ρ/ρ)/ε 对半导体材料：(∆ ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ
3.1 工作原理
应变
物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变
当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变
传感器与检测技术课件第三章-4压电式传感器

传感器与检测技术课件第三章-4压电式传感器

化强度P11 与应力σx 成 正比。
第三章 力、扭矩和压力传感器 二、压电式传感器
第一节
测力传感器
关系式：
d为压电系数
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q dF
σ1为X方向应力
•在X轴方向施力时,产生电荷大小为:
qx d111
q y d12 b 2 a
•在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: σ2为Y方向应力 •压电系数 d11=-d12 为常数
第一节
测力传感器
3.压电元件及其晶片连接方法 电路串联
U’
+++++++++++ + _____________ _ __________ +
_
U’
+++++++++++ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ++ ++++++++++ ____________
+ _ _ +
+++++++++++
第一节
测力传感器
Q Ui Ca Cc Ci
可见： 连接电缆不宜太长，而且也不能随意更换电缆，否则会使传感 器实际灵敏度与出厂标定灵敏度不一致，从而导致测量误差。 Cc以及放大器的输入电容Ci有关，他们均是变数，会影响测量 结果。
第三章 力、扭矩和压力传感器 二、压电式传感器
第一节
3传感器技术及其应用

3传感器技术及其应用


单击此处编辑母版标题样式
U max U n
10
Anhui Science and Technology University
理学院
• • • • •
单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
图3.4 局部剖面和阶梯特性1电刷2电阻丝3短路线
11
• 实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必 定会使这两匝短路,于是电位器的总匝数从n 单击此处编辑母版标题样式 • 匝减小到（n-1）匝,这样总阻值的变化就使 单击此处编辑母版文本样式 • 得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。这 第二级 个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为 • 第三级 • 第四级 1 1 U a U max ( )j • 第五级 n 1 n
• • • • •
单击此处编辑母版标题样式
单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级
图3.3 线性线绕电位器示意图
8
Anhui Science and Technology University
理学院
• • • • •• •
式中,SR 、SU 分别为电阻灵敏度、电压灵敏 单击此处编辑母版标题样式 度;ρ为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线 单击此处编辑母版文本样式 绕电位器绕线总匝数。 第二级 第三级 由上式可以看出,线性线绕电位器的电阻灵 第四级 敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外,还与 第五级 骨架尺寸h和b、导线横截面积A(导线直径 d）、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏 度还与通过电位器的电流I的大小有关。
单击此处编辑母版标题样式 x
• 作为分压器使用,则有
Ua
x xmax

传感器与检测技术课件第三章-2电桥


半等臂电桥、第一对称电桥
Uo Us Us 2(2 ) 4(1 2)

第三 R1 C
三、电桥的工作特性指标
（1）单臂电桥 当R1=R2，R3=R4时
R2
D
Uo Us Us 2(2 ) 4(1 2)
忽略分母上的ε/2,则可得到线性 化方程：
电桥
A R1
三、电桥的工作特性指标
（1）单臂电桥 当RX由R1变化到R1+△R1时
Uo
R2
D
（ R2 R3 1 1 R R1 4
U s
R1
C
Uo
） R1
R3
B
R4
输出特性呈非线性关系 当R1=R2，R3=R4时
US
图8-2 电桥原理图
A R1 C R3 B R2 D Ig Rg
R4 ES
图8-2 电桥原理图
第三章 力、扭矩和压力传感器
电桥
一、电桥工作原理 1.直流电桥 若输出端与内阻为Rg的检流计 相连。根据戴维南定理，AB 端的等效电阻为： 一个含独立电源、线性电阻和 受控源的一端口，对外电路来 说，可以用一个电压源和电阻 的串联组合等效置换，此电压 源的电压等于一端口的开路电 压，电阻等于一端口的全部独 立电源置0后的输入电阻。
第三章 力、扭矩和压力传感器
电桥
电桥是把电阻、电感和电容等元件参数转换成 电压或电流的一种测量电路。这种测量电路简单直 接，而且精度和灵敏度都较高，在检测系统中的应 用较多。
第三章 力、扭矩和压力传感器
电桥
一、电桥工作原理 1.直流电桥 R1、R2、R3、R4组成电 桥四臂； 输入电源加在电桥CD端； 输出信号取自电桥AB端； 输入端加入直流电源ES， 则称为直流电桥。

《传感器与检测技术》课件——第3章 变磁阻式传感器


图3.15 等效电路
图3.16 等效电路
3.3.1 电涡流传感器的工作原理 金属导体被置于变化着的磁场中，或在磁场中运动，导体内就会产生感应电流，该感应电流被称为电涡流或涡流，这种现象被称为涡流效应。 一般地，线圈电感量的变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数、激励电流频率，以及线圈与被测导体之间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则电感量就成为此参数的单值函数。如只改变线圈与金属导体间的距离，则电感量的变化即可反映出这二者之间的距离大小变化。
图3.22 调频式测量电路
图3.23 电桥法原理图
3.4 变磁阻式传感器的应用
3.4.1 自感式传感器的应用 1．压力测量 2．位移测量
图3.26 差动变压器式加速度传感器原理图
1—罩壳；2—差动变压器；3—插头；4—膜盒；5—接头；6—衔铁 图3.27 差动变压器式压力传感器原理图
3.4.3 电涡流式传感器的应用 1．测位移
图3.29 主轴轴向位移测量原理图
图3.29 主轴轴向位移测量原理图
图3.11 变间隙式
3.2.3 测量电路 1．差动整流电路 图3.12所示为典型的差动全波整流电压输出电路。这种电路把差动变压器的两个次级输出电压分别全波整流，然后将整流电压的差值作为输出，电阻R0用于调整零点残余电压。 图3.13所示为差动全波整流电压输出波形。
图3.18 高频反射式电涡流传感器
图3.19 低频透射式电涡流传感器
3.3.3 测量电路 1．载波频率改变的调幅调频式 测量电路由3个部分组成：电容三点式振荡器、检波器和射极跟随器。
图3.20 调频调幅式测量电路
2．调频式测量电路 3．电桥电路

(完整版)智能传感器系统刘君华第3章


第3 章 不同集成度智能传感器系统举例
如图3 - 5为硅盒式集成压力传感器芯片剖面图，该结构采用 了硅盒结构，将压敏单元与CMOS信号调理电路集成在同一硅芯 片上，其加工过程是先在下层硅片表面通过掩蔽腐蚀的方法形成 深10 μm, 长宽各 60 μm的凹坑, 将上层硅片与下层硅片在1 150 ℃ 高温中键合形成硅盒结构，从而在两层硅片之间生成一个参照压 力空腔。然后将上层硅片减薄至 30 μm， 再将其表面抛光， 通 过光刻对中的方法，在参照压力空腔上方的硅膜上用离子注入工 艺形成压敏电桥。 用标准的CMOS工艺在空腔外围的上层硅片上 制作了CMOS信号放大电路， 从而形成单片集成的结构。
第3 章 不同集成度智能传感器系统举例 这种硅盒结构的最大特点是，只需在硅芯片单面进行加工， 其工艺与标准IC工艺完全兼容，从而克服了传统硅杯型压力传 感器在制作工艺上与IC工艺不兼容的缺点，使压敏元件与信号 调整电路的单片集成成为现实。
整个集成压力传感器芯片面积为 1.5 mm2，其电路如图3 - 6 所示。R1～R4组成的压阻全桥构成了力敏传感单元，每臂电阻阻 值约为5 kΩ，信号放大电路由三个CMOS运算放大器及电阻网络 组成，其中每个CMOS运放的电路如图3-7所示。图 3-6 中A1, A2 构成同相输入放大器， 输入电阻很高，共模抑制比也很高。 A3 接成基本差动输入放大器形式，整个放大电路的差模放大倍数 为
一、 传感器的集成化包含两方面的含义：一方面是指把许多同 样的单个传感器按一定规律进行阵列集成， 比如将单个传感器 进行列集成，形成一维传感器，如图 3 - 1 (b)所示；将单个传 感器集成为矩阵形式，形成二维传感器，如图 3 - 1(c)所示。 将传感器进行阵列集成的目的，是为了对空间参数进行测量， 例 如 CCD 图 像 传 感 器 即 为 此 类 集 成 传 感 器 ， CD) 和 面 阵 CCD(SCCD)之分。

现代传感技术第三章课后习题答案.doc

思考题1、 传感器一般包括哪些部分，各部分的作用是什么？答：1、敏感元件：直接感受被测量，以确定的关系输出某一物理量（包括电学 量）。

2、 转换元件：将敏感元件输出的非电量物理量转换为电学量（包括电路参数量）。

3、 转换电路：将电路参数（如电阻、电容、电感）量转换成便于测量的电学量 （如电压、电流、频率等）。

2. 从传感器的结构形式来划分，可将传感器按其构成方法分为哪几类？各类型的 特点是什么？并画出各类型的结构简图。

力-1诵用型 2参卜卜型 3差油型 4通用型根据成可‘为：能量i 换基*型°、能量控制基本型、能量变换特殊 型（辅助能源型）、电路参数型和多级变换型。

（1）能量变换基木型物理、化学、生物 : 输入 加电源，敏感元件就是能量变换元件，能量从被测对象获得，输出能量较弱。

（3）利用热平衡现象或传输现象屮的一次效应制成是可逆的。

（4）对被测对象 有负荷效应（因输出逆效应而影响输入）。

（5）输出能量不可能大于被测对象的 能量。

（2）能量控制基木型特点：（1） 也由敏感元件组成，但需外加电源才能将被测非电量转换成电量输出。

（2） 输出能量可大于被测对象具有的能量。

（3）无需变换电路即可有较大的电 量输出。

（3）能量变换特殊型（辅助能源型）特点：（1）只由敏感元件构成。

（2）能量 从被测对象获得，属能量变换型。

（3）辅助能源是为了增加抗干扰能力或提高稳 定性，或取出信号，或为原理所需要而使用固定磁场。

电晕特点：（1）只由敏感元件构成。

（2）不需外输出 （4）电路参数型特点：（1）敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换。

（2）转换电 路含有该敏感元件。

（3）电源向转换电路提供能量从而输出电量，属于能量控制 型。

（4）输出能量远大于输入能量。

（5）利用传输现象中的二次效应都属于此类 传感器。

2. 参比补偿型特点：（1）采用两个（或W 个以上）性能完全相同的敏感元件。

其 中一个感受被测量和环境量，另一个只感受环境量作补偿用。

第3章 无线传感器网络的关键技术-无线传感器网络-王利强-清华大学出版社


3.1 时钟同步技术
设施的协助； （4）NTP协议需要通过频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来
的误差，并通过复杂的修正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中 的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦听和占用都不受任何约束，而传感 器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。 因此，由于传感器网络的特点，在能量、价格和体积等方面的约束，使得 NTP、GPS等现有时间同步机制并不适用于通常的传感器网络，需要有专门 的时间同步协议才能使得传感器网络正常运行和实用化。 3.1.2 时间同步协议
第3章 无线传感器网络的关键技术
本章要点
1 时钟同步技术 2 节点定位技术 3 网络服务质量保证 4 无线传感器网络中嵌入式系统软件技术
3.1 时钟同步技术
3.1.1 传感器网络的时间同步机制 1.传感器网络时间同步的意义 无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。在分布式的
无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟，由于不同 节点的晶体振荡器存在频率偏差，所以各个传感器节点本地时钟的频率、 相位也各不相同，又由于温度、湿度变化的影响及电磁干扰的存在，就会 造成不同网络节点之间，运行时间出现偏差。无线传感器网络单个节点能 力有限，在某些情况下，一些测量工作，如移动物体定位，需要整个网络 所有节点相互配合共同完成，完成这类工作，就需要所有节点的时间保持 同步。
网络时间协议（NTP）在因特网得到广泛使用，具有精度高、鲁棒性 好和易扩展等优点。但是它依赖的条件在传感器网络中难以满足，因而不 能直接移植运行，主要是由于以下原因：（1）NTP协议应用在已有的有线 网络中，它假定网络链路失效的概率很小，而传感器网络中无线链路通信 质量受环境影响较大，甚至时常通信中断；（2）NTP协议的网络结构相对 稳定，便于为不同位置的结点手工配置时间服务器列表，而传感器网络的 拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法适应这种变化；（3）NTP协 议中时间基准服务器间的同步无法通过网络自身来实现，需要其他基础
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3.1传感器概述
•定义
我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义是： “能感受被测量并按照一定的规律转换成可 用输出信号的器件或装置”。
•传统传感器的局限性
网络化、智能化的程度十分有限，缺少有效的数 据处理与信息共享能力
•现代传感器
特点：微型化、智能化和网络化 典型代表：无线传感节点
无线传感节点
•传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须
具有灵活性和扩展性
•节点的硬件设计需满足一定的标准接口，例如节点和传感板的接口统 一有利于给节点安装上不同功能的传感器
•软件的设计必须是可剪裁的，能够根据不同应用的需求，安装不同功能
的软件模块
大规模长时间部署传感器的设计需求
鲁棒性
•鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障
•对于普通的计算机，一旦系统崩溃了，人们可以采用重启的方法恢复系统，
而传感器节点则不行 ，就整个网络而言，可以适当增加冗余性，增加整 体系统的鲁棒性
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 结合设计需求可得出传感器节点硬件平台的基本特征
低功耗
•在硬件设计上采用低功耗芯片
例如TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为3mW，而一
般的计算机的功率为200到300W
•软件节能策略来实现节能
软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低
功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态
大规模长时间部署传感器的设计需求
灵活性与扩展性
对无线 传感器 的研究 始于20 世纪90 年代
低功耗无线传感节点
加州伯克莱分校SmartDust项目
微型化传感器节点
3.2传感器技术发展史：缓慢提升的性能
计算机硬件的发展通常遵循摩尔定律： 集成电路上可容纳的晶体管数量，约每 隔18个月增加一倍，性能也将提升一倍。
无线传感器节点的发展并没有像 摩尔定律预测的速度发展！
左侧代码中： BlinkC就表示一个组件，它使用了三 个接口：Timer，Leds，Boot。 在其实现部分，它可以调用这些接 口提供的服务，如Timer.startPeriodic 启动一个以250ms周期触发的时钟， 而Leds.led0Toggle使节点上第一个灯 亮起。
在上面的代码中，注意的是，event 关键字表示BlinkC组件处理的系统事 件。
硬 件 能 力 摩尔定律 预测的曲线 传感器节点 发展曲线
2004
时间
制约传感器性能提升的因素？
功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通过有线供电。其
硬件设计必须以节能为重要设计目标。
价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成特定的功能。其
硬件设计必须以廉价为重要设计目标。
体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部署。其硬件设计
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
量最多 ，在目前常用的TelosB节点上，CPU在工作状
态电流仅500uA，而通信芯片在工作状态电流近20mA。
•低功耗的通信芯片在发送状态和接收状态时消耗的能
量差别不大 ，这意味着只要通信芯片开着，都在消耗 差不多的能量
3.5 硬件平台
通信芯片（续）
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
化器、数字IO等 ，这种深度集成的特征使得它们非
常适合在无线传感器网络中使用。
影响节点工作整体性能的微处理器关键性能包括功耗
特性，唤醒时间（在睡眠/工作状态间快速切换）， 供电电压（长时间工作），运算速度和内存大小
必须以微型化为重要设计目标。
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 虽然传感器性能有限，但仍然得到广泛应用。
军事监测中的传感器：VigilNet
VigilNet是由美国弗吉尼亚大学研制 的用于军事监测的无线传感系统， 该系统由XSM，Mica2和Mica2Dot节 点构成，其规模最大达200个节点； 节点通过电池供电，铺设在道路旁 边，用于检测与收集移动目标的情 况。
采用串口通信模式时速率只能达到19.2Kbps
•CC2420：工作频率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4协议规范的芯片 ；传输率250Kbps
常用通信芯片及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
供能装置
•采用电池供电，使得节点容易部署。但由于电压、
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
环境等变化，电池容量并不能被完全利用。
•可再生能量，如太阳能。可再生能源存储能量有两种 方式：充电电池，自放电较少，电能利用会比较高，
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.2传感器技术发展史：两条主线
加州洛杉矶分校LWIN项目 1996年，LWIM团队将多种传感 器、控制和通信芯片集成在一个 设备上，开发了LWIM节点 1998年，LWIM团队和Rockwell科 学中心合作开发了WINS节点 1999年，该校发布了WeC节点 之后，该校又发布了一系列节 点，包括Mica、Mica2、 Mica2Dot，MicaZ
常用微处理器及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
通信芯片
•通信芯片是无线传感节点中重要的组成部分 ，在一个
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感节点的能量消耗中，通信芯片通常消耗能
应用特点
•节点自主成网、多跳传输
•节点通过电池供电，通过软件节
能机制延长网络的生命周期
•节点智能感知、协同工作，向
上提供预警的功能
智能楼ห้องสมุดไป่ตู้中的传感器： LoCal
每年美国用电报告显示至少有30% 的电量是浪费的。这些电能浪费在 何处？其中哪些是可以节省的？ 由美国加州大学伯克利分校大学发 起的LoCal项目试图通过在智能楼宇 中部署无线传感器网络来解决这些 问题。
应用特点
•传感器能实现空间和时间上的细
粒度感知，可实时跟踪到单个电器
•传感器能实现“多功能”的感知， 能推测用户的行为
•传感器能够互联互通，通过大量连
续的数据则有助于分析得出更多有用 的信息
医疗监控中的传感器： Mercury
传感器的另一个重要应用是医疗监 控 ，哈佛大学研究组改进了传统传 感器，使得其外形更小，适合穿戴 在身上
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
号和通过数字信号，选择是否需要外部模数转 换器和额外的校准技术。
常用传感器及其关键特性
设计需求回顾
•低成本与微型化 •低功耗 •灵活性与扩展性 •鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器 •无线通信芯片 •电池
3.5 硬件平台
微处理器
微处理器是无线传感节点中负责计算的核心 ，目前 的微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转
节点操作系统发展史
节点操作系统区别于 传统操作系统的主要 特点是：其硬件平
台资源极其有限
TinyOS
TinyOS由加州伯克莱分校开发,是目前无线传感网络研
究领域使用最为广泛的OS ()
TinyOS开发语言：nesC •nesC语言是专门为资源极其受限、硬件平台多样 化的传感节点设计的开发语言 •使用nesC编写的应用程序是基于组件的 •组件之间的交互必须通过使用接口 •用nesC编写的应用程序一般有一个最顶层的配置 文件
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 操作系统是传感器节点软件系统的核心
节点操作系统VS其他操作系统
节点操作系统区别于 传统操作系统的主要 特点是：其硬件平
由图可得，节点操作系统是极其微型化的。
台资源极其有限
被测量 敏感元件 转换元件 基本电路 电量
无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；相 比于传统传感器，无线传感节点不仅包括传感器部件（左上图），还集 成了微型处理器和无线通信芯片等，能够对感知信息进行分析处理 和网络传输。
传感器
微处理器
无线通信芯片
电池
本章内容
3.1 传感器概述 3.2 传感器技术发展史 3.3 典型应用 3.4 设计需求 3.5 硬件平台 3.6 操作系统 传感器发展的两条主线是什么？制约因素又有哪些？
节点操作系统功能： •硬件驱动 •资源管理 •任务调度 •编程借口
TinyOS代码举例
// BlinkC.nc module BlinkC { uses interface Timer<TMilli> as Timer; uses interface Leds; uses interface Boot; } implementation { event void Boot.booted() { call Timer.startPeriodic( 250 ); } event void Timer.fired() { call Leds.led0On(); } }