物聯網概論第三章傳感器技術2目錄

3.1傳感器及智能設備概述

3.2傳感器原理

3.3智能傳感器

3.4微機電系統傳感器

33.1傳感器及智能設備概述

3.1.1傳感器的定義

3.1.2傳感器的分類

3.1.3傳感器的組成

3.1.4傳感器節點43.1.1傳感器定義傳感器和人們的日常生活密切相關傳感器具有的社會意義傳感器在經濟建設中占據重要地位53.1.1傳感器定義傳感器在經濟建設中的應用

利用適當的傳感器，例如：壓電傳感器、加速度傳感器、超聲傳感器、濕度傳感器等，可以有效的建立一個三維立體的防護監測網絡。該系統可以用于監測橋梁、高架橋、高速公路等道路環境。對許多老舊的橋梁、橋墩長期受到水流的沖刷，傳感器能夠放置在橋墩底部，用以感測橋墩的結構、橋墩被腐蝕情況等；也可以放置在橋梁兩側，搜集橋梁的溫度、濕度、震動幅度等。有效減少斷橋造成的生命財產損失。三峽大壩里一共埋設了萬余臺/只檢測儀器和傳感器，這些“眼睛”時刻監測三峽大壩是否穩定，有無沉降。

63.1.1傳感器定義傳感器（Sensor）的定義：國家標準GB7665-87定義：傳感器（Transducer/Sensor）為能感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用信號輸出的器材或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

半導體敏感元器件可以直接輸出電信號，本身就構成傳感器！根據傳感器轉換原理分類73.1.2傳感器的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應，被測信號量的微小變化都將轉換成電信號，多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。化學傳感器技術問題較多，如可靠性、規模生產的可能性、價格等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長按被測量性質分類83.1.2傳感器的分類力學量光學量磁學量幾何學量運動學量流速與流量液面熱學量化學量生物量按感知元件分類93.1.2傳感器的分類熱敏元件光敏元件氣敏元件力敏元件磁敏元件濕敏元件聲敏元件放射線敏元件氣敏元件味敏元件按用途分類103.1.2傳感器的分類壓敏、力敏傳感器位置傳感器液面傳感器能耗傳感器速度傳感器加速度傳感器輻射傳感器熱敏傳感器按工作原理分類113.1.2傳感器的分類振動傳感器濕敏傳感器磁敏傳感器氣敏傳感器光敏傳感器真空度傳感器生物傳感器……按輸出信號分類123.1.2傳感器的分類模擬傳感器將被測量的非電學量轉換成模擬電信號數字傳感器將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號（包括直接和間接轉換）膺數字傳感器將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出（包括直接或間接轉換）開關傳感器當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號按所用材料分類133.1.2傳感器的分類所用材料分為金屬傳感器、聚合物傳感器、陶瓷傳感器、混合物傳感器材料性質分為導體傳感器、絕緣體傳感器、半導體傳感器、磁性材料傳感器、陶瓷傳感器、石英傳感器、光導纖維傳感器、有機材料傳感器、高分子材料傳感器等材料晶體結構分為單晶傳感器、多晶傳感器、非晶材料傳感器143.1.3傳感器的組成圖3-1傳感器的組成示意

傳感器節點是無線傳感器網的基本功能單元，節點間可采用自組織方式組網，通過無線/有線通信進行數據轉發，節點都具有數據采集與數據融合轉發的雙重功能。節點對自身采集的信息和其他節點轉發過來的數據做初步處理和融合之后，以相鄰節點接力傳送的方式傳送到基站，再通過基站以互聯網、衛星等方式傳送給最終用戶。153.1.4傳感器節點163.1.4傳感器節點圖3-2無線傳感器節點的結構電阻傳感器金屬皆有電阻，其值隨材料種類與形態而異。同樣材料，越細或越薄，則電阻越大。當施加外力時，金屬若變細變長，則阻值增加；若變粗變短，則阻值減小。如在發生應變的物體上裝有金屬電阻，當物體伸縮時，金屬體也按某一比例發生伸縮，因而電阻值產生相應的變化。此即金屬電阻的應變效應，由此可制造出種種傳感器。173.2傳感器原理電阻傳感器——電阻式應變式傳感器由基體材料、金屬電阻應變絲或應變箔、絕緣保護層和引線等部分組成。當傳感器受外力作用導致金屬絲受外力作用時，金屬絲的長度和截面積都會發生變化，壓力傳感器電阻值即隨之發生改變：如金屬絲受外力作用伸長時，截面積減少，電阻值增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻上的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。183.2傳感器原理電阻傳感器——壓阻式傳感器利用單晶硅半導體材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。單晶硅半導體材料在某一軸向施加一定壓力而產生應力時，其電阻率會發生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器是通過在半導體基片上經擴散電阻而制成的一種純電阻元件。基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。為基片受外力作用而產生形變時，電橋就會產生相應的不平衡從而輸出電信號。193.2傳感器原理電阻傳感器——熱敏傳感器熱敏電阻器主要是利用電阻值溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值。203.2傳感器原理電阻傳感器——光敏傳感器光敏電阻材料主要是金屬硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內。黑暗中，材料電阻值很高，光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子-空穴對增加了半導體材料中載流子的數目，其電阻率變小，電阻阻值下降。光照越強，阻值越低。213.2傳感器原理電容傳感器

電容式傳感器是一種將其他被測量（如尺寸、壓力等）的變換以電容的變化體現出來的儀器。結構主要由上下兩電極、絕緣體、襯底構成，在壓力作用下，薄膜產生一定的形變，上下級間距離發生變化，導致電容變化，產生信號輸出。電容傳感器具有結構簡單、靈敏度高、動態響應特性好、適應性強、抗過載能力大及價格低廉等優點。因此，可用來測量壓力、位移、振動、液位等參數。但電容并不隨極間距離的變化而線性變化，還需測量電路對輸出電容進行一定的非線性補償。223.2傳感器原理電容傳感器——變間隙式電容傳感器

圖中上部為頂電極，下部為底電極。當電容因被測參數的改變而引起變形或移動時，兩極板間的距離就發生變化，從而改變了兩極板之間的電容。233.2傳感器原理電容傳感器——變面積式電容傳感器

其中（a）為定極板與動極板示意；（b）為與被測對象相連的活動極板；（c）為定極板與動極板間因旋轉而產生相對面積改變，從而改變兩極板間的電容量。243.2傳感器原理電感傳感器

電感式傳感器是利用電磁感應將被測物理量（如位移、壓力、流量、振動等）轉換成引起線圈的自感系數和互感系數的變化，再由電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現非電量到電量的轉換。253.2傳感器原理電感傳感器——自感式電感傳感器—變間隙式電感傳感器

傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵組成。工作時，銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發生變化。由于氣隙磁阻的變化，導致了線圈電感量的變化。263.2傳感器原理電感傳感器——自感式電感傳感器—變面積式電感傳感器

由變間隙式電感傳感器可知，間隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化而改變，從而導致線圈的電感量發生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器。273.2傳感器原理電感傳感器——自感式電感傳感器—螺管式電感傳感器

螺管式電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發生變化于線圈電感量也因此而變。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。283.2傳感器原理電感傳感器——電渦流式傳感器

電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。電渦流式傳感器能靜態和動態地非接觸、高線性度、高靈敏度地測量金屬體的多種物理量，如位移、振動、厚度、轉速、應力、材料損傷等參數。

當通過金屬體的磁通變化時，就會在導體中產生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分能量，從而使產生磁場的線圈阻抗發生變化，此物理現象為渦流效應。電渦流式傳感器是利用渦流效應，將非電量轉換為阻抗的變化而進行測量。293.2傳感器原理壓電效應傳感器

壓電材料受力后表面產生電荷，如圖所示。電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。303.2傳感器原理磁敏傳感器磁敏傳感器是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場變化改變其運動方向這一特性而制成的傳感器件，它能將磁場、電流、應力應變、溫度、光線等外界因素引起敏感元件的磁性能變化轉換成電信號。磁敏傳感器一般被用來檢測磁場的存在、變化、方向以及磁場強弱以及可引起的磁場變化物理量。313.2傳感器原理磁敏效應傳感器——霍爾傳感器

霍爾傳感器的核心是霍爾元件，其工作原理是霍爾效應，即當電流垂直于外磁場方向通過導體時，在垂直于磁場和電流方向的導體的兩個端面之間出現電勢差，該電勢差稱為霍爾電壓。霍爾傳感器還用于測轉速、流量、流速及利用它制成高斯計、電流計、功率計等儀器。323.2傳感器原理磁敏效應傳感器——磁敏二、三極管

磁敏二極管的工作原理如圖（左）。當磁敏二極管未受外磁場作用，外加正偏壓就有大量空穴從P區通過I區進入N區，只有少量的電子和空穴在I區復合掉，同時也有大量電子注入P區，形成電流，如圖（左）之（a）。

當磁敏二極管受外磁場H+（正向磁場）作用時，則電子和空穴受洛侖茲力的作用向r區偏轉，由于r區的電子和空穴復合速度比光滑面I區快，因此，形成的電流因復合速度而減小，如圖（左）之（b）。

當磁敏二極管受外磁場H-（負向磁場）作用時，則電子和空穴受洛侖茲力的作用而向I區偏轉，由于電子和空穴復合率明顯變小，形成的電流變大，如圖（左）之（c）。

利用磁敏二極管在磁場強度的變化下其電流改變，可實現磁電轉換，由此構成傳感器。333.2傳感器原理光電式傳感器

光電傳感器是把被測量的變用以光信號的變化來表示，再把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度以及物體的形狀、工作狀態的識別等。343.2傳感器原理光電式傳感器——光電效應傳感器

利用光電效應將光通量轉換為電量的一種裝置，光電效應是指光照射到金屬上，引起物質的電性質發生變化。光電效應分為光電子發射如圖3-14（左）所示，光電導效應和阻擋層光電效應，又稱光生伏特效應。前一種現象發生在物體表面，稱外光電效應；后兩種現象發生在物體內部，稱內光電效應。353.2傳感器原理光電式傳感器——光柵式傳感器

指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統等組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，直接照到光電元件（如發光二極管）上，在其輸出端得到一串電脈沖，經放大、整形、辨向和計數產生數字信號輸出，直接顯示被測的位移量。363.2傳感器原理壓電式傳感器

壓電式測力傳感器利用壓電敏感元件（簡稱壓電元件）直接實現力-電轉換，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩定性高，動態特性好。壓電式壓力傳感器的結構類型很多，但基本原理與結構大同小異，主要有壓電元件、電極、引線、絕緣材料、上蓋和底座等組成。373.2傳感器原理微波傳感器

微波傳感器主要由微波振蕩器和天線組成。微波振蕩器產生微波，構成微波振蕩器的器件有速調管、磁控管及某些固體元件。微波振蕩器產生的信號用波導管傳輸，用天線發射。當發出的微波遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發生變化，再用接收天線接收被測物反射回的微波，并將其轉換成電信號，通過測量電路處理，就實現微波檢測。383.2傳感器原理化學傳感器

化學傳感器是指對各種化學物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的傳感器。如CO、CO2、O2、H2S傳感器、PH值傳感器、酒精濃度傳感器等。對比人的感官，化學傳感器大體對應于人的嗅覺和味覺器官。但它還能感受人不能感受的某些物質，如H2、CO等。393.2傳感器原理生物傳感器

生物傳感器（biosensor）是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器，是由生物敏感材料作識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）、適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等）及信號放大裝置構成的分析工具或系統。403.2傳感器原理MEMS陀螺儀傳感器

陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。在許多智能終端中，幾乎所有的MEMS陀螺儀中都沒有機械旋轉器件，它主要利用振動來誘導和探測哥里奧利力，利用哥氏加速度對振動質量塊的作用來檢測慣性轉動。413.2傳感器原理423.3智能傳感器

3.3.1智能傳感器概述

3.3.2智能傳感器的功能與優點

3.3.3常見智能傳感器

智能傳感器（intelligentsensor或smartsensor）具有綜合采集、處理與交換信息的能力，是傳感器與微處理機相結合的產物，使之同時具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。智能傳感器通常具有很高的線性度和低的溫度漂移，降低了系統的復雜性、簡化了系統結構，提高了可靠性。433.3.1智能傳感器概述與傳統傳感器相比，智能傳感器的優點：443.3.1智能傳感器概述通過軟件可實現高精度的信息采集與前端處理，且成本低具有一定的編程自動化能力多功能化具有一定的自診斷與自維護能力智能傳感器的主要功能：453.3.2智能傳感器的功能和優點信息存儲和傳輸自補償和計算功能自檢、自校、自診斷功能復合敏感功能智能傳感器的集成化智能傳感器的優點：463.3.2智能傳感器的功能和優點較高信噪比改善性能信號規一化473.3.3幾種智能傳感器智能壓力傳感器

這是一種以壓力測量為主，能同時動態監控傳感系統自身運行環境溫度，能對其漂移進行補償，并在此基礎上進行運算、電壓調節、數字轉換及傳輸接口等。483.3.3幾種智能傳感器智能溫濕度傳感器

此類傳感器體積微小如火柴頭，具有復合傳感功能、微控單元、溫度加熱調整器、校準存儲模塊、通信接口等。同時，傳感器的單元化設計，使其能方便地整合到其他系統甚至組件中。493.4微機電系統傳感器

3.4.1微機電系統傳感器概述

3.4.2MEMS智能傳感器的分類與應用

3.4.3MEMS的發展前景與應用領域

MEMS(MicroElectromechanicalSystem)，微機電系統MEMS是指集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。這種微電子機械系統不僅能采集、處理與發送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。503.4.1微機電系統傳感器概述513.4.1微機電系統傳感器概述523.4.1微機電系統傳感器概述MEMS的優點微型化MEMS器件體積小、精度高以硅為主要材料，機械電氣性能優良能耗低，靈敏度和工作效率高可批量生產集成化學科上的交叉綜合應用上的高度廣泛

微機電系統從信息獲取（傳感器）到信息處理（信息處理電路）和信息執行（執行器）等功能都集成（單片或多片MEMS）一體。一般來說，采用微機械加工技術制作的MEMS器件大致可以分為力學換能器、熱學換能器、光學換能器、電磁學換能器、化學與生物傳感器及微流體器件等幾類。533.4.2MEMS智能傳感器的分類與應用543.4.2MEMS智能傳感器的分類與應用力學換能器力學傳感器速度壓力應變聲音觸覺力學執行器靜電式熱學式壓電式機械電路元件力學換能器553.4.2MEMS智能傳感器的分類與應用光學換能器光學傳感器光電效應光倒效應熱電效應光學執行器光斬波器光纖轉換開關數字微鏡器件光學換能器563.4.2MEMS智能傳感器的分類與應用熱學換能器熱學傳感器熱電阻熱電偶原理PN結效應熱學執行器微型溫度傳感器微型露點傳感器微型熱量計等熱學換能器573.4.2