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生活中的物联网技术应用-第三讲_图文

生活中的物联网技术应用

1

物联网典型结构体系

根据物联 网具有的感 知、传输和 智能三个基 本特征,物 联网的结构 体系可分为 三层:即

感知层、 网络层、 应用层
全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的三大特征。
2

物联网典型结构体系
物联网应用层 提供丰富的基于物联网的应用,是物联网发展的根本 目标 将物联网技术与行业信息化需求相结合,实现广泛智 能化应用的解决方案集 关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高 质量的解决方案、信息安全的保障以及有效的商业模 式的开发

物联网网络层
广泛覆盖的移动通信网络是实现物联网的基础设施

物联网感知层 感知层是实现物联网全面的感知的核心能力 是物联网中包括关键技术、标准化方面、产业化方面 亟待突破的部分

3

物联网的技术体系框架

4

第三讲 传感器技术
3.1 传感器概述 3.2 3.3 3.4 3.5 传感器基本特性 传感器的应用 典型传感器介绍 传感器的发展
5

传感器

6

触摸屏是怎么感知的?

7

触摸屏的结构

透明的 电阻性导电层

导电玻璃

玻 璃

透 明 薄 膜

覆盖金属层的保护膜 绝缘的隔离点 直径小于25微米
8

透明的 金属层

触摸屏的结构
玻璃上的电阻层 隔离点 空隙

保护膜内的金属层

这里的触摸屏就是一种传感器
9

覆盖在液晶显示屏上的触摸屏
电 阻 式 触 摸 屏
控制器
10

CPU

各种触摸屏技术

电容式

红外线式

压电式、表面声波式、……

无论何种形式的触摸屏 都离不开计算机的控制 11

摇晃你的手机
使用者翻动手机选择“响铃” 或“震铃”; 传感器 弯曲的手机屏幕玩游戏; 音乐和壁纸随着人们的动作 而变化。

12

手机中的传感器

13

身边的传感器
热敏电阻

CCD

温控器

14

传声器

照相机防抖动系统

1、感光元件防抖—— 机身的CCD框架产生 相对移动,对成像落点 进行矫正(索尼) 。

CCD框架移动

2、光学防抖——
镜头中的对焦镜产生 相对移动,对光路进行 矫正(佳能) 。

加速度传感器

15

温度开关

力传感器

16

人体秤中的
传感器

固定端 应变片 悬臂梁
17

3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

类比:
?世界是由物质组成的,各种事物都是物质的不同形态。
人们为了从外界获得信息,必须借助于感觉器官。 ?人的“五官”——眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、

听、嗅、味、触觉等直接感受周围事物变化的功能,人的
大脑对“五官”感受到的信息进行加工、处理,从而调节 人的行为活动。 ?如果采用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动,则 可以说计算机相当于人的大脑(一般俗称电脑),而传感 器则相当于人的五官部分(“电五官” )。
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3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位
? 传感器 — 感知( Sensor ) 传送(Transducer) ? 人体系统: 人类有五大感觉器官,即眼、 耳、鼻、舌、皮肤。通过这些感 觉器官感知外界信息。 ? 机器系统: 机器系统中,传感器是各种 机械和电子设备的感觉器官。感 知光、色、温度、压力、声音、 湿度、气味及辐射等。

19

3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

人机系统的机能对应关系
人 体 系 统

外 界 信 息

感 官

人 脑

肢 体

传感器
“机电五官”

计算机
机 器 系 统

执行器

20

3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

传感器的作用
?人们在研究自然现象、规律以及生产活动中,有时需要对 某一事物的存在与否作定性了解,有时需要进行大量的实验 测量以确定对象的量值的确切数据,所以单靠人的自身感觉 器官的功能是远远不够的,需要借助于某种仪器设备来完成, 这种仪器设备就是传感器。传感器是人类“五官”的延伸, 是信息采集系统的首要部件。

21

3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

电量和非电量
? 表征物质特性及运动形式的参数很多,根据物质的电特性, 可分为电量和非电量两类。 ? 电量——一般是指物理学中的电学量,例如电压、电流、 电阻、电容及电感等;

? 非电量——则是指除电量之外的一些参数,例如压力、流
量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温 度、浓度及酸碱度等等。

? 人类为了认识物质及事物的本质,需要对物质特性进行测
量,其中大多数是对非电量的测量。
22

3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

传感器的作用
? 非电量不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器进行测量,

因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量,要求输入
的信号为电信号。 ? 非电量需要转化成与其有一定关系的电量,再进行测量,

实现这种转换技术的器件就是传感器。
? 传感器是获取自然或生产中信息的关键器件,是现代信息 系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技

术的非电量电测方法,就是目前应用最广泛的测量技术。
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3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

传感器的地位
? 随着科学技术的发展,传感器技术、通信技术和计算机 技术构成了现代信息产业的三大支柱产业,分别充当信 息系统的“感官”、“神经”和“大脑”,他们构成了 一个完整的自动检测系统。

? 在人类进入信息时代的今天,人们的一切社会活动都是
以信息获取与信息转换为中心,传感器作为信息获取与 信息转换的重要手段,是信息科学最前端的一个阵地,

是实现信息化的基础技术之一。

24

3.1 传感器概述
3.1.1 传感器的作用与地位

? 衡量国家综合实力的重要标志
传感器与传感器技术的发展水平是衡量一个国家综合实 力的重要标志,也是判断一个国家科学技术现代化程度与生 产水平高低的重要依据。
日本:传感器技术列为计算机、通讯、激光、半导体、超导 和传感器等六大核心技术之一。在 21 世纪技术预测中将传感器列 为首位。 美国:传感器及信号处理列为对国家安全和经济发展有重要 影响的关键技术之一。 欧洲:传感器技术作为优先发展的重点技术。 中国:在国家重点科技项目中,传感器也列在重要位置。
25

3.1 传感器概述
3.1.2 传感器的定义与组成
传感器是一种检测装置,能够探测、感受外界的信号、 物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾),并能将检

测感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式
的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记 录和控制等要求,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

温度变化
26 热敏电阻

电阻值变化

3.1 传感器概述
3.1.2 传感器的定义与组成
国家标准GB7665—1987对传感器(Transducer/Sensor)下 的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定规律转换成 可用输出信号的器件或装置。”这一定义包含了以下几方面 的意思: (1) 传感器是测量装置,能完成检测任务; (2) 它的输入量是某一被测量,可能是物理量,也可能 是化学量、生物量等; (3) 它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转 换、处理、显示等,这种量可以是气、光、电量,但主要 是电量;

(4) 输出、输入有对应关系,且应有一定的精确程度。
27

3.1 传感器概述
3.1.2 传感器的定义与组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分

组成,如图所示。

28

3.1 传感器概述
(1) 敏感元件:是直接感受被测量,并且输出与被测量
成确定关系的元件。 (2) 转换元件:又称变换器,能将敏感元件感受到的非 电量直接转换成电路参量的器件,它是传感器的核心部分。

29

3.1 传感器概述

压力传感器示例

30

3.1 传感器概述
(3) 转换电路:能把传感元件输出的电信号转换为便于
显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。 (4)辅助电路:通常包括电源等。

31

3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类
常见物理量: (1)热工量:温度、热量、比热;压力、差压、真空度; 流速、流量;物位(液位、料位)。 (2)机械量:位移、尺寸(长度、厚度、宽度、角度); 力、力矩;重量、质量;速度、加速度、转速。 (3)物性和成分量:成分量(化学成分、浓度、酸碱度、 盐度等);物性(密度、比重、粘度等)。 (4)状态量:颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、表面 粗糙度等)。?

32

3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类 往往同一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。下面介绍常见的传感器分类方法。

常用的分类方法有两种:

?一种是按被测输入量来分;
?另一种是按传感器的工作原理来分。

33

3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类

按被测物理量分类
? 这一种方法是根据被测量的性质进行分类,如温度传感器、湿度传感器、

压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度
传感器及转距传感器等。 ? 这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量。例如力 可视为基本被测量,从力可派生出压力、重量、应力和力矩等派生被测量。 当需要测量这些被测量时,只要采用力传感器就可以了。了解基本被测量 和派生被测量的关系,对于系统使用何种传感器是很有帮助的。 ? 这种分类的优点:比较明确地表达了传感器的用途,便于使用者根据其用

途选用。
? 缺点:没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异,不便于使用者 掌握其基本原理及分析方法。
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3.1 传感器概述

基本被测量和派生被测量
基本被测量 线位移 位移 角位移 线速度 速度 角速度 线加速度 加速度 角加速度 角振动、转矩、转动惯量 35 转速、角振动、角动量 振动、冲击、质量 光 湿度 派生被测量 长度、厚度、应变、振动、 磨损、平面度 旋转角、偏转角、角振动 速度、振动、流量、动量
基本被测量

派生被测量 重量、应力、力矩 周期、记数、 统计分布 热容、气体速度、 涡流


时间

压力 频率

温度

光通量与密度、 光谱分布
水分、水气、露点

3.1 传感器概述
3.1.3 传感器的分类

按传感器工作原理分类
? 这一种分类方法是以工作原理划分,将物理、化学、生物等学科的原理、 规律和效应作为分类的依据。

? 这种分类的优点是对传感器的工作原理表达的比较清楚,而且类别少,有
利于传感器专业工作者对传感器进行深入的研究分析。 ? 缺点是不便于使用者根据用途选用。 (1) 物理型传感器:是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的 特性制成的,如:应变式、电容式、磁电、光电、压电传感器等。 (2) 化学型传感器:是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成 电学量的敏感元件制成的,如:气敏传感器、湿度传感器、离子传感 器等。 (3) 生物型传感器:是利用各种生物或生物物质的特性做成的,用以检 测与识别生物体内化学成分的传感器,如:酶传感器、免疫传感器等。
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3.1 传感器概述

按传感器输出信号标准分类
传感器按照其输出信号的标准可分为以下几种:

(1) 模拟传感器:将被测量的非电学量转换成模拟电信
号。 (2) 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)。

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3.1 传感器概述
常见传感器

38

3.1 传感器概述
常见传感器

39

3.1 传感器概述

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第三讲 传感器技术
3.1 传感器概述 3.2 3.3 3.4 3.5 传感器基本特性 传感器的应用 典型传感器介绍 传感器的发展
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3.2 传感器基本特性
3.2 传感器的基本特性 ? 传感器的基本特性,即输入——输出特性 传 感 器 的 基 本 特 性 静态特性----被测量不随时间变化或随时间变化 缓慢时输入与输出间的关系。

动态特性----被测量随时间快速变化时传感器 输入与输出间的关系。

42

3.2 传感器基本特性

静态测量

43

3.2 传感器基本特性

缓慢变化的测量-静态测量

44

3.2 传感器基本特性

动态测量

45

3.2 传感器基本特性
3.2.1 传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号, 传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。 因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它 们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含 时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把 与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来 描述。

46

3.2 传感器基本特性
3.2.1 传感器的静态特性
传感器的静态数学模型 ---- 静态的数学模型是指在静态信号作用下,传 感器输出与输入量之间的一种函数关系。如果不考虑迟滞特性和蠕动效 应,传感器的静态数学模型一般可用n次多项式来表示为 传感器的理 论输出量 输入量, 即被测量

y ?a0 ? a1x ? a2 x ? ...... ? an x
2
零输入时的 输出,也叫 零位输出 传感器线性项 系数也称线性 灵敏度,常用 K或S表示
47

n

(1-1)

非线性项系数, 其数值由具体 传感器非线性 特性决定

3.2 传感器基本特性
传 感 器 静 态 数 学 模 型 4 种 特 殊 形 式
? 理想的线性特性----能准确无误地反映被测的真值

y ? a1x
?线性传感器的特性----不过原点的直线

y ? a0 ? a1 x

?仅有偶次非线性项----线性范围较窄,线性度较差,灵敏度为 y ? a0 ? a2 x2 ? a4 x4 ? ... ? a2n x2n 相应曲线的斜率

?仅有奇次非线性项----线性范围较宽,且特性曲线相对坐标原 点对称,具有这种特性的传感器使用时应采取线性补偿措施

y ? a0 ? a1x ? a3 x3 ? ... ? a2n?1x2n?1
y y

n = 0,1,2,……

x

x

x

x

(a)

(b)

(c)

(d)

48 图1-3传感器典型静态特性曲线

3.2 传感器基本特性

一、传感器的静态特性指标 2. 传感器的静态性能指标
传 感 器 的 静 态 特 来性 描主 述要 由 性 能 指 标 线性度 灵敏度

重复性
迟 滞 分辨力和阈值 稳定性

漂 移
量程范围
49

3.2 传感器基本特性

1、线性度
? 线性度----传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离 理论拟合直线的程度,又称非线性误差。线性度可用下式表 实际曲线与拟 示为

? max eL ? ? ?100% y F .S
满量程输 出平均值

合直线之间的 最大偏差

………(1-6)

y F .S ? y max ? y 0
最大输出 平均值
50

最小输出 平均值

3.2 传感器基本特性

线性度是以拟合直线作为基准来确定的, 拟合方法不同,线性度的大小也不同
?常用的拟合方法有理论直线法、端点连线法、割线法、最小二乘法等。 ?端点连线法简单直观,应用比较广泛,但没有考虑所有测量数据的分布, 拟合精度较低。 ?最小二乘法拟合精度最高,但计算繁琐,需要借助计算机来完成。

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3.2 传感器基本特性

2. 灵敏度
? 灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。 ? 线性传感器,其灵敏度就是它的静态特性的斜率,如图1-5a 所示。

?y K? ?x

图1-5 传感器的灵敏度

?非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量,如图15b所示。
52

3.2 传感器基本特性

2. 灵敏度
? 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1?mm时,输出电压变化为 200?mV,则 其灵敏度应表示为200?mV/mm。 ? 当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为 放大倍数。提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏 度愈高,测量范围愈窄,稳定性也往往愈差。

53

3.2 传感器基本特性

3. 重复性
?

重复性 ---- 传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时,

所得特性曲线不一致性的程度,如图1-6所示。
输出最大不 重复误差

? max eR ? ? ?100% y F .S
满量程输出 平均值

?多次测试的不重复误差 多次测试的曲线越重合 其重复性越好。

?max = max (?max1,?max 2 )
2017/10/6

?不重复性主要由传感器的机械部分的磨 损、间隙、松动、部件的内摩擦、积尘、 电路老化、工作点漂移等原因产生。

54

图1-6 重复性

54

3.2 传感器基本特性

标准偏差
? 重复性误差反映的是校准数据的离散程度,属随机误差,按上述方 法计算就不太合理。由于测量次数不同,其最大偏差也不一样。因 此一般按标准偏差来计算重复性误差,其表达式为:

(2 ? 3)? max eR ? ? ?100% y F .S
?标准偏差常用贝塞尔公式计算

全部校准点正、反行程输 出值的标准偏差中最大值 某校准点 的输出值

? ?
测量次数

?(y
i ?1

n

i

? yi )

2

n ?1
55

在第个校准点上输 出量的平均值

3.2 传感器基本特性

4. 迟滞现象
?迟滞现象----传感器在正向行程

(输入量增大)和反向行程(输入量减
小)期间,输出—输入特性曲线不一 致的程度,如图1—7所示。 最大滞环误差

? max ?max eH ? ?100%或eH ? ? ?100% y F .S 2 y F .S

图1-7 迟滞特性

(1-12)

?迟滞反映了传感器机械部分不可避免的缺陷,如轴承摩擦、间隙、螺钉 松动、元件腐蚀或碎裂、材料内摩擦、积尘等。
56

3.2 传感器基本特性

5. 分辨力和阈值
? 传感器的分辩力 ---- 实际测量时,传感器的输入 输出关系不可能保持绝对连续。有时输入量开始 变化,但输出量并不立刻随之变化,而是输入量

y
?x min

变化到某一程度时输出才突然产生一小的阶跃变
化。实际上传感器的特性曲线并不是十分平滑, 而是呈阶梯形变化的,如图1-8所示。在规定测量

范围内所能检测的 输入量的最小变化量 △ Xmin
(有量纲)。有时也用该值相对满量程输入值的 百分数表示(分辨率-无量纲)。 ? 阈值通常又称为死区、失灵区、灵敏限、灵敏阈、 钝感区,是输入量由零变化到使输出量开始发生 可观变化的输入量的值,图中的

0

x

?
阈值
图1-8 分辨力和阈值

?

值。
57

3.2 传感器基本特性

6. 稳定性
? 稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。 ? 传感器常用长期稳定性表示,它是指在室温条件下 , 经过

相当长的时间间隔,如一天、一月或一年,传感器的输出
与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来 表征其输出的稳定度。

58

3.2 传感器基本特性

7. 漂移
? 传感器的漂移 ---- 外界的干扰下,输出量发生与输入量无 关的不需要的变化。

时间漂移----指在规定的条件下,零点
零点漂移 漂移 灵敏度漂移
或灵敏度随时间的缓慢变化

温度漂移----环境温度变而引起的零点或
灵敏度的变化

时间漂移

温度漂移

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3.2 传感器基本特性

8. 测量范围和量程
? 传感器所能测量的最大被测量(输入量)的数值称为测量上限,最小被测 量称为测量下限,上限与下限之间的区间,则称为测量范围。 ? 量程---测量上限与下限的代数差。

例如:
? 测量范围为0~+10N,量程为10N; ? 测量范围为-20~+20℃,量程为40℃;

? 测量范围为-5~+10g,量程为15g;
? 测量范围为100~1000Pa,量程为900Pa;

? 通过测量范围,可以知道传感器的测量上限与下限,以便正确使用传感器; 通过量程,可以知道传感器的满量程输入值,而其对应的满量程输出值, 乃是决定传感器性能的一个重要数据。
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3.2 传感器基本特性
3.2.2 传感器的动态特性

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3.2 传感器基本特性
3.2.2 传感器的动态特性

?输入信号变化时,引起输出信号也随时间变化,这个过程 叫响应。 ?传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响 应特性。 ?在动态(快速变化)的输入信号情况下,要求传感器不仅能 精确地测量信号的幅值大小,而且能测量出信号变化的过程。 这就要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。 也就是说,传感器要有良好的动态特性。

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第三讲 传感器技术
3.1 传感器概述
3.2 3.3 3.4 3.5 传感器基本特性 传感器的应用 典型传感器介绍 传感器的发展
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3.3 传感器的应用
3.3 传感器的应用 (1)机械制造业:智能机械 :数控机床、加工中心、机器 人等; (2)工业过程检测与控制:石油、化工、电力、冶金等行 业中热工工艺参数检测和控制; (3)汽车:车速、里程、燃油、排气、车灯、关门、防盗、 防撞等; (4)环保:有毒、有害、易燃、易爆气体检测,重金属、 污水检测,防酒后驾车等; (5)医疗卫生:血压、心音、脉搏检测,心脏监护仪、彩 超、核磁共振等; (6)航空航天:卫星、火箭、飞船、外星探测器等; (7)国防工业:飞机、导弹、雷达、智能化电子武器等; (8) 家用电器:空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电饭煲、 电熨斗、安全报警器等。
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3.3 传感器的应用
3.3 传感器的应用
需要量
111 110 103 81 61 47 34 31 31 111 93 70 55 47 36 59 76 61

78

27

26

21 24 20 14

信 息 处 理

电 信 电 话

科 技 测 试

设 备 控 制

交 通 控 制

输 机 机 家 照 汽 飞 船 气海 环 医防光 热 电 床 器 用 相 车 机 舶 象洋 境 疗火能 能 人 电 机 系 污 利 利 统 器 染 用 用

机 械 能 利 用

土 农 货食 木 林 币品 建 金 筑 融

65

3.3 传感器的应用
3.3.1 传感器的应用-自动检测与自动控制系统 石油、化工、电力、钢铁、机械等加工工业。

造纸

化工

纺织

烟草加工

芯片生产

木材烘干

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3.3 传感器的应用
3.3.2 传感器的应用-汽车与传感器 高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、 转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确 的测量,一般需要30~1 00种传感器。

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3.3 传感器的应用
轮胎压力传感器 在轮胎内埋设压强传感器(含微控制器),随轮 胎一起转动,自动测量轮胎的气压、温度、转速, 并将信息通过无线发送器传递给驾驶员。

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轮胎压力监视系统

3.3 传感器的应用
3.3.3 传感器的应用-传感器与家用电器 日常生活中的电冰箱、洗衣机、电饭煲、音像设备、 电动自行车、空调器、照相机、电热水器、报警器等家用 电器都安装了传感器

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3.3 传感器的应用
3.3.4 传感器的应用- 航空航天与传感器

飞行器:控制在预定轨道上
速度、加速度、飞行距离测 量、周围环境、内部设备监 控、本身状态参数的测量。
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3.3 传感器的应用
2013年12月2日1时30分,中 国在西昌卫星发射中心成功将 由着陆器和"玉兔号"月球车组 成的嫦娥三号探测器送入轨道。 2013年12月15日4时35分,嫦 娥三号着陆器与巡视器分离, "玉兔号"巡视器顺利驶抵月球 表面。

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71

? 2016年9月15日22时04分,天宫二号空间实验室发射任务取得圆满成功。 ? 2016年10月17日7时30分,中国在酒泉卫星发射中心使用长征二号FY11 运载火箭成功 将神舟十一号载人飞船送入太空。 ? 2016年10月19日凌晨,神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功。

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72

3.3 传感器的应用
3.3.5 传感器的应用- 传感器与军事
? 在军事领域中,使用了诸如机械式、压电、电容、电磁、光纤、红外、 激光、生物、微波等传感器,以实现对周围环境的监测与目标定位信 息的收集,从而更好的解决了安全、可靠的防卫能力。

制导炸弹

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军用夜视仪

3.3 传感器的应用
3.3.6传感器的应用-传感器与农业
农业将是知识密集、技术密集的产业,设施农业可以

有效提高农业生产效益和增强抗灾能力,借助温室及其配 套装置来调节和控制作物生产环境条件,摆脱自然制约, 以达到高产、高效、优质。 信息获取手段是实现高水平设施农业的关键技术之一, 设施农业用传感器的品种较多,主要用于温度、湿度、土壤 干燥度、CO2、光照度、土壤养分等参数的测量。信息获取 技术还在农田和果园生产、农业生物学研究、农药残留量检 测等方面得到了广泛的应用。

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3.3 传感器的应用
3.3.6传感器的应用-传感器与农业

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3.3 传感器的应用
3.3.7传感器的应用-传感器与医疗
? 在医学上,人体的体温、血压、心脑电波及肿瘤等的准确

诊断与监控都需要借助各种传感器来完成。

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3.3 传感器的应用
3.3.7传感器的应用-传感器与医疗

4D彩超捕捉到难得一见的胎儿出生前微笑(美联社图片)

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3.3 传感器的应用
3.3.8传感器的应用-传感器与机器人
? 单能机器人:生产用的自动机械式(加工、组装、检验)。

检测臂的位置传感器和角度传感器。

汽车焊装生产线

隧道凿岩机器人

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3.3 传感器的应用
3.3.8传感器的应用-传感器与机器人
? 智能机器人:判断能力。视觉传感器、触觉传感器。

用于家庭服务的机器人

用于水下探测的机器人

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3.3 传感器的应用

80

第三讲 传感器技术
3.1 传感器概述 3.2 3.3 3.4 3.5 传感器基本特性 传感器的应用 典型传感器介绍 传感器的发展
81

3.4 典型传感器介绍

82

3.4 典型传感器介绍

83

3.4 典型传感器介绍

84

3.4 典型传感器介绍

1. 电学式传感器
电学式传感器是应用范围较广的一种传感器,电学式传感器常用的有:电 阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、电磁式传感器及电涡流式传感 器等。 ? 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换成电阻信号的原理制成。电 阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片及压阻式等。电阻 式传感器主要用于位移、压力、应变、力矩、气体流速、液位等参数的测 量。

电阻式位移传感器 电阻式应变传感器
85

3.4 典型传感器介绍

1. 电学式传感器
? 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量,从 而使电容量发生变化的原理制成的。电容式传感器主要用于压力、位移、 液位、厚度及水分含量等参数的测量。

电容式压力传感器 电容式位移传感器

电容液位传感器
86

3.4 典型传感器介绍

1. 电学式传感器
? 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电 感量或压磁效应原理制成的。电感式传感器主要用于位移、压力、力、振 动及加速度等参数的测量。

电感式振动传感器
87

电感式直线位移传感器

3.4 典型传感器介绍

1. 电学式传感器
? 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而制成。磁 电式传感器主要用于流量、转速和位移等参数的测量。

磁电式转速传感器 磁电式流量传感器
88

3.4 典型传感器介绍

1. 电学式传感器
? 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 的原理而制成。电涡流式传感器主要用于位移及厚度等参数的测量。

电涡流位移传感器
89

3.4 典型传感器介绍

2. 磁学式传感器
?磁学式传感器的是利用铁磁物质的一些物理效应而 制成的。

?磁学式传感器的主要用于位移、转矩等参数的测量。

磁敏电阻转速传感器
90

3.4 典型传感器介绍

2. 磁学式传感器
磁学式传感器的应用-电动车的车速控制

手柄 旋转手柄,调节磁铁和霍尔元件 之间的距离,电路输出相应的电压, 从而控制车速。 91

磁铁

手柄外环

3.4 典型传感器介绍

3. 光电式传感器
它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成。

? 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位

? 光电式传感器主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测

量。

光电式传感器

光电式烟雾传感器
92

3.4 典型传感器介绍

4. 电势型传感器
? 电势型传感器是利用热电效应、光电效应及霍耳效应等原 理而制成。 ? 电势型传感器主要用于温度、磁通量、电流、速度、光通 量及热辐射等参数的测量。

热电偶温度传感器
93

霍尔转速传感器

3.4 典型传感器介绍

5. 电荷型传感器
?电荷型传感器是利用压电效应原理而制成。
?主要用于力及加速度的测量。(动态力测量)

电荷型加速度传感器
94

3.4 典型传感器介绍

5. 电荷型传感器
电荷型传感器的应用-玻璃破碎报警装置
? 采用高分子压电薄膜振动感应片, 如图所示,将其粘贴在玻璃上,当 玻璃遭暴力打碎的瞬间,会发出几 千赫兹甚至更高频率的振动。压电 薄膜感受到这一振动,并将这一振 动转换成电压信号传送给报警系统。 图。 ? 这种压电薄膜振动感应片透明且小, 不易察觉,所以可用于贵重物品、 展馆、博物馆等橱窗的防盗报警。

95

3.4 典型传感器介绍

6. 半导体型传感器
?半导体型传感器是利用半导体的压阻效应、
内光电效应、电磁效应及半导体与气体接触

产生物质变化等原理而制成。
?半导体型传感器主要用于温度、湿度、压力、

加速度、磁场和有害气体的测量。

96

3.4 典型传感器介绍

7. 谐振式传感器
? 谐振式传感器是利用改变电或机械固有参数来改变谐 振频率的原理而制成。
? 主要用来测量压力。

97

3.4 典型传感器介绍

8. 电化学式传感器
?电化学式传感器是以离子导电原理为基础而制成。
?根据其电特性的形成不同,电化学传感器可分为电 位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱 (极化)式传感器和电解式传感器等。

?电化学式传感器主要用于分析气体成分、液体成分、 溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧 化还原电位参数的测量。

98

3.4 典型传感器介绍

8. 电化学式传感器

烟雾报警器

燃气报警器
99

3.4 典型传感器介绍

8. 电化学式传感器

酒精传感器
100

第三讲 传感器技术
3.1 传感器概述 3.2 3.3 3.4 3.5 传感器基本特性 传感器的应用 典型传感器介绍 传感器的发展
101

3.5 传感器的发展
3.5.1传感器的发展展望 ? 传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中 发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的 越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现 代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。 ? 纵观几十年来的传感技术领域的发展,不外乎分为两 个方面:一是提高与改善传感器的技术性能,二是寻 找新原理、新材料、新工艺及新功能等。

102

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势 ?传感器的发展趋势大致如下:

1、开发新材料、新功能

2、多功能集成化和微型化
3、数字化、智能化和网络化

4、仿生传感器

103

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势

1. 开发新材料
近年来对传感器材料的开发研究有较大进展,其主 要发展趋势有以下几个方面: ?从单晶体到多晶体、非晶体; (1)半导体敏感材料 ? 从单一型材料到复合材料; ( 2)陶瓷材料 ( 3)磁性材料 ? 原子(分子)型材料的人工合成。 (4)智能材料 ?由复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后 半导体氧化物可制造各种气体传感器,而陶瓷传感器工作温度远 的发展方向之一。 高于半导体,光导纤维的应用是传感器材料的重大突破,用它研制的
传感器与传统的相比有突出的特点。
104

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势

2、多功能集成化和微型化
为同时测量几种不同被测参数,可将几种不同的传感器元 件复合在一起,作成集成块。 多个功能不同的传感元件集成在一起,除可同时进行多种 参数的测量外,还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评 价,可反映出被测系统的整体状态。 同一功能的多元件并列化:同一类型的单个传感元件用集 成工艺在同一平面上排列起来,如CCD图像传感器。

105

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势

2、多功能集成化和微型化
加速度传感器 压强传感器 压力传感器 三轴陀螺仪
106

微型执行器

107

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势

3、数字化、智能化和网络化
对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应 能力的集成一体化多功能传感器,这种传感器具有与主机互相对话 的功能,可以自行选择最佳方案,能将已获得的大量数据进行分割 处理,实现远距离、高速度、高精度传输等。

108

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势

4、智能仿生传感器
仿生传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗 透而发展起来的一种新型的信息技术。这种传感器的特点是 性能好、寿命长。在仿生传感器中,比较常用的是生体模拟 的传感器。

听觉:超声波
109

视觉:红外

3.5 传感器的发展
3.5.2传感器技术的发展趋势

4、智能仿生传感器

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