1、第第3章章 傳感器、傳感網與無線傳感器、傳感網與無線傳感器網絡技術的發展傳感器網絡技術的發展1第第 3章章知知識識點點結結構構2物聯網大爆炸物聯網大爆炸 據市場研究機構IDC 預測，到2020 年時，全球物聯網設備安裝量將達到281 億臺。 軟銀董事長兼CEO孫正義預測未來20年，物聯網設備的數量將會超過人口數，物聯網芯片的發貨量會超過1萬億。 聯網可以讓物體變得智能，這便是物聯網的本質。3感知層感知層 1、RFID 2、傳感器4傳感器具有突出的地位 傳感器技術作為現代科技的前沿技術，同計算機技術與通信技術組成現代信息技術的三大基礎，是物聯網在工業領域應用的關鍵。 從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，

2、以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。53.1 傳感器傳感器概述概述3.1.1 感知能力與傳感器的發展感知能力與傳感器的發展1. . 人的感知能力人的感知能力眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部物理眼、耳、鼻、舌、皮膚是人類感知外部物理世界的重要感官世界的重要感官。隨著人類對外部世界的改造，對未知領域與隨著人類對外部世界的改造，對未知領域與空間的拓展，人類需要的信息來源、種類、空間的拓展，人類需要的信息來源、種類、數量、精度不斷增加，對信息獲取的手段也數量、精度不斷增加，對信息獲取的手段也提出了更高的要求，而傳感器是能夠滿足人提出了更高的要求，而傳感器是能夠滿足

3、人類對各種信息感知需求的主要工具類對各種信息感知需求的主要工具6身身邊的傳感器邊的傳感器7圖像傳感器 iPhone7的主攝像頭為1200萬像素，傳感器尺寸為1/2.6，f/1.9光圈以及1.3m 的像素尺寸。8聲音傳感器 俗名麥克風。手機上常用的是駐極體話筒（電容式），通過聲音的振動，引起電容量的改變，來得到聲音的電量。9電容式觸摸屏傳感器電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜導體層,再在導體層外加上一塊保護玻璃,在觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極,在導體層內形成一個低壓交流電場.在觸摸屏幕時,由于人體是導體,手指與內部導體層間會形成一個特殊電容（耦合電容）,對于高頻電流來說，電容是直

4、接導體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流，四邊電極發出的電流會流向觸點,而電流強弱與手指到電極的距離成正比,位于觸摸屏后的控制器便會計算電流的比例及強弱,準確算出觸摸點的位置。10近距離傳感近距離傳感器器 在 手機的正面，有一個近距離傳感器，通過紅外線感應，可以檢測到人臉與手機屏幕的距離，如果非常貼近，就會將屏幕關掉，這樣既能省電，又能避免臉部觸碰產生的誤操作。11光線傳光線傳感感器器 在正面還有個光線傳感器，可以獲取到周邊的光亮強度，這樣就可以智能的調節屏幕亮度了。12加速度傳感器（加速度傳感器（AccelerometerAccelerometer） 加速度傳感器用來感知手機的運動情況，它

5、的原理就像在一個盒子里裝個鐵球，由于重力的作用，如果轉動盒子的方向，各個側面收到的鐵球的壓力是不同的，以此來判斷盒子的朝向。基于加速度傳感器，iPhone 可以實現橫屏時，內容自動轉成寬屏顯示。13電子羅盤電子羅盤14在手機里，在手機里，電電子子羅羅盤盤起到指南者的作起到指南者的作用。用。目前手機當中的“電子羅盤”的工作原理是基于霍爾效應的磁傳感器。陀螺儀（陀螺儀（GyroscopeGyroscope） 陀螺儀可以用來測量物體的旋轉角度，可以獲得更好的游戲體驗，和精準導航。15陀螺儀陀螺儀16現在智能手機上采用的陀螺儀是MEMS（微機電）陀螺儀，它精度并不如前面說到的光纖陀螺儀，需要參考其他傳

6、感器的數據才能實現功能，但其體積小、功耗低、易于數字化和智能化。內部溫度傳感器內部溫度傳感器 iPhone 上還有個溫度傳感器，并不是為了測外部溫度，主要是為了監測手機本身是否過熱。手機溫度過熱時，會提示關機一段再開機。17指紋識別（指紋識別（Touch IDTouch ID） Touch ID 本質上是個指紋掃描儀，分為光學的和電容的。光學傳感器不在乎你的手指是否是潮濕的或者是占有水漬，一樣能夠識別指紋信息；但Touch ID 使用的是電容技術，電容傳感器通過表皮的電容分布還原指紋。水是具有導電性的，會影響表皮電容的分布，讓傳感器接收到的電信號很差，所以基本上在手指沾了水的情況下用戶是無法正

7、常使用 Touch ID 的。18光學指紋傳感器光學指紋傳感器 當你把手指放上去的時候，采集端發出來的光線會被你的手指擋回來。由于指紋上有脊（凸起的部分）有谷（凹下的部分），光線遇到它們后會發生不同的反射原理，導致返回的光線有明暗之分。反射回來的光線再經過三棱鏡的折射，打在感光元件上，就可以成像。19電容式指紋傳感器電容式指紋傳感器 半導體指紋傳感器上布滿了非常細小的半導體器件，它們充當起了電容的一極；當手指接觸傳感器時，指紋就成了電容的另一極。由于指紋上的脊（凸起的部分）和谷（凹下的部分）距離半導體器件的距離是不同的，所以會導致每一個半導體器件的電容值都各不相同。通過匯總不同的數值，就可以完

8、成對指紋的采集。202傳感器的基本概念傳感器的基本概念 傳感器（傳感器（sensor）是由）是由敏感元件敏感元件和轉換元件組和轉換元件組成的一種檢測裝置，能成的一種檢測裝置，能感感受到被測量，并能受到被測量，并能將檢測和感受到的信息，按一定規律變換成將檢測和感受到的信息，按一定規律變換成為電信號（電壓、電流、頻率或相位）輸出為電信號（電壓、電流、頻率或相位）輸出（傳傳），以滿足感知信息的傳輸、處理、存，以滿足感知信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制的要求。儲、顯示、記錄和控制的要求。 將非電量轉換為與之有確定關系的電量輸出將非電量轉換為與之有確定關系的電量輸出的裝置。的裝置。212傳感器的

9、基本概念傳感器的基本概念 傳感器結構傳感器結構與工作原理與工作原理示意圖示意圖22為什么一定要用傳感器？為什么一定要用傳感器？ 聲音，圖像，光線都不是電信號。 而計算機處理的是電信號。23 真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發明的，這就是后來的熱電偶傳感器。3.1.2 傳感器的分類傳感器的分類傳感器分類的基本方法傳感器分類的基本方法： 根據傳感器功能分類根據傳感器功能分類 根據傳感器工作原理分類根據傳感器工作原理分類 根據傳感器感知的對象分類根據傳感器感知的對象分類 根據傳感器的應用領域分類根據傳感器的應用領域分類2425功能分類功能分類 工作原理分類工作原理分類263

10、.1.3 物理傳感器物理傳感器1. 物理傳感器物理傳感器物理傳感器的原理是利用力、熱、聲、物理傳感器的原理是利用力、熱、聲、光、電、磁、射線等物理效應，將被測光、電、磁、射線等物理效應，將被測信號量的微小變化轉換成電信號信號量的微小變化轉換成電信號物理傳感器可以進一步分為：力傳感器、物理傳感器可以進一步分為：力傳感器、熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳感器、磁傳感器與射線傳感器等感器、磁傳感器與射線傳感器等7類類27（1）力傳感器）力傳感器 力傳感器是能感受外力并將其轉換成可用輸出信力傳感器是能感受外力并將其轉換成可用輸出信號的傳感器。號的傳感器。 力傳感器的

11、種類繁多，常用的力與壓力力傳感器的種類繁多，常用的力與壓力傳感器傳感器有有電阻電阻應變式、半導體應變式、壓阻式、電感式、應變式、半導體應變式、壓阻式、電感式、電容式、諧振式壓力傳感器，以及光纖壓力傳感電容式、諧振式壓力傳感器，以及光纖壓力傳感器等器等28（1）力傳感器）力傳感器 用金屬應變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖用金屬應變絲作為敏感元件的壓力傳感器原理示意圖29當傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產生應變時，粘貼在其上的應變片/絲也隨之發生相同的機械變形，引起應變片/絲電阻發生相應的變化。這時，電阻應變片/絲便將力學量轉換為電阻的變化量輸出。血壓測量血壓測量 我們通常的血壓測

12、量都是間接測量，通過體表檢測出來的血流和壓力之間的關系，從而測出脈管里的血壓值。 測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。30壓阻式壓力傳感器 固體材料在收到壓力后，電阻率會發生一定的變化，半導體最為顯著。單晶硅材料在受到力的作用后，晶體的晶格產生變形，電阻率發生變化，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，是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。31直線位移傳感器 直線位移傳感器的功能在

13、于把直線機械位移量轉換成電信號。為了達到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩態直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動的長度成正比。32流速傳感器流速傳感器 空氣流量傳感器，是電噴發動機的重要傳感器之一。它將吸入的空氣流量轉換成電信號送至電控單元(ECU），作為決定噴油的基本信號之一，是測定吸入發動機的空氣流量的傳感器。 卡曼渦旋式空氣流量計，是在進氣道中安裝渦旋發生管，流經的空氣速度不同，在管的出口端附近產生頻率不同的渦旋，在渦旋附近安裝一金屬薄片。薄片隨渦旋發生振動。薄片上涂有反光材料，對發光

14、二極管發出的光線進行反射，當反射光線經過光電晶體管時產生電脈沖信號。通過計算脈沖的頻率可以知道渦旋的頻率，從而得到空氣的流速。33 不同用途的不同用途的 力傳感器力傳感器34（2）溫度傳感器）溫度傳感器35l溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。l溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。l按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。溫度傳感器溫度傳感器體溫計體溫計 利用熱敏電阻（溫度改變，電阻阻值改變）或半導體材料構成的PN結在不同溫度下導通性能改變的特點，將體溫以數字的形式

15、顯示出來。37塞貝克效應（德國物理學家（1770-1831） 塞貝克（Seeback）效應，又稱作第一熱電效應，它是指由于溫差而產生的熱電現象。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現電流，稱為熱電流。3839熱電偶傳感器熱電偶傳感器 熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，是由兩種不同成分的導體兩端接合成回路時，當兩接合點 熱電偶溫度不同時，就會在回路內產生熱電流。4041（3）聲傳感器）聲傳感器42 聲控傳感器，能夠通過聲音的振動，產生微弱的電信號。43聲波傳感器聲波傳感器 將在氣體、液體或固體中傳播的機械振動轉換成電信號的器件或裝置都稱為聲波傳感器，可用接

16、觸或非接觸的方法檢出聲波信號。 人們能聽到聲音是由于物體振動產生的，它的頻率在20HZ-20KHZ超聲波傳感器范圍內，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。44次聲波次聲波 由于次聲的頻率很低，所以大氣對次聲波的吸收系數很小，因而其穿透力極強，可傳播至極遠處而能量衰減很小。 1983年夏，位于印度尼西亞的火山爆發，火山爆發時產生的強次聲波繞地球轉了3圈，歷時108小時后才慢慢消逝。 次聲波對人體的危害主要是共振引起的。 1980年，一艘名叫“馬爾波羅”的帆船在由新西蘭駛往英國的途中突然神秘地失蹤；20年后，卻在火地島附近被人發現。船上的一切都原封不動、完好如初。就連已死多年的船員

17、也都各就各位，保持著工作狀態。科學家對他們的神秘死亡引起了極大的關注，經過長期研究，終于發現，原來他們正是死于海上風暴產生的次聲。45超聲波傳感器超聲波傳感器 超聲波傳感器由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。（壓電效應） 超聲波頻率高，波長短，對液體、固體穿透能力強。46B B超超 超聲波可以向一定方向傳播，而且能穿透物體，如果碰到障礙，就會產生回聲，不相同的障礙物就會產生不相同的回聲，人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來了解物體的內部結構。 平時說的“B超”就是向人體發射超聲波，同時接收體內臟器的反射波，將所攜信息反映在屏幕上。47超聲波指紋識超聲波指紋識別別

18、利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區分指紋嵴與峪所在的位置。 按壓電容傳感器做出的是二維指紋圖像，而超聲波掃描可以對指紋進行更深入的分析采樣，甚至能滲透到皮膚表面之下識別出指紋獨特的3D特征。48聲吶聲吶 是一種應用聲波在水下的傳播特征，經由過程電聲轉換跟信息處置，實現水下探測跟通信義務的電子裝備。 有主動式和被動式，屬于聲學定位的范圍。 聲納是一種非常重要的海軍裝備，隨著潛艇等水下武器的使用而受到各國極大的重視。49動物聲吶動物聲吶 海豚跟鯨等則領有“水下聲吶” 。海豚聲吶的敏銳度很高，能發現多少米以外直徑0.2mm的金屬絲，能發現幾百米外的魚群，能遮住眼睛在插滿竹竿的水池子中穿行而不

19、會遇到竹竿。50聲波傳播聲波傳播 主動聲納工作時類似雷達，更確切地說像蝙蝠，發出聲波后，接受反射回來的聲信號。 為何不把雷達直接搬到水下呢？ 很簡單，雷達依賴的電磁波在水下衰減嚴重，根本不足以用于遠距離的探測。而聲波是由物體振動產生，在水中的傳播距離非常遠，在深海聲道中爆炸一個幾公斤的炸彈，在兩萬公里外還可以收到信號。 在水中進行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波。51壓電效應 當有外力F作用在壓電體表面時，無論是拉伸還是壓縮變形，都會在施加力的兩個表面產生電荷。利用這個原理，就可以制成傳感器。聲波傳播當中遇到這個傳感器會引起傳感器微小的振動，這種細微的變形會產生電荷信號。結合其他電路和計

20、算機，就可以制成聽聲器。52逆壓電效應 逆壓電效應就是由電場來控制物體的形變。當壓電體上下兩端接好電線并且施加電壓時，就會使物體沿著電場的方向伸長或是縮短。如果把電場的加載速度變快，即頻率加大，就能讓該物體形變加快產生振動發出聲波。再加上其他的配套設備，就成了主動聲納的聲源。53壓壓電效應的應用電效應的應用 超聲波 聲吶 石英鐘表 晶體振晶體振蕩蕩器器54（4）光傳感器）光傳感器 圖像傳感器圖像傳感器55圖像傳感器 圖像傳感器，或稱感光元件感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，是數字攝像頭的重要組成部分。根據元件的不同，可分為CCD和CMOS兩大類。56（4）光傳感器）光傳感器 光纖

21、傳感器光纖傳感器57光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等）發生變化，成為被調制的信號源，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。 光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方(如高溫區)，或者對人有害的地區(如核輻射區)，接收人的感官所感受不到的外界信息。58磁光效應磁光效應（法拉法拉第效應）第效應） 當一束偏振光通過介質

22、時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉一個角度，這就是磁光效應。 也就是可以通過旋轉的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光強成正比，就可以用來測量特定的物理量。59光纖電流傳感器光纖電流傳感器 光纖電流傳感器是以法拉第磁光效應為基礎，以光纖為介質的新興電力計量裝置，它通過測量光波在通過磁光材料時其偏振面由于電流產生的磁場的作用而發生旋轉的角度來確定被測電流的大小。60分布式光纖傳感系統分布式光纖傳感系統 分布式光纖傳感系統利用光纖作為分布式光纖傳感系統利用光纖作為傳感敏感元件和傳傳感敏感元件和傳輸信號介質輸信號介質，探測出沿著光纖不同位置的溫度和

23、應變，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應變的變化，實現分布、自動、實時、連續、精確的測量。的變化，實現分布、自動、實時、連續、精確的測量。 分布式光纖傳感系統應用領域包括：分布式光纖傳感系統應用領域包括： 智能電網的電力智能電網的電力電纜電纜表面溫度檢測、事故點定位表面溫度檢測、事故點定位 發電廠和變電站的溫度監測、故障點檢測和報警發電廠和變電站的溫度監測、故障點檢測和報警 水庫大壩、河堤安全與滲漏監測水庫大壩、河堤安全與滲漏監測 橋梁與高層建筑結構安全性監測橋梁與高層建筑結構安全性監測 公路、地鐵、隧道地質狀況的監測公路、地鐵、隧道地質狀況的監測 分布光纖溫度傳感系統可以在易燃、易爆的環境下同

24、分布光纖溫度傳感系統可以在易燃、易爆的環境下同時測量上萬個點，可以對每個溫度測量點進行實時測時測量上萬個點，可以對每個溫度測量點進行實時測量與定位量與定位61（5）電傳感器）電傳感器 電傳感器可以分為：電阻式、電容式、電感式傳感器電傳感器可以分為：電阻式、電容式、電感式傳感器 電阻式傳感器利用變阻器將非電量轉換成電阻信號的原電阻式傳感器利用變阻器將非電量轉換成電阻信號的原理制成的。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、應變、理制成的。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、應變、力矩、氣流流速、液面與液體流量等參數的測量力矩、氣流流速、液面與液體流量等參數的測量 電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質參數，

25、來使電容式是利用改變電容器的幾何尺寸或介質參數，來使電容量變化的原理制成的。電容式傳感器主要用于壓力、電容量變化的原理制成的。電容式傳感器主要用于壓力、位移、液面、厚度、水分含量等參數的測量位移、液面、厚度、水分含量等參數的測量 電感式是利用改變電感磁路的幾何尺寸或磁體位置，來電感式是利用改變電感磁路的幾何尺寸或磁體位置，來使電感或互感量變化的原理制成的使電感或互感量變化的原理制成的，主要用于壓力、位主要用于壓力、位移、力、振動、加速度等參數的測量。移、力、振動、加速度等參數的測量。62（6）磁傳感器）磁傳感器 磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器

26、的最早的一種應用器的最早的一種應用 磁傳感器將磁信號轉化成為電信號輸出磁傳感器將磁信號轉化成為電信號輸出 磁電式傳感器目前已經被高性能磁敏感材料的磁電式傳感器目前已經被高性能磁敏感材料的新型磁傳感器所替代新型磁傳感器所替代63磁旋轉傳感器磁旋轉傳感器 磁旋轉傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結構是將一對磁阻元件安裝在一個永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結構，這個結構就具有良好的可靠性。 磁旋轉傳感器有許多半導體磁阻元件無法比擬一款電磁傳感器的外形的優點。除了具備很高的靈敏度和很大的輸出信號外，而且

27、有很強的轉速檢測范圍，這是由于電子技術發展的結果。另外，這種傳感器還能夠應用在很大的溫度范圍中，有很長的工作壽命、抗灰塵、水和油污的能力強，因此耐受各種環境條件及外部噪聲。所以，這種傳感器在工業應用中受到廣泛的重視。64磁阻傳感器磁阻傳感器 某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發生變化，這種現象叫做磁阻效應，電阻的變化量叫做磁阻。 磁阻傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。65（7）射線傳感器）射線傳感器 射線傳感器是將射線強度轉換出可輸出的電信號射線傳感器是將射線強度轉換出可輸出的電信號的傳感器的傳感器 射線傳感器可以分為：射線傳感器可以分為：X射線傳感

28、器、射線傳感器、射線傳感射線傳感器、器、射線傳感器、輻射劑量傳感器射線傳感器、輻射劑量傳感器 射線傳感器已經在環境保護、醫療衛生、科學研射線傳感器已經在環境保護、醫療衛生、科學研究與安全保護領域廣泛使用究與安全保護領域廣泛使用66輻射究竟是什么？輻射究竟是什么？ 它是指物體以波或粒子的形式向周圍空間發射能量的過程。 自然界中的一切物體只要其溫度在絕對零度（-273.15）以上，都會以電磁波或粒子的形式不停地向外界傳送能量。 輻射是一個廣泛的定義，包括很多種類，按能量劃分，可以分為電電離離輻輻射射以及非非電電離離輻輻射射兩大類。67電離輻射電離輻射 電離輻射的所具有的超高能量可以破壞生物分子的化

29、學鍵，使分子性質改變，因而對生物體構成損傷。 電離輻射主要有粒子、粒子、中子、射線和X射線，其中、中子為粒子輻射；、X射線為高能電磁波輻射(電磁波的頻率愈高，能量愈強，電離能力愈強。)。68X射線CT X射線又稱倫琴射線，它是肉眼看不見的一種射線，它具有穿透物質的本領，但對不同物質它的穿透本領不同。人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同，當X線透過人體各種不同組織結構時，它被吸收的程度不同，所以到達熒屏或膠片上的X線的量有差異，在熒屏或X射線片上形成黑白對比不同的影像。 CT是用X射線束對人體某部一定厚度的層面進行掃描，X射線探測器，用熒光物質接收透過該層面的X射線，轉變為可見光后，由光電轉換

30、變為電信號，再經模擬/數字轉換器（analog/digital converter）轉為數字，輸入計算機處理。69核輻射探測儀核輻射探測儀 放射性物質以波或微粒形式發射出的一種能量就叫核輻射，核爆炸和核事故都有核輻射。 核核輻輻射射主要是、三種射線： 利用放射性同位素來進行測量的傳感器。原理是射線通過物質時產生的電離作用，產生電量變化；或產生熒光，配以光電元件，將光信號變成電信號。70非電離輻射非電離輻射 主要是電磁輻射。人們經常接觸到的就是低能電磁輻射。 電磁輻射已被世衛組織列為繼水源、大氣、噪聲之后的第四大環境污染源，成為危害人類身體健康的隱形“ 殺手 ”，長期且過量的電磁輻射會對人體造成

31、傷害，誘發各種疾病。71紅外線紅外線 紅外光，又叫紅外線，是波長比可見光要長的電磁波（光），波長為770納米到1毫米之間，光譜上面在紅色光的外側。 1800年，赫胥爾(Herschel)在研究太陽光時，讓光通過棱鏡分解為彩色光帶，他用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。他放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內其他溫度的指示數值高。 在絕對零度(-273) 以上的物體都輻射紅外能量，是紅外測溫技術的基礎。72紅外傳感器紅外傳感器 將紅外輻射能轉換成電能的光敏元件稱為紅外傳感器，也常稱為紅外探測器。73 自動門使用什么傳感器？3.1.4 化學傳感器化學傳感器 化學傳感器可以將化學吸附、電化學反應過程

32、中被測化學傳感器可以將化學吸附、電化學反應過程中被測信號的微小變化轉換成電信號的一類傳感器信號的微小變化轉換成電信號的一類傳感器 按傳感方式的不同，可分為按傳感方式的不同，可分為： 接觸式化學傳感器接觸式化學傳感器 非接觸式化學傳感器非接觸式化學傳感器 按結構形式的不同，可以分為按結構形式的不同，可以分為： 分離型化學傳感器分離型化學傳感器 組裝一體化化學傳感器組裝一體化化學傳感器 按檢測對象的不同，可以分為按檢測對象的不同，可以分為： 氣體傳感器氣體傳感器 離子傳感器離子傳感器 濕度傳感器濕度傳感器 74氣敏傳感器氣敏傳感器 氣敏傳感器可用來測量氣體的類型、濃度和成分，能把氣體中的特定成分檢

33、測出來，并將成分參量轉換成電信號的器件或裝置。其中用的最多的是半導體氣敏傳感器。大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。當被測氣體在該半導體表面吸附后，引起其電學特性(例如電導率)發生變化。75 將空氣中的某種氣體的含量轉化為電信號的器件。將空氣中的某種氣體的含量轉化為電信號的器件。氣體傳感器氣體傳感器76應應用主要有：一用主要有：一氧氧化化碳氣碳氣體體的的檢測檢測、瓦斯、瓦斯氣氣體的體的檢測檢測、煤煤氣氣的的檢測檢測、氟氟利利昂昂（R11、R12）的）的檢測檢測、呼、呼氣氣中乙醇中乙醇的的檢測檢測、人體口腔口臭的、人體口腔口臭的檢檢測測等等。等等。酒精測試儀傳感器酒精測試儀傳感器 酒精測試儀傳感

34、器的敏感部分以二氧化錫為主要的基體的一些材料,添加不同的物質經特變燒制而成。 當酒精測試儀的表面吸附有還原性的氣體(如酒精產生的有機溶劑蒸汽)時,半導體微結晶粒子接觸界面的導電電子比例就會發生的變化,從而使電阻值隨被測氣體的濃度改變而改變的。從而使得酒精檢測儀上的數值發生變化，同時，這一反應是可逆的。 77濕度傳感器濕度傳感器 濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發生變化，利用這一特性即可測量濕度。78離子式煙霧傳感器離子式煙霧傳感器 該煙霧傳感器內部采用離子式煙霧傳感，是一種技術先進、工作穩足可靠的傳感器，被廣泛運用到各

35、消防報警系統中。其性能遠優于氣敏電阻類的火災報警器。793.1.5 生物傳感器生物傳感器 生物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導器組成生物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導器組成 生物敏感元件可以是生物體、組織、細胞、酶、核酸或生物敏感元件可以是生物體、組織、細胞、酶、核酸或有機物分子有機物分子（生物成分生物成分） 不同的生物元件對于光強度、熱量、聲強度、壓力有不不同的生物元件對于光強度、熱量、聲強度、壓力有不同的感應特性同的感應特性。 生物傳感器生物傳感器- -感受物是生命物質感受物是生命物質803.1.5 生物傳感器生物傳感器81生物傳感器的分類生物傳感器的分類酶傳感器 酶，指具有生物催化功能

36、的高分子物質。 酶傳感器的基本結構單元是由物質識別元件(固定化酶膜)和信號轉換器(基體電極)組成。當酶膜上發生酶促反應時，產生的電活性物質由基體電極對其響應.基體電極的作用是使化學信號轉變為電信號，從而加以檢測，基體電極可采用碳質電極、R 電極及相應的修飾電極。 1967年Updike和Hicks研制出世界上第一支葡萄糖氧化酶電極，用于定量檢測血清中葡萄糖含量。82生物傳感器生物傳感器 目前，雖然已經發展成功了許多生物傳感器，但穩定性、再現性和可批量生產性明顯不足，所以生物傳感技術尚處于幼年期。 在不久的將來，模擬生物機體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺生物傳感器將出現，有可能超過人類五官的敏感能

37、力。833.1.6 傳感器性能指標傳感器性能指標 線性度線性度 靈敏度靈敏度 分辨率分辨率 遲滯遲滯 重復性重復性（穩定）（穩定） 漂移漂移（老化）（老化） 測量范圍測量范圍 精度精度84智智能傳感器（能傳感器（智能化智能化）微微傳感傳感器（器（微型化微型化）無無線傳感器（線傳感器（網絡化網絡化）85 所所謂謂智能智能傳傳感感器器(intelligent sensor或或smart sensor)，就是一，就是一種帶種帶有微有微處處理器的兼理器的兼有有檢測檢測、判、判斷與斷與信息信息處處理功能的理功能的傳傳感感器。器。 智能智能傳傳感器的最大特點就是感器的最大特點就是將傳將傳感器感器檢測檢測信

38、信息的功能息的功能與與微微處處理器的信息理器的信息處處理功能有機融理功能有機融合在一合在一起。起。86智能傳感器智能傳感器3.2.1 智能傳感器的發展智能傳感器的發展智能傳感器的特點智能傳感器的特點： 自學習、自診斷與自補償能力自學習、自診斷與自補償能力 復合感知能力復合感知能力 靈活的通信能力靈活的通信能力智能傳感器的發展為傳感器技術的研究智能傳感器的發展為傳感器技術的研究提出了很多富有挑戰性的課題提出了很多富有挑戰性的課題87MEMSMEMS MEMS全稱Micro Electromechanical System，微機電系統。 微機微機電電系系統統（MEMS）是指集微型機）是指集微型機構

39、構、微型、微型傳傳感器、微型感器、微型執執行器以及信行器以及信號處號處理和控制理和控制電電路，直路，直至接口、通信和至接口、通信和電電源等于一體的微型器件或系源等于一體的微型器件或系統統883.2.2 微機電系統對智能傳感器發展的影響微機電系統對智能傳感器發展的影響微機電系統的基本概念微機電系統的基本概念 MEMS為傳感器微型化、智能化與網絡化的實為傳感器微型化、智能化與網絡化的實現提供了技術支持，也為智能傳感器應用與產現提供了技術支持，也為智能傳感器應用與產業發展拓展了新的空間業發展拓展了新的空間 MEMS是在微電子技術基礎上發展起來的多學是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的新興學科，

40、它以微電子及機械加工技科交叉的新興學科，它以微電子及機械加工技術為依托，研究涉及微電子學、機械學、力學、術為依托，研究涉及微電子學、機械學、力學、自動控制科學、材料科學等多個學科自動控制科學、材料科學等多個學科89MEMSMEMS 尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。 常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等以及它們的集成產品。90MEMSMEMS的系統特點的系統特點 1.微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。 2.以

41、硅為主要材料。 3.批量生產：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。 4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。 5.多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。9192 MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。93 用用MEM

42、S技術制造的微型傳感器技術制造的微型傳感器94麥克風 傳統 ECM駐極體電容麥克風/Apple Watch樓氏 MEMS硅麥克風95單晶硅片單晶硅片 數數以萬以萬計計的MEMS芯片（有些工藝也會把集成電路芯片放在同一步驟加工）出現在了每一片晶元上面。96硅與芯片硅與芯片 硅元素不僅在現代建筑中發揮了重要價值，而且也是現代電子計算器件的物質基礎。 工廠生產好的硅晶體再經過切片處理變成晶圓，然后在經過蝕刻等等多項工藝流程最終制成我們可以使用的芯片。97Intel視頻視頻全球全球MEMSMEMS生產廠商生產廠商 全球前十名 MEMS廠商主要包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、佳能、InvenSen

43、se、 Avago和 Qorvo、樓氏電子、松下等等。其中 BOSCH因為其在汽車電子和消費電子的雙重布局，牢牢占據著行業的第一的位置，其營收約占五大公司合計營收的三分之一。 河南：漢威電子是國內最大的氣體傳感器及儀表制造商。983.2.3 無線傳感器的研究無線傳感器的研究 UGS的無線傳感器外形與應用的無線傳感器外形與應用99“熱帶樹熱帶樹”傳感器傳感器 最早的傳感器網絡可以追溯到上世紀70年代美軍在越戰中使用的“熱帶樹”傳感器。 為了遏制北越在胡志明小道的后勤補給，美軍在這條小道上沿途投放了上萬個“熱帶樹”傳感器，這是一種振動和聲響傳感器，當北越車隊經過時傳感器探測到振動和聲響即向指揮中心

44、發送感知信號，美軍收到信號后即組織轟炸，有資料顯示越戰期間美軍依靠“熱帶樹”的幫助總共炸壞了4萬多輛北越運輸卡車。100傳感器網絡化傳感器網絡化 “熱帶樹”傳感器之間沒有通信能力，所以實際上還稱不上網絡的概念。20世紀80年代以來，美國軍方陸續與高校開展傳感器網絡方面的研究合作，旨在建立能夠用于軍事用途的自組織的無線傳感器網絡。 2000年，美國加州大學伯克利分校發布了傳感器節點專用操作系統TinyOS，后續又推出專用程序設計語言nesC。2001年，伯克利分校又推出Mica系列傳感器節點產品。 2001年，ZigBee聯盟成立，并對無線傳感器網絡的通信協議進行了全面的標準化，后續多家公司發布

45、了多款符合ZigBee協議標準的芯片和產品。101無線無線傳感器網傳感器網1021033.3.1 從無線分組網到無線自組網從無線分組網到無線自組網1.無線分組網的研究無線分組網的研究 分組無線網是以無線信道通過分組方式傳送數據或話音信息的通信網絡，即網絡中傳送的信息要以“分組”或者稱“信包”為基本單元。1043.3.1 從無線分組網到無線自組網從無線分組網到無線自組網1. 無線無線自自組網的研究組網的研究IEEE將無線自組網定義為一種特殊的自組織、對等將無線自組網定義為一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網絡（式、多跳、無線移動網絡（MANET），它是在無線），它是在無線分組網的基礎上發展

46、起來的分組網的基礎上發展起來的無線自組網有多個英文名稱，如無線自組網有多個英文名稱，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 與與Multi-hop network1991年年5月，月，IEEE正式采用正式采用“Ad hoc網絡網絡”術語術語Ad hoc在英語中的含義是在英語中的含義是“for the specific purpose only”，即，即“專門為某個特定目的、即興的、事先未專門為某個特定目的、即興的、事先未準備的準備的”意思意思1052. 無線自組網的基本概念無線自組網的基本概念 Ad

47、 hoc網絡網絡 物理結構與物理結構與 拓撲結構拓撲結構106Ad hoc網絡的特點網絡的特點: 自組織與獨立組網自組織與獨立組網 無中心無中心 多跳路由多跳路由 動態拓撲動態拓撲 無線傳輸的局限與節點能量的限制性無線傳輸的局限與節點能量的限制性 網絡生存時間的限制網絡生存時間的限制107自組自組織和獨立組網織和獨立組網 Ad hoc 不需要任何預先架設的無線通信設施，所有節點通過分層的協議，協調各個節點的行為。快速，自主和獨立地組網。108無中心無中心 Ad hoc 是對等網，所有節點的地位平等，沒有專門用來分組路由，轉發的路由器。 任何節點可以隨時加入或離開網絡，任何節點的故障不會影響整個

48、網絡系統的工作。109多跳路由多跳路由 在有效發射功率之外的節點之間通信，必須通過中間的節點的多跳轉發來完成。110動態拓撲動態拓撲 Ad hoc網絡允許節點之間的通信關系不斷變化，也就是網絡拓撲結構的動態改變。111無線傳輸的局限和能量的限制無線傳輸的局限和能量的限制 無線信道比較窄，無線信號容易被竊聽。 節點尺寸比較小，電池容量有限，需要節約能量。112網絡生存時間的限制網絡生存時間的限制 Ad hoc通過是針對某種特殊目的而臨時構建的，事件結束后應自行結束并消失。113Ad hoc網絡的主要應用領域網絡的主要應用領域: 軍事領域軍事領域（ 自愈式雷場系統）自愈式雷場系統）美國DAPRA資

49、助了一項研究“自愈式雷場”。系統采用智能化的移動反坦克地雷陣來挫敗敵人對地雷防線的突破。這些地雷均配備有無線通信與自組織聯網單元，通過某種方式布撒之后，這些地雷迅速構成移動自組網。在遭到敵方坦克突破之后，這種地雷通過對拓樸結構的判定，以及自動彈跳功能迅速“自愈”（地雷“長腳”，會蹦跳到指定位置，重新自行組網），即通過網絡重構恢復連通。 民用領域民用領域 地地震、水災、火災后；震、水災、火災后； 野外科考；野外科考； 家庭無線網絡；家庭無線網絡；114 3.3.2 從無線自組網到無線傳感器網絡115傳感器技術發展史：兩條主線傳感器技術發展史：兩條主線加州伯克萊分校SmartDust項目微型化傳感

50、器節點對無線傳感器的研究始于20世紀90年代加州洛杉磯分校LWIM項目低功耗無線傳感節點1996年，LWIM團隊將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個設備上，開發了LWIM節點1998年，LWIM團隊和Rockwell科學中心合作開發了WINS節點1999年，該校發布了WeC節點 之后，該校又發布了一系列節點，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ 1. LWIM 與與WINS無線傳感器網絡的研究無線傳感器網絡的研究LWIM 與與WINS無線傳感器節點無線傳感器節點低功耗無線傳感器網絡的研究。1172. 智能塵埃項目的研究智能塵埃項目的研究 智能塵埃智能塵埃(Smart Dus

51、t)項目研究的目標是通過項目研究的目標是通過MEMS技術，實現傳感、計算與通信能力的集成，技術，實現傳感、計算與通信能力的集成，用智能傳感器技術去增強微型機器人的環境感知用智能傳感器技術去增強微型機器人的環境感知與智慧處理能力與智慧處理能力118成成功的示范功的示范 2001年，當無線傳感器網絡被放置在一個無人駕駛飛機的機翼下，并按照預先設置的路徑依次撒下。裝備地磁儀的塵埃一旦被部署，就能記錄飛行器飛過的時間。當無人機沿著該路徑返回時，查詢每個塵埃，塵埃就能夠準確將飛行器飛過的時間向基站報告。119 無線傳感器網絡技術發展的過程無線傳感器網絡技術發展的過程1203.3.3 無線傳感器網絡特點與

52、結構無線傳感器網絡特點與結構無線傳感器網絡特點無線傳感器網絡特點: : 網絡規模網絡規模 自組織網絡自組織網絡 拓撲結構的動態變化拓撲結構的動態變化 以數據為中心以數據為中心121無線傳感器網絡的基本結構無線傳感器網絡的基本結構無線傳感器網絡節點類型無線傳感器網絡節點類型: : 傳感器節點傳感器節點 匯聚節點匯聚節點 管理節點管理節點122無無線傳感器節線傳感器節點點 無線傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，無線傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過自身攜帶的能量有限的電池（鈕扣電池或干通過自身攜帶的能量

53、有限的電池（鈕扣電池或干電池）供電電池）供電。 設設計節點：低成本，微型化，低功耗計節點：低成本，微型化，低功耗123 匯聚節點匯聚節點的處理能力，存儲能力，通信能力比較的處理能力，存儲能力，通信能力比較強，連接傳感器網絡和互聯網，實現強，連接傳感器網絡和互聯網，實現兩種協議的兩種協議的轉換轉換，同時發布管理節點的監測任務，并將收集，同時發布管理節點的監測任務，并將收集的數據轉發到外部網絡上。的數據轉發到外部網絡上。 匯聚節點匯聚節點既可以是一個具有既可以是一個具有增強功能的傳感器節增強功能的傳感器節點點，有足夠的能量提供給更多的內存與計算資源，有足夠的能量提供給更多的內存與計算資源，也可以是

54、沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特也可以是沒有監測功能僅帶有無線通信接口的特殊殊網關設備網關設備。124 基于功能的無線傳感器網絡結構模型基于功能的無線傳感器網絡結構模型1253.3.4 無線傳感器網絡關鍵技術研究無線傳感器網絡關鍵技術研究 無線傳感器網絡研究的主要內容無線傳感器網絡研究的主要內容126拓撲控制與路由協議拓撲控制與路由協議 拓撲控制，自動生成網絡拓撲結構。 路由協議：能量優先，基于局部拓撲，以數據為中心。127介質訪問控制協議介質訪問控制協議 網絡協議不能太復雜 路由協議要關心單個節點的能耗，也要考慮整個網絡的能耗 以數據為主，單個節點沒有必要采用全網編址128節點定位節點定位

55、 位置信息對傳感器網絡的監控至關重要，沒有位置的信息監測報告沒有意義。129時鐘同步時鐘同步 分布式系統需要一個表示整個系統的全局時間。 現有網絡的時間同步機制不適用它。130數據融合和數據處理技術數據融合和數據處理技術 將傳感器節點產生的多份數據或信息進行處理，組合出更有效，更符合用戶需求的數據的過程。131嵌入式操作系統嵌入式操作系統 直接在硬件上編寫應用軟件無法適應多種服務。 傳統的嵌入式OS比較復雜。132網絡安全網絡安全 信息泄密 空間攻擊1333.3.5 3.3.5 無線傳感器網絡通信協無線傳感器網絡通信協議與標準議與標準* *134無無線線接入接入網網技技術概術概述述 迄今為止，

56、沒有任何一種單一的無線技術能夠滿足所有的場合和應用需要，因而技術的多元性是無線接入的一個基本特征。 依通信覆蓋范圍的不同，無線網絡從小到大依次為無線個域網（WPAN）、無線局域網（WLAN）、無線城域網（WMAN）和無線廣域網（WWAN）。無線接入技術能實現真正意義上的個人通信， 目前無線接入有ZigBee、藍牙、RFID、UWB、60GHz、Wi-Fi、WiMAX、3G等。1. 無線局域網與無線局域網與IEEE802.11標準標準2. 無無線個域網與線個域網與IEEE802.15標準標準137什么是什么是WLANWLAN 全稱是：WirelessLocalAreaNetworks，是一種利用

57、射頻技術進行據傳輸的系統。 該技術的出現絕不是用來取代有線局域網絡，而是用來彌補有線局域網絡之不足，以達到網絡延伸之目的，使得無線局域網絡能利用簡單的存取架構讓用戶透過它，實現無網線、無距離限制的通暢網絡。 138IEEE802.11 IEEE802.11是IEEE制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中，用戶與用戶終端的無線接入。由于802.11在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，IEEE小組相繼推出了一系列802.11標準。不同802.11協議的差異主要體現在使用頻段，調制模式和信道差分等物理層技術上。139802.11802.11無線局域網的發展無線局域網的發展I

58、EEE 802.11協議協議發發布布時間時間頻寬頻寬（GHz）最大最大帶寬帶寬（Mbps）調調制模式制模式IEEE 802.11-19971997.62.42.4852DSSSIEEE 802.11a1999.95.15.854OFDMIEEE 802.11b1999.92.42.48511DSSSIEEE 802.11g2003.62.42.48554DSSS或OFDMIEEE 802.11n2009.102.42.485或5.15.8100OFDMIEEE 802.11ac2014.15.15.8866.7OFDM 盡管物理層使用技術差異很大，一系列IEEE802.11協議的上層架構和鏈路

59、訪問協議是相同的。 如MAC層都使用帶沖突避免的載波監聽多路訪問（CSMA/CA）技術，數據鏈路層數據幀結構相同以及都支持基站和自組織兩種組網模式。802.11802.11無線局域網的發展無線局域網的發展802.11802.11架構架構 基本服務組（Basic Service Set，BSS）是802.11架構中最重要的組成部分。 基站模式無線用戶（筆記本電腦、PDA、臺式機等）：通過與接入點相關聯獲取上層網絡數據。接入點（基站）：通過有線網絡設備（交換機/路由器）連入上層公共網絡。“無線路由器”是接入點和路由器功能的結合體。 自組織模式無線用戶：每個無線網絡用戶既是數據交互的終端也是數據傳輸

60、過程中的路由。802.11802.11架構：組成部分架構：組成部分信道： 802.11b/g：將85MHz的頻寬分為11個不同頻段的信道。 接入點管理者會為每個接入點指定信道。 不相互干擾的信道中間須隔4個或4個以上其他信道用戶與接入點關聯（基站模式）： 接入點廣播的“識別幀”（包含了接入點的MAC地址和服務集表示符） 用戶根據收到的“識別幀”選擇與其中一個接入點建立關聯識別幀掃描方式： 被動掃描，接入點周期性廣播“識別幀”。 主動掃描，首先無線用戶主動廣播“探測幀”，然后收到“探測幀”的接入點以“回應幀”響應，最后用戶根據“回應幀”選擇接入點。802.11802.11架構：信道、關聯及掃瞄架