1、導讀本章主要介紹在物聯網中各種傳感器的應用，首先是對物聯網中傳感器所引起的作用及智能傳感器進行簡單介紹；其次是介紹傳感器技術，包括傳感器的數學模型及數學特性；再介紹多種傳感器，包括超聲傳感器、激光傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、智能塵埃等。通過根本章對傳感器的介紹，能對傳感器在物聯網中的作用有所了解。1傳感器 工業應用在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位.現代工程裝備中，檢測環節的成本約占5070%日常應用 家用電器：數碼相機、數碼攝像機：自動對焦-紅外測距傳感器數字體溫計：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器自動感應燈：亮度檢測-光敏電阻空調、冰箱、電飯煲：溫度檢測-熱敏電阻、熱電偶電話

2、、麥克風：話音轉換-駐極電容傳感器遙控接收：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管辦公商務：可視對講、可視電話：圖像獲取-面陣CCD掃描儀：文檔掃描-線陣CCD紅外傳輸數據：紅外檢測-光敏二極管、光敏三極管醫療衛生：電子血壓計：血壓檢測 - 壓力傳感器血糖測試儀、膽固醇檢測儀 - 離子傳感器3.1 物聯網與傳感技術傳感器是人類五官的延長，又稱之物聯網的“電五官”。在物聯網科研究中，傳感器具有突出的地位。要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。5概述傳感器屬于物聯網的神經末梢，成為人類全面感知自然的最核心元件，各類傳感器的大規模部署和應用是構成物聯網不可或缺的基本條件。對應

3、不同的應用有著不同的傳感器，覆蓋范圍包括智能工業、智能安保、智能家居、智能運輸、智能醫療等。6傳感器的特性傳感器技術包括傳感器的研究、設計、試制、生產、檢測與應用，已逐漸形成了一門相對獨立的專門學科。內容范圍廣且離散知識密集程度甚高、邊緣學科色彩極濃技術復雜、工藝要求高功能優、性能好品種繁多、應用廣泛7傳感器在物聯網中的應用在物聯網系統中，對各種參數進行信息采集和簡單加工處理的設備，被稱為物聯網傳感器，并通過固有協議，將數據信息傳給物聯網終端進行處理。傳感器屬于物聯網中的傳感網絡層，它作為物聯網的最基本一層，具有十分重要的作用。傳感器可以獨立存在，也可以與其他設備以一體化的方式呈現，都是物聯網

4、中的感知和輸入部分。8傳感器在物聯網中的應用軍事應用物流及安保領域環境參數檢測領域設備狀態檢測領域物流參量檢測領域智能家居醫療健康空間探索其他商業應用93.2 傳感器技術傳感器技術是實現測試與自動控制的重要環節。在測試系統中，被作為一次儀表定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態的信息，并將其轉換成另一形態的信息。傳感技術主要的主要功能實現都靠傳感器。10傳感器及其分類傳感器可以被稱為換能器、變換器、變送器或探測器。其主要特征是能感知和檢測某一形態的信息，并將其轉換成另一形態的信息。具體地說傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使之按照一定規律轉換成與之對

5、應的可輸出信號的元器件或裝置。11傳感器傳感器可以被稱為換能器、變換器、變送器或探測器。其主要特征是能感知和檢測某一形態的信息，并將其轉換成另一形態的信息。具體地說傳感器是指那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使之按照一定規律轉換成與之對應的可輸出信號的元器件或裝置。12傳感器傳感器的組成的細節有較大差異，但是，總的來說，傳感器應由敏感元件、轉換元件和其他輔助部件組成，如圖3-1所示。13傳感器組成敏感元件是指傳感器中能直接感受(或響應)與檢出被測對象的待測信息(非電量)的部分。轉換元件是指傳感器中能將敏感元件所感受(或響應)出的信息直接轉換成電信號的部分。信號調節電

6、路是能把轉換元件輸出的電信號轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。輔助電路通常包括電源，即交、直流供電系統。14傳感器組成并不是所有的傳感器都必須包括敏感元件和轉換元件。如果敏感元件直接輸出的是電量，它就同時兼為轉換元件，因此，敏感元件和轉換元件兩者合一的傳感器很多的。例如，壓電晶體、熱電偶、熱敏電阻、光電器件等都是這種形式的傳感器。15傳感器分類（1）按工作機理分類按傳感器的工作機理的不同，可以分為結構型、物性型和復合型三大類。（2）按被測量對象分類 按被測量對象的不同，可以分為物理量傳感器、化學量傳感器和生物量傳感器三大類。各類傳感器又分為若干族，每一族又可分為若干組。而物理

7、量傳感器又可向下分為機械量傳感器、熱學量傳感器、光學量傳感器等。16傳感器分類（3）按敏感材料分類按制造傳感器的材料分類，如：如半導體傳感器、陶瓷傳感器、光導纖維傳感器、高分子材料傳感器、金屬傳感器。（4）按能量的關系分類根據能量關系分類，可分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器一般是將非電能量轉換為電能量，無源傳感器不是一個換能裝置，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調節作用。17傳感器分類（5）按用途劃分按用途分為壓力敏傳感器、位置傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、震動傳感器、氣敏傳感器和視頻傳感器等。（6）按輸出信號劃分按輸出信號可分為模擬量傳感器和數字傳感器。18傳感

8、器的數學模型及數學特性（1）傳感器靜態數學模型靜態模型是指在靜態信號(輸入信號不隨時間變化的量)情況下，描述傳感器輸出與輸入量間的一種函數關系。如果不考慮蠕動效應和遲滯特性，傳感器的靜態模型一般可用多項式來表示： 19P74傳感器的數學模型（2）傳感器動態數學模型動態模型是指傳感器在準動態信號或動態信號(輸入信號隨時間而變化的量)作用下，描述其輸出和輸入信號的一種數學關系。動態模型通常采用微分方程和傳遞函數等來描述。 微分方程 傳遞函數20P75傳感器的數學特性（1）傳感器的靜態特性傳感器所測量的非電量一般有兩種形式：一種是穩定的，即不隨時間變化或變化極其緩慢，稱為靜態信號；另一種是隨時間變化

9、而變化，稱為動態信號。由于輸入量的狀態不同，傳感器所呈現出來的輸入-輸出特性也不同，因此存在所謂的靜態特性和動態特性。21傳感器的數學特性 線性度 所謂傳感器的線性度就是其輸出量與輸入量之間的實際關系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差?？捎孟率奖硎荆?22P76傳感器的數學特性23傳感器的非線性度表示 （a） (b) (c) (d)傳感器的數學特性 靈敏度 傳感器的靈敏度是其在穩態下輸出增量y與輸入增量x的比值，常用Sn來表示。即 24傳感器的數學特性對于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態特性的斜率。即 25傳感器的數學特性 重復性重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得其輸

10、出特性曲線不一致性的程度。26P77傳感器的數學特性 遲滯(回差滯環)現象遲滯特性能表明傳感器在正向(輸入量增大)行程和反向(輸入量減小)行程期間，輸出-輸入特性曲線不重合的程度。27P78傳感器的數學特性 分辨率 穩定性 漂移28傳感器的數學特性（2）傳感器的動態特性傳感器的動態特性是傳感器對輸入激勵的輸出響應特性。一個動態特性好的傳感器，隨時間變化的輸出曲線能同時再現輸入隨時間變化的曲線，即輸出-輸入具有相同類型的時間函數。29傳感器的數學特性傳感器的動態誤差在動態的輸入信號情況下，輸出信號一般來說不會與輸入信號具有完全相同的時間函數，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態誤差。有良好的靜態

11、特性的傳感器，未必有良好的動態特性。30傳感器的數學特性階躍響應特性 當給靜止的傳感器輸入一個單位階躍函數信號時：31P79傳感器的數學特性頻率響應特性32P813.3 幾種典型的傳感器視頻傳感器 視頻傳感器是整個機器視頻系統信息的直接來源，主要由一個或者兩個圖形傳感器組成，有時還要配以光投射器及其他輔助設備。 視頻傳感器的主要功能是獲取足夠的機器視頻系統要處理的最原始圖像。圖像傳感器可以使用激光掃描器、線陣和面陣CCD攝像機或者TV攝像機，也可以是最新出現的數字攝像機等。33 視頻傳感器的的基本原理：視頻傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，

12、以像素數量表示，目前，有的視覺傳感器能夠捕獲數千萬像素。 在捕獲圖像之后，視頻傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。34音頻傳感器 音頻技術主要包括：音頻的采集、音頻處理和音頻的傳輸等方面的技術。 在模擬音頻技術中，通常以磁介質來記錄聲音。 數字音頻是通過聲波波形轉換成一個串連續的二進制數據，通過它來保存聲音的。數字音頻主要依靠A/D轉換器，在每一個時間間隔，不間斷地在模擬音頻的波形上采取一個幅度值，將這種過程稱為采樣。35 將時間和幅度都連續的模擬聲音信號變為數字信號，就要對其進行離散化處理。采樣就是實現模擬信號在時間上的離散化過程，即完成抽取離散時間點上的信號值（常稱為樣值

13、）的任務。 音頻傳感器是一種將聲音轉換成電信號的換能器件。 傳感器的主要技術指標有靈敏度、頻率特性、輸出阻抗和方向性幾個方面。36（1）靈敏度 靈敏度是指傳聲器在一定強度的聲音作用下輸出電信號的大小。靈敏度高，表示傳聲器的聲-電轉換效率高，對微弱的聲音信號反應靈敏，習慣上也常用分貝表示傳聲器的靈敏度。37（2）頻率特性 傳聲器在不同頻率的聲波作用下，其靈敏度是不同的。一般在中音頻（1Hz）時靈敏度最高，而在低音頻（幾十赫茲）或者高音頻（十幾千赫茲）靈敏度最低。理想的傳聲器頻率特性應為20Hz20kHz。（3）方向性 方向性表示傳聲器的靈敏度隨聲波入射方向而變化的特性.383. 環境監測傳感器（

14、1）超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。 超聲波傳感器由發送傳感器（又稱波發送器）、接收傳感器（又稱波接收器）、控制部分與電源部分組成。39（2）激光傳感器 激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。 激光傳感器工作時，先由激光發射二極管對準目標發射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散

15、射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收。40（3）溫度傳感器 包括半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。 原理：兩種不同材質的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。41（4）壓力傳感器 一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，模擬信號是指信息參數在給定范圍內表現為連續的信號，或在一段連續的時間間隔內，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現為任意數值的信號。通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。