传感器概述

 感知能力与传感器的发展

1. 人的感知能力

• 眼、耳、鼻、舌、皮肤是人类感知外部物理世界的重要感官
• 随着人类对外部世界的改造，对未知领域与空间的拓展，人类需要的信息来源、种类、数量、精度不断增加，对信息获取的手段也提出了更高的要求，而传感器是能够满足人类对各种信息感知需求的主要工具

2．传感器的基本概念

• 传感器（sensor）是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置，能感受到被测量，并能将检测和感受到的信息，按一定规律变换成为电信号（电压、电流、频率或相位）输出，以满足感知信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。
• 传感器结构与工作原理示意图

传感器的分类

传感器分类的基本方法：

• 根据传感器功能分类
• 根据传感器工作原理分类
• 根据传感器感知的对象分类
• 根据传感器的应用领域分类

常用物理传感器 与化学传感器

 物理传感器

• 物理传感器的原理是利用力、热、声、光、电、磁、射线等物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号
• 物理传感器可以进一步分为：力传感器、热传感器、声传感器、光传感器、电传感器、磁传感器与射线传感器等7类

（1）力传感器

• 力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的传感器。力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等
• 用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图

• 不同用途的力传感器

（2）温度传感器

（3）声传感器

（4）光传感器

• 图像传感器

• 光纤传感器

分布式光纤传感系统

• 分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测量。
• 分布式光纤传感系统应用领域包括：

     —智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位

     —发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警

     —水库大坝、河堤安全与渗漏监测

     —桥梁与高层建筑结构安全性监测

     —公路、地铁、隧道地质状况的监测

• 分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同时测量上万个点，可以对每个温度测量点进行实时测量与定位

（5）电传感器 电传感器可以分为：

• 电阻式、电容式、电感式传感器 电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的原理制成的。
• 电阻式传感器主要用于位移、压力、应变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量 电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来使电容量变化的原理制成的。
• 电容式传感器主要用于压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量
• 电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置，来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压力、位移、力、振动、加速度等参数的测量。

（6）磁传感器

• 磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用
• 磁传感器将磁信号转化成为电信号输出
• 磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的新型磁传感器所替代

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（7）射线传感器

• 射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信号的传感器
• 射线传感器可以分为：X射线传感器、γ射线传感器、β射线传感器、辐射剂量传感器
• 射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学研究与安全保护领域广泛使用

化学传感器

• 化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测信号的微小变化转换成电信号的一类传感器
• 按传感方式的不同，可分为：

     —接触式化学传感器

     —非接触式化学传感器

• 按结构形式的不同，可以分为：

     —分离型化学传感器

     —组装一体化化学传感器

• 按检测对象的不同，可以分为：

     —气体传感器

     —离子传感器

     —湿度传感器

生物传感器

• 生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成
• 生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或有机物分子
• 不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不同的感应特性

生物传感器的分类

传感器性能指标

• 线性度
• 灵敏度
• 分辨率
• 迟滞
• 重复性
• 漂移
• 测量范围
• 精度

智能传感器与无线传感器的发展

智能传感器的发展

智能传感器的特点：

• 自学习、自诊断与自补偿能力
• 复合感知能力
• 灵活的通信能力

微机电系统对智能传感器发展的影响

微机电系统的基本概念

• 微机电系统（MEMS）是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统
• MEMS为传感器微型化、智能化与网络化的实现提供了技术支持，也为智能传感器应用与产业发展拓展了新的空间
• MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科，它以微电子及机械加工技术为依托，研究涉及微电子学、机械学、力学、自动控制科学、材料科学等多个学科

用MEMS技术制造的微型传感器

无线传感器的研究

UGS的无线传感器外形与应用

 无线传感器网络

从无线分组网到无线自组网

1.无线分组网的研究

• IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络（MANET），它是在无线分组网的基础上发展起来的
• 无线自组网有多个英文名称，如Ad hoc network 、Self-organizing network、Infrastructureless network 与Multi-hop network
• 1991年5月，IEEE正式采用“Ad hoc网络”术语
• Ad hoc在英语中的含义是“for the specific purpose only”，即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思

2. 无线自组网的基本概念

Ad hoc网络物理结构与拓扑结构

Ad hoc网络的特点:

• 自组织与独立组网
• 无中心
• 多跳路由
• 动态拓扑
• 无线传输的局限与节点能量的限制性
• 网络生存时间的限制

Ad hoc网络的主要应用领域:

• 军事领域
• 民用领域

从无线自组网到无线传感器网络

无线传感器网络的概念  

无线传感器网络（ wireless sensor network, WSN）：

• 就是由部署在检测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知，采集和处理网络覆盖区域中对象的信息，并发送给观察者。  

传统网络：  人     人  

无线传感器网络：人       自然界

与现有网络的区别  

无线自组网(mobile ad-hoc network）

1. 几十到上百个节点
2. 无线通信，各个节点的关系是对等的
3. 首要目标是保证高质量的传输服务和高带宽利用  

无线传感器网络(WSN)

1. 节点更为庞大，成千上万，节点分布更为密集
2. 环境影响和干扰很大，本身能量不足，因此节点很容易出现故障，影响网络拓扑结构
3. 首要目标是能源的高效使用。

无线传感器网络特点与结构

无线传感器网络特点:

• 网络规模:与应用相关
• 自组织网络：应用环境限制，需要自组织
• 拓扑结构的动态变化：动态重构
• 以数据为中心：应用最重要

无线传感器网络的基本结构

无线传感器网络节点类型:

• 传感器节点
• 汇聚节点
• 管理节点

电源能量对无线传感器节点设计的限制

• 无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过自身携带的能量有限的电池（钮扣电池或干电池）供电
• 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备

基于功能的无线传感器网络结构模型

无线传感器网络关键技术研究

无线传感器网络研究的主要内容

无线传感器网络通信协议与标准

1. 无线局域网与IEEE802.11标准

• 802.11协议层次结构模型

• 802.11节点发送数据帧过程

2. 蓝牙技术与协议

• 蓝牙（Bluetooth）一种用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准

3. 无线个人区域网与IEEE 802.15.4标准

• LR-WPAN是指在一个个人操作空间内，将使用相同无线信道，将个人计算机、键盘、鼠标、智能手机、打印机、投影仪，以及各种PDA设备互联起来的无线个人区域网络
• LR-WPAN网络拓扑分为两种类型：星型与点-点拓扑结构
• IEEE 802.15.4是为近距离、低速无线个人区域网LR-WPAN 制定的一种通信标准

4. ZigBee技术与协议

• ZigBee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术
• ZigBee适应于数据采集与控制的点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域，在家庭网络、安全监控、医疗保健、工业控制、无线定位等方面展现重要的应用前景