传感及其基础检测 6

《传感器与智能检测技术》第9章

智能仓库环境监测系统【学习目标】1.能准确分析影响智能仓库环境监测系统的关键参数；2.能通过关键参数掌握传感器的选型；3.掌握智能仓库环境监测系统中各个传感器的基本原理和工作过程；4.掌握各传感器的工作特性；5.掌握系统各传感器信号处理电路的分析方法，如放大、滤波等电路；6.掌握系统各传感器与微控制器（如Arduino）的连接电路的分析方法。第九章智能仓库环境监测系统【重点和难点】重点：智能仓库环境监测系统传感器的选型；智能仓库环境监测系统传感器的工作原理、特性和工作过程；传感器信号处理电路的设计；传感器与微控制器电路的连接难点：传感器信号处理电路的设计；传感器与微控制器电路的连接第九章智能仓库环境监测系统【职业素养】1.通过对智能仓库环境监测系统的讲解与学习，培养学生综合理解能力；2.通过对传感器与微控制器连接电路的学习，培养学生理论与实践相结合的能力；3.通过传感器信号处理电路的分析，培养学生认真细心、埋头苦干的精神和素质，孕育学生电路设计的能力；4.通过智能仓库环境监测系统的案例分析，培养学生勤学好问、互帮互助的团队协作精神。第九章智能仓库环境监测系统学习内容一、项目需求分析二、相关传感器选型三、传感器电路设计与连接第一节：项目需求分析第九章智能仓库环境监测系统背景介绍

随着物流行业的快速发展，智能仓库已成为现代供应链管理的核心。智能仓库通过自动化、信息化和智能化的技术手段，大幅提升了仓储效率、降低了运营成本。传感器作为智能仓库的“感知器官”，在环境监测、货物定位、设备状态监控等方面发挥着至关重要的作用。下图为常见的智能仓库环境监测系统的框架图。本章将详细介绍智能仓库中常用的传感器类型及其应用场景，并设计一个基于传感器的智能仓库环境监测系统，要求能够实时监测仓库内的温湿度、光照强度、有害气体浓度等环境参数，并将数据上传至中央控制系统，实现远程监控和报警功能。从而构建一个功能完善、性能可靠的智能仓库监测系统，实现对仓库环境参数的精准监测与有效管理。背景介绍智能仓库环境监测系统框图思考：智能仓库在那些行业中应用比较广泛，举一些例子简要说明？一、智能仓库环境监测的关键参数1.温度定义：是表征物体冷热程度的物理量，是仓库环境的核心指标，将直接影响物品的物理和化学稳定性，根据物品类型不同，温度要求也不同，比如食品、药品需低温（2-8℃）或恒温（15-25℃）保存，避险腐败或失效；电子产品高温（＞40℃）易导致元件老化或短路；化工材料的部分物质在高温下可能发生分解或爆炸等。小知识：温度不能直接测量，需要借助于某种物体的某种物理参数随温度高低不同而明显变化的特性进行间接测量。一、智能仓库环境监测的关键参数间接测量装置：间接温度测量装置通常由感温元件部分（即温度传感器）和温度显示部分组成的。测量方法：通常按照感温元件是否与被测物接触而分为接触式测量和非接触式测量两种。1.温度一、智能仓库环境监测的关键参数表示：热力学温度T，单位K（开尔文）和摄氏温度t，单位℃（摄氏度）换算：t≈T-273.151.温度一、智能仓库环境监测的关键参数2.湿度定义：是指物质中所含水蒸气的量。对于智能仓库而言，主要是对环境中的水蒸气含量进行测量，也就是对智能仓库内气体中所含水蒸气量的测量。通常用绝对湿度、相对湿度和露点温度来表示。一、智能仓库环境监测的关键参数绝对湿度：是指单位体积的气体中含水蒸气的质量表达式：Hd=mv/V式中，mv表示气体中水蒸气的质量V表示待测气体的总体积2.湿度一、智能仓库环境监测的关键参数相对湿度：是指待测气体中水蒸气分压力与相同温度下饱和水蒸气分压力的百分比，用RH，其表达式如下。相对湿度反映的是气体中水蒸气达到饱和的程度和吸湿能力的大小，相对湿度为100%时，空气达到饱和。表达式：RH=Pq/（Pq，b）×100%式中，Pq表示气体中水蒸气的分压力Pq，b表示相同温度下饱和水蒸气的分压力2.湿度一、智能仓库环境监测的关键参数露点温度：未饱和的空气可以通过另一途径达到饱和。如果湿空气中水蒸气的含量保持一定，即分压力不变而温度逐渐降低，使其由原来的温度t逐渐降低到t1，若对应于t1的Pb，q纸恰与Pq相等，则RH为100%，该未饱和空气变为饱和。这种在含湿量不变的条件下，使未饱和空气温度降低，达到饱和状态的温度t1叫做露点温度。如果将空气温度继续降低，则饱和空气中的水蒸气便有一部分会结成水滴而被分离出来，这种现象称为结露。2.湿度小知识：如秋季凌晨草地上的水珠、夏天冰箱拿出来饮料瓶表面的水珠、冬天往玻璃上哈气出现的水雾等都是因为出现结露现象。一、智能仓库环境监测的关键参数定义：是指单位面积上所接受可见光的光通量，简称照度，单位为勒克斯（lx）。它主要用于衡量物体被照明的程度，数值上等于垂直于光的传播方向上每平方米面积上的光通量。应用：利用光照强度这个物理参数对智能仓库进行检测，涉及到的传感器类型也很多，如光敏电阻传感器、光电二极管传感器、光电三极管传感器、硅光电池传感器等。3.光照强度一、智能仓库环境监测的关键参数定义：智能仓库环境中，气体的种类很多，可分为可燃气体、有毒气体和其他气体三种，如下表。4.气体种类物质影响可燃气体主要包括烷烃类、烯烃类、醇类、醚类等有机气体在一定浓度范围遇明火或火花易爆炸有毒气体主要有一氧化碳、硫化氢、氯气、氨气等人体吸入一定量会中毒甚至危及生命其他气体如氧气、二氧化碳、乙烯等虽本身无毒可燃，但含量异常会影响货物存储环境和设备运行一、智能仓库环境监测的关键参数

在测量时，智能仓库监测系统常常根据仓库环境中的气体成分、气体浓度、气体浓度变化速率和气体分布等物理量来实现环境监测。因此，可利用不同的工作原理制成不同类型的传感器用于智能仓库气体环境的监测，如下表。4.气体一、智能仓库环境监测的关键参数4.气体类型工作原理催化燃烧原理利用可燃气体在催化作用下燃烧产生热量，使传感器温度升高，电阻变化，通过测量电阻变化检测可燃气体浓度。电化学原理气体与传感器内电极发生电化学反应产生电流，电流大小与气体浓度成正比，常用于检测有毒气体。红外吸收原理不同气体对特定波长红外光有吸收特性，通过检测红外光吸收程度测量气体浓度，可检测二氧化碳、甲烷等。半导体原理气体与半导体表面发生吸附反应，改变半导体电导率，通过测量电导率变化检测气体浓度，可检测多种可燃和有毒气体。一、智能仓库环境监测的关键参数思考：1.只能仓库环境监测系统，除了上述参数以外，还可以将哪些参数作为仓库的监测数据，实现更健康的环境？2.各个参数对应的传感器有哪些？4.气体二、监测精度与实时性要求1.精度要求温度监测：对于普通货物仓库，温度监测精度一般要求达到±1℃-±2℃即可满足需求。但对于存储疫苗、血液制品等对温度极为敏感的医药类仓库，精度要求通常高达±0.5℃甚至更高。湿度监测：普通仓库湿度监测精度达到±5%RH基本可以保障货物存储安全。而对于存放精密电子设备、光学仪器等的仓库，湿度精度要求可能在±2%RH-±3%RH。二、监测精度与实时性要求1.精度要求气体监测：可燃气体监测，一般要求精度能达到爆炸下限的1%LEL-5%LEL。对于有毒气体，如一氧化碳，精度需达到1ppm-5ppm；对于一些极毒气体，如硫化氢，精度甚至要达到0.1ppm-1ppm。光照强度监测：普通仓库对光照强度监测精度要求相对较低，一般能精确到±50lux-±100lux即可。但对于存储感光材料、文物字画等特殊物品的仓库，可能要求精度达到±10lux-±20lux。二、监测精度与实时性要求2.实时性要求数据采集频率：一般智能仓库的数据采集频率在1min

–5min一次，可满足大多数货物存储环境监测需求，及时发现环境参数的较大变化。对于高危或对环境变化极其敏感的货物，如易燃易爆化学品、生物样本等，数据采集频率可能要求达到1次/s

-1次/10s，以便快速捕捉环境参数的瞬间变化，及时预警和处理。二、监测精度与实时性要求2.实时性要求报警响应时间：当监测参数超过设定阈值时，系统需迅速发出报警信号。一般情况下，报警响应时间应控制在10s

–30s内，确保工作人员能及时采取措施。对于涉及人员生命安全和重大财产损失的紧急情况，如可燃气体泄漏、火灾等，报警响应时间要求更短，通常在5s以内。二、监测精度与实时性要求2.实时性要求数据传输与处理延迟：数据从传感器传输到中央控制系统以及在系统内进行处理的总延迟，一般应控制在1min以内，以保证管理人员获取的是近乎实时的监测数据。对于需要实时控制环境设备（如空调、通风设备等）的智能仓库，数据传输与处理延迟需更短，通常在10s

–20s以内，确保控制措施能及时有效执行。第二节：相关传感器选型第九章智能仓库环境监测系统一、温度传感器的特性与选型依据1.热敏电阻式温度传感器特性：电阻值随温度变化显著，灵敏度高，能检测到微小温度变化；响应速度快，可快速反映温度变化；精度较高，一般可达±0.1℃至±0.5℃；结构简单、体积小，便于安装在狭小空间；稳定性好，在一定温度范围内性能稳定，但测量范围相对较窄，一般在-50℃至300℃。一、温度传感器的特性与选型依据1.热敏电阻式温度传感器选型依据：需要高灵敏度和高精度的温度测量，如医疗设备、电子设备温度监测时可选用；测量环境温度变化快，要求快速响应的场合，如空调系统、汽车发动机温度监测较为适用；空间有限，需小型化传感器的场景，像手机、笔记本电脑内部温度监测可考虑；温度范围在其适用区间内，且对成本有要求时，热敏电阻性价比高。一、温度传感器的特性与选型依据2.热电偶式温度传感器特性：测量范围宽，可从-200℃至1800℃；基于热电效应工作，无需外部电源；响应速度较快，能快速跟踪温度变化；线性度较好，在一定温度范围内，热电势与温度呈近似线性关系；稳定性和可靠性高，但灵敏度相对较低，精度一般在±1℃至±2℃。一、温度传感器的特性与选型依据2.热电偶式温度传感器选型依据：测量高温环境，如工业炉窑、热处理设备的温度监测，热电偶能满足需求；需在恶劣环境下长期稳定工作，如冶金、玻璃等高温工业环境，其稳定性使其适用；对线性度要求较高，且测量精度要求不是极高的场合，如大型中央空调系统的温度监测可选；需进行多点温度测量和远距离传输信号时，热电偶较为合适。一、温度传感器的特性与选型依据思考：1.用于测量温度的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？二、湿度传感器的原理与应用1.电容式湿度传感器主要基于水分子具有较高介电常数的特性。传感器的感湿元件通常由两个电极和其间的介电材料构成。当环境湿度变化时，介电材料吸收或释放水分，导致其介电常数发生改变，进而使传感器的电容值产生变化。通过测量电容值的变化，就可以得出环境湿度的数值。二、湿度传感器的原理与应用2.电阻式湿度传感器利用某些材料的电阻值随湿度变化的特性来测量湿度。感湿材料一般为具有多孔结构的半导体陶瓷或高分子聚合物等。当环境中的水汽被感湿材料吸附或解吸时，材料内部的离子浓度或电子传输特性会发生改变，从而使其电阻值相应变化。测量电阻值的变化，就能间接得到环境湿度信息。二、湿度传感器的原理与应用思考：1.用于测量湿度的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？三、光照传感器的工作原理与选择1.工作原理光敏电阻：通常由半导体材料制成。在无光照时，其内部载流子（电子和空穴）数量少，电阻值高，电路中电流小。当有光照时，光子能量被半导体吸收，使价带中的电子跃迁到导带，产生大量光生载流子，载流子浓度增加，电阻值降低，电路中电流增大。通过检测电阻值变化可感知光照强度变化。三、光照传感器的工作原理与选择1.工作原理光敏二极管：在反向偏置状态下工作。无光照时，只有少量反向饱和电流通过，电流很小。当有光照时，光子在耗尽层及其附近产生电子-空穴对，在电场作用下，电子和空穴分别向不同方向移动，形成光电流，且光电流大小与光照强度成正比，通过检测光电流大小可获取光照信息。三、光照传感器的工作原理与选择1.工作原理光敏晶体管：光敏晶体管的半导体材料通常为硅或锗等，具有一定的禁带宽度。当光子能量大于半导体的禁带宽度时，光子被半导体吸收，价带中的电子跃迁到导带，形成光生载流子（电子-空穴对）。在制造过程中，会向半导体中掺入杂质以形成P型和N型半导体区域。杂质能级与主能带之间的能量差较小，也能吸收光子产生光生载流子。三、光照传感器的工作原理与选择2.选择要点光敏电阻光敏二极管光敏晶体管灵敏度灵敏度较高，能对微弱光产生较大阻值变化在快速响应的同时也有较好的灵敏度基于放大作用，灵敏度通常高于光敏二极管响应速度响应速度最慢，一般在为ms级响应速度最快，能在ns级响应速度稍慢，在μs级线性度线性度不佳线性度较好线性度相对较差温度稳定性受温度影响大受温度影响相对较小受温度影响较大光照条件适合在低光照环境下作为光控开关，能检测微弱光线在各种光照强度下都能较好工作，可用于精确测量适合中等光照强度，强光下可能饱和三、光照传感器的工作原理与选择思考：1.用于测量光照强度的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？四、气体传感器的介绍与选型气体传感器是一种将气体的成分、浓度等信息转换为可测量的电信号或其他信号的装置。基于不同气体与传感器敏感材料发生物理或化学反应时产生的物理化学变化，如电阻、电容、电压、电流等电学参数的改变，来实现对气体的检测和分析。例如半导体气体传感器，利用半导体材料在吸附气体后电阻发生变化的特性来检测气体；而电化学气体传感器则通过气体在电极上发生氧化还原反应产生的电流与气体浓度的关系进行检测。这里主要介绍电化学气体传感器和半导体气体传感器。四、气体传感器的介绍与选型1.电化学气体传感器与半导体气体传感器对比电化学气体传感器半导体气体传感器工作原理基于电化学的氧化还原反应利用半导体材料与气体接触时，其电导率发生变化的特性特点精度高、选择性好、线性度佳，但寿命有限且对温度、湿度敏感灵敏度高、响应速度快、成本低、体积小，不过选择性较差，易受其他气体干扰，且受环境温度、湿度影响大应用场景在煤矿井下监测瓦斯、一氧化碳等有害气体，保障矿工安全；在环保领域监测大气中的二氧化硫、氮氧化物等污染物用于家庭燃气泄漏检测、汽车尾气检测以及工业生产中对挥发性有机物的监测等四、气体传感器的介绍与选型2.选择要点电化学气体传感器半导体气体传感器检测气体种类检测特定单一气体且精度要求高检测多种气体或对成本敏感检测精度要求对精度要求极高的场合对精度要求不高的一般场合环境因素受环境影响相对大，需更注意补偿措施在恶劣环境中应用时，要考虑防护和校准成本与寿命长期稳定运行的项目需考虑寿命成本预算有限且对精度要求不特别高四、气体传感器的介绍与选型思考：1.用于测量气体的传感器还有哪些？工作原理是怎样的？第三节：传感器的电路设计与连接第九章智能仓库环境监测系统背景介绍本智能仓库监测系统旨在实时、精准地监测仓库内的温度、湿度、光照强度和气体浓度等环境参数。通过各类传感器收集数据，经信号处理电路优化后传输至Arduino微控制器。Arduino对数据进行分析处理，若发现参数异常则及时发出警报，并可将数据上传至云端或其他上位机进行存储与进一步分析，为仓库环境的稳定与货物安全提供有力保障。一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型温度传感器：采用DHT11数字温度传感器，如图，测量范围0℃-50℃，精度±2℃，通过单总线与微控制器通信，输出数字信号，无需复杂的信号处理。DHT11数字温度传感器一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型湿度传感器：选用HIH-4000电容式湿度传感器，测量范围0%-100%RH，精度±3.5%RH。其输出与相对湿度成线性变化的电压信号，需后续信号处理电路。下图为HIH–4000-3湿度传感器。HIH–4000-3湿度传感器一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型光照传感器：光敏晶体管通过光照控制基极电流，调节集电极-发射极电流，输出与光照强度成比例的电压信号，其响应速度快、线性度优于光敏电阻，适用于动态光照环境。工作电压在3-5V，集电极电流范围为0.1-5mA。一、传感器信号处理电路设计1.传感器选型气体浓度传感器：MQ-135气体传感器用于检测多种有害气体，如氨气、硫化氢、苯等。其输出的电信号与气体浓度成比例，需进行放大和滤波处理。下图为MQ-135气体传感器模块。MQ-135气体传感器一、传感器信号处理电路设计2.温度传感器电路DHT11是一个4引脚传感器，VCC接电源正极，GND接地，DATA为数据输出引脚。一、传感器信号处理电路设计3.湿度传感器信号处理电路HIH-4000：它有4个引脚，VCC接电源，GND接地，SDA为湿度信号输出，NC为空脚。下图为湿度传感器信号处理电路示意图。一、传感器信号处理电路设计3.湿度传感器信号处理电路（1）放大电路：HIH-4000输出的电压信号范围为0V-1V，为适配Arduino的0V-5V输入范围，需进行放大。采用LM358运算放大器组成同相放大电路。电源正负极分别接LM358的8脚和4脚。HIH-4000的SDA引脚经一个10kΩ电阻（R1）连接到LM358的3脚，同时3脚通过一个0.1μF电容接地。LM358的1脚输出经一个40kΩ电阻（R2）反馈到3脚，实现放大倍数为5倍（Av=1+R2/R1）。（2）滤波电路：在LM358的1脚输出端，接一个0.1μF电容到地，滤除高频噪声。一、传感器信号处理电路设计4.光照强度传感器信号处理电路共射级放大电路：选择合适的集电极电阻（Rc）阻值以匹配Arduino模拟输入范围（0-5V）。计算如公式9-4。光敏晶体管发射极接地，集电极接Rc后连接至Vcc，输出信号从集电极引出至Arduino模拟引脚。低通滤波与分压保护：在输出端并联电容（如100nF）到地，截止频率fc=1/2RcC≈34HZ，抑制高频噪声，实现低通滤波；若输出信号超过5V，可串联分压电阻限制电压，实现分压保护。一、传感器信号处理电路设计5.气体浓度传感器信号处理电路MQ-135：通常有6个引脚，其中2个用于加热（一般接5V电源和GND），另外4个引脚中有2个是信号输出（一般选择其中一个即可）。图9-6为MQ-135传感器信号电路示意图。一、传感器信号处理电路设计5.气体浓度传感器信号处理电路（1）放大电路：MQ-135输出的电信号较弱，采用LM358组成反相放大电路。电源正负极分别接LM358的8脚和4脚。MQ-135的信号输出引脚接一个10kΩ电阻（R4）到LM358的2脚，同时LM358的2脚通过一个100kΩ电阻（R5）连接到1脚输出端，实现放大倍数为（Av=-R5/R4）=-10倍。一、传感器信号处理电路设计5.气体浓度传感器信号处理电路（2）滤波电路：采用二阶低通滤波电路。从LM358的1脚输出连接一个10kΩ电阻（R6），R6另一端连接到Arduino模拟输入引脚及一个0.1μF电容（C1）到地，同时此节点通过另一个10kΩ电阻（R7）和0.1μF电容（C2）接地，构成二阶低通滤波，截止频率。滤除高频干扰信号后接入Arduino的模拟输入引脚。二、传感器与微处理器的接口电路连接Arduino是比较常见的微控制器，其型号有很多种，图9-7是Ardui