无线传感器网络简明教程 第4版 课件 第2章微型传感器的基本知识

第2章微型传感器的基本知识本章内容2.1传感器概述2.1.1传感器的定义和作用2.1.2传感器的组成2.1.3传感器的分类2.2常见传感器的类型介绍2.2.1能量控制型传感器2.2.2能量转换型传感器2.2.3光敏传感器2.2.4气、湿敏传感器2.2.5集成与智能传感器本章内容2.3

传感器的一般特性和选型2.3.1传感器的一般特性2.3.2传感器选型的原则2.4微型传感器的应用实例2.4.1磁阻传感器简介2.4.2磁阻传感器用于车辆探测2.1传感器概述什么是传感器能够把特定的被测量信息按一定规律转换成某种可用信号的器件或装置。输入匹配放大变换被测信号输出检测信号信号处理传感器的作用类似于人体的感觉器官血压测定方法和输出的结果传感器与日常生活息息相关航空航天宇宙飞船

飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体。PPT模板下载：/moban/

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传感器与执行器控制功能一体化控制参数一体化数据共享集成化微型化智能化网络化复合多功能化传感器的发展方向2.1.2传感器的组成辅助电源敏感元件传感元件测量电路被测量电量输出量物理、化学、生物信息传感器通常由敏感元件、传感元件、测量电路和辅助电源组成敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。传感元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。测量电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。辅助电源：作用是为传感元件和测量电路提供能量，有的传感器在工作时必须有辅助电源。

传感器接口技术指各种物理量经传感器和预处理电路变成数字量，供计算机处理。传感器检测过程参数多路转换开关信号调理信号调理放大器采样/保持模/数转换控制处理器2.1.3传感器的分类传感器的分类方法也很多，通常可按以下几种方式进行分类。（1）按工作原理分类（2）按被测量对象分类（3）其他分类方法

♦根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号♦根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器♦传感器的能量来源：能量控制型和能量转换型传感器♦按可变电参量：电阻型、电感型或电容型♦按传感器技术发展：传统传感器(DumbSensor)、智能传感器(SmartSensor)、网络化传感器(NetworkedSensor)按测量原理分：电参量式磁电式磁致伸缩式压电式半导体式按测量性质分：开关型数字型模拟型2.2

常见的传感器类型介绍1、能量控制型传感器

能量控制型传感器将被测非电量转换成电参量，在工作过程中不能起换能作用，需从外部供给辅助能源使其工作，所以又称作无源传感器。电阻式电容式电感式2、能量转换型传感器

能量转换型传感器感受外界机械量变化后，输出电压、电流或电荷量。传感器本身相当于一个电压源或电流源，叫做有源传感器。压电式磁电式热电式3、光敏传感器

光敏传感器是一种感应光线强弱的传感器。当感应到光强度不同时，光敏探头内的电阻值就会有变化。电式传感器色敏传感器CCD图像传感器红外/热释电式光敏器件4、气、湿敏传感器

气敏传感器是一种能将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。半导体气敏传感器广泛应用于可燃性气体的探测与报警，以预测灾害性事故的发生。5、集成与智能传感器

集成传感器是将敏感元件、测量电路和各种补偿元件等集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功能强和性能好的特点。集成温度传感器集成压力传感器集成霍尔传感器

智能传感器（SmartSensor）是一种装有微处理器的、能够信息处理和信息存储以及逻辑分析判断的传感器系统。智能传感器的特点具有数字通信接口自动诊断故障实现多参数综合测量具有判断和信息处理功能

具有自动调零和自动校准功能2.3

传感器的一般特性和正确选型灵敏度响应特性九个特性线性范围稳定性漂移精度重复性分辨率（力）迟滞2.3.1

传感器的一般特性1、灵敏度传感器的灵敏度高，意味着传感器能感应微弱的变化量。（类似于人的鼻子对气味的嗅觉）传感器的灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性会越差。K=输出变化量/输入变化量=△Y/△X=dy/dx2、响应特性传感器的动态性能是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器的响应特性良好，表示传感器满足不失真测量的条件。3、线性范围

任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。

4、稳定性

稳定性表示传感器经过长期使用之后，输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

5、重复性

重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特征曲线的不一致性。上式中δ为标准差，

为测量值，Y为测量值的算术平均值。6、漂移由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。上式中

为最大零点偏差（或相应偏差）7、精度传感器精度指测量结果的可靠程度，其误差越小则传感器精度越高。表示传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分数。8、分辨率(力)分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值。9、迟滞迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程间的最大偏差。1、测量对象与环境根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下问题：量程的大小被测位置测量方式信号的输出方法传感器的来源2.3.2

传感器选型的原则2、灵敏度

通常希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器的灵敏度较高容易影响测量精度。当被测量是单向量，应选择在其它方向上灵敏度小的传感器如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件。传感器频率高，可测的信号频率范围宽。传感器频率低，可测信号的频率就较低。动态测量应根据信号特点，以免产生过大的误差。4、线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。传感器的线性范围越宽，则它的量程就越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看它的量程是否满足要求。

5、稳定性

传感器在使用一段时间后，它的稳定性会受到影响。传感器本身的结构、使用环境会影响传感器稳定性。传感器要有良好的稳定性，需要有较强的环境适应能力。6、精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量准确程度的一个环节。如果测量目的是定性分析，不宜选用绝对量值精度高的型号；如果是为了定量分析，要选用精度等级能满足要求的型号。2.4

微型传感器应用实例2.4.1磁阻传感器探测机理

磁性传感器通常又称为磁力计，在于通过磁场的变化和扰动来间接获得被测目标的属性。测量磁场并不是主要目的，通常能够同时探测获得其它参数，如运动车辆的车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。磁性传感器的探测方式

磁阻传感器可以准确检测出地球磁场1/12000的强度和方向的变化。各种磁传感器的测量范围

磁阻传感器的特征在于当探测出磁场发生变化时，它会产生一个阻抗变化值，即磁阻。磁阻变化的同时会改变电压输出值。2.4.2磁阻传感器用于车辆探测案例

1、磁感应探测运动车辆的原理

运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。检测车辆存在的另一种方法是观察磁场变化的大小，磁场变化表明了对地磁场的整体干扰程度。车辆与传感器位于不同距离时的磁场变化关系2、运动车辆探测信号分析测试车辆产生磁场变化的试验设置实际测试产生的车辆扰动磁场示例3、传感器信号漂移问题AMR传感器的热效应我们通过合理的散热封装设计来减少温度导致的干扰，从而降低温度的影响，也可从软硬件设计方面消除温度的影响4、磁阻信号处理方法原始磁信号和经过处理后的磁信号对比

原始磁阻信号波动频繁，需要采用均值算法对原始信号进行处理。5、车辆探测方案磁传感器探测运动车辆的基本流程运动车辆产生单轴磁信号示例6、用途(1)探测运动车辆的出现(2)车辆分类(3)判断车辆的行进方向