第3章传感器技术 3.1传感器基础知识 3.1.1传感器的概念 传感器技术是物联网的基础技术之一，处于物联网架构的感知层。传感器是 种能把特定的被测信号按照某种规律转换成某种可用信号输出的器件或装置， 以满足信号的传输、处理、记录、显示和控制等。 传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是物联网系统决策和处理所必 须的原始数据， 传感器的分类方法有很多种常用的有：按输入量分类、按输出量分类、按基 本效应分类、按工作原理进行分类、按能量变换关系分类 3.12传感器的作用 (1)传越器在工业自动化系统中的作用 (2)传感器在航空航天中的作用 (3)传感器在医学领域中的作用 (4)传感器在家用电子产品中的作用 (5)传越器在军事领域里的作用 3.13传感器的组成 传感器由两个基本单元组成：敏感元件与转换元件。 墙弱电泰 3.1.4传感器的分类 压力件感活、，力州感器。力见代感马。速度传感器，如速度传感 力学量 器：流量传梦器、位移传感器，食置他感器，尺度传够器、害度 传够适、后度传感适、硬度传感器，注度特够因 热学世 温度传感酒，热流代感器，善导率传感西 光学量 可见光物感器，红外光传感器，紫外光传够器，烈度传感器，色 物理闲 度传感器，国像%感器。亮度作感器 传感器 陆学量 量场强度传感器、是通传感器 电学量 电演件感海、电压代感器，电场变纯感器 按 声学量 声压件够西、噪声传感器，超声被传感5、声表面改传感日 测 射线 射线代感器，B射线传感器、Y射线件感卷、细射剂量传感器 化学量 离子件感酒、气体传感器，翟度传感唇 修感酒 生物量 体压传够运、威满传感器、心音传感器，体温传够号。血瓷传够季， 生用量 表件感5，盒容量件感5、体电阴件感器 供感器 生化量 酶式传感器、免夜血型传感器，微生物型传球器、血气传 液电解质
第 3 章 传感器技术 3.1 传感器基础知识 3.1.1 传感器的概念 传感器技术是物联网的基础技术之一，处于物联网架构的感知层。传感器是 一种能把特定的被测信号按照某种规律转换成某种可用信号输出的器件或装置， 以满足信号的传输、处理、记录、显示和控制等。 传感器处于研究对象与检测系统的接口位置，是物联网系统决策和处理所必 须的原始数据。 传感器的分类方法有很多种常用的有：按输入量分类、按输出量分类、按基 本效应分类、按工作原理进行分类、按能量变换关系分类 3.1.2 传感器的作用 （1）传感器在工业自动化系统中的作用 （2）传感器在航空航天中的作用 （3）传感器在医学领域中的作用 （4）传感器在家用电子产品中的作用 （5）传感器在军事领域里的作用 3.1.3 传感器的组成 传感器由两个基本单元组成：敏感元件与转换元件。 3.1.4 传感器的分类
3.1.5传感器的基本特性 主要分为静态特性和动态特性，静态特性指的是被测量处于稳态时输人和拾 出的关系，其指标有线性度、灵皱度和迟带，动态特性指随时间变化的输入量响 应特性。 3.2几种常用传感器介绍 3.2.1温度传感器 用来衡量温度的标尺，分为接触式与非接触式，电子元件主要为热电阳，热 电偶。 D518B20数字温度传感器 AD50温度传感器 3.22裎度传感器 1基本概念：(1)绝对程度和相对程度(2)露点 2湿度传越器的分类：水分子亲和力型、非水分子亲和力型。 3常用的湿度传感器：电阻湿度传感器主要材质为电介质、半导体、多 孔陶瓷，有机物和高分子聚合物：电容湿度传感器主要材质是高分子聚合物、金 属氧化物。 3.23超声被传感器 1基本概念：超声波探头由压电品片组成，既可以发射也可以接受超声波， 小功率超声探头多用来探测。 2主委性能指标：工作频率，工作温度，灵敏度 3工作原理：横向震荡于纵向震荡。 3,24气敏传感器 将被测气体浓度转换成与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 主要参数为灵敏度、响应时间、选择性、稳定性 主要应用为半导体气敏传感器，灵敏度高，响应时间长，恢复时间短，使用 时间长，成本低。 3.3智能传感器 3,3,1智能传感岳的基本概念 智能传感器(intelligent sensor)是具有信息处理功能的传感器，智能传感器 带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机 相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息 需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。 与一殷传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度 的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。 3.32智能传感器的组成 由传感器、微处理器及相关电路组成，如下图所示：
3.1.5 传感器的基本特性 主要分为静态特性和动态特性，静态特性指的是被测量处于稳态时输入和输 出的关系，其指标有线性度、灵敏度和迟滞。动态特性指随时间变化的输入量响 应特性。 3.2 几种常用传感器介绍 3.2.1 温度传感器 用来衡量温度的标尺，分为接触式与非接触式，电子元件主要为热电阻，热 电耦。 DS18B20 数字温度传感器 AD590 温度传感器 3.2.2 湿度传感器 1 基本概念：（1）绝对湿度和相对湿度 （2）露点 2 湿度传感器的分类：水分子亲和力型、非水分子亲和力型。 3 常用的湿度传感器：电阻湿度传感器主要材质为电介质、半导体、多 孔陶瓷、有机物和高分子聚合物；电容湿度传感器主要材质是高分子聚合物、金 属氧化物。 3.2.3 超声波传感器 1 基本概念：超声波探头由压电晶片组成，既可以发射也可以接受超声波， 小功率超声探头多用来探测。 2 主要性能指标：工作频率，工作温度，灵敏度 3 工作原理：横向震荡于纵向震荡。 3.2.4 气敏传感器 将被测气体浓度转换成与其成一定关系的电量输出的装置或器件。 主要参数为灵敏度、响应时间、选择性、稳定性。 主要应用为半导体气敏传感器，灵敏度高，响应时间长，恢复时间短，使用 时间长，成本低。 3.3 智能传感器 3.3.1 智能传感器的基本概念 智能传感器（intelligent sensor）是具有信息处理功能的传感器。智能传感器 带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机 相结合的产物。一般智能机器人的感觉系统由多个传感器集合而成，采集的信息 需要计算机进行处理，而使用智能传感器就可将信息分散处理，从而降低成本。 与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度 的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。 3.3.2 智能传感器的组成 由传感器、微处理器及相关电路组成，如下图所示：
喻出楼 独字量输 3.33智能传感器的功能与特点 1自补偿和计算功能： 2自诊断功能： 3复合敏感功能； 4强大的通信接口功能； 5现场学习功能； 6提供模拟和数字输出； 7数值处理功能： 8掉电保护功能。 3.3.4基于EEE1451的网络化智能传感器 网格 网络 网格抽象逻 变送器抽象现 硬件 协议 样接口规范 NCAP 辑接口规随 十/O接口 应用软件： 硬件 功能模块 变送 变送 组件 图件 器（传 感器 服务器研 成执 行器) 分华 发送器统件接 耀处理器硬件 口规范： NCAP支持的逻样接回 1EEE14512 3.36智能传感器的应用 三个层次：传感网铬、传输网络、应用网铬； 337智能传感瑶的发展趋势 发屁趋势为：高精度，高可靠性，宽温度范围，微型化低功耗，数字化网路 化. 3.4MEMS技术
3.3.3 智能传感器的功能与特点 1 自补偿和计算功能； 2 自诊断功能； 3 复合敏感功能； 4 强大的通信接口功能； 5 现场学习功能； 6 提供模拟和数字输出； 7 数值处理功能； 8 掉电保护功能。 3.3.4 基于 IEEE1451 的网络化智能传感器 3.3.6 智能传感器的应用 三个层次：传感网络、传输网络、应用网络； 3.3.7 智能传感器的发展趋势 发展趋势为：高精度，高可靠性，宽温度范围，微型化低功耗，数字化网络 化。 3.4 MEMS 技术
3.4,1概述 微机电系统(MES,Mico-ect-Mechanic System)是一种先进的制造技术 平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEM5技术采用了半导体技术 中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲， ES中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要 涉及微电千、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微 尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。 微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米 或微米级，自八十年代中后期蝎起以来发展极其迅速，被认为是继徽电子之后又 一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济 增长点和提高军事能力的重要技术途径。 微机电系统的优点是：体积小、重量轻，功耗低、时用性好、价格低廉、性 能稳定等优点。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制 造技术的演进与革命。微机电系统是当前交义学科的重要研究领城，涉及电子工 程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和 军事科研领域的新增长点。 M压S(微机电系锐最初大量用于汽车安全气囊，而后以MEMS传感器的形 式被大量应用在汽车的各个领域，随着MEMS技术的进一步发展，以及应用终 端“轻、薄、短、小”的特点，对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛， 消费电子、医疗等领域也大量出现了M正S产品的身影. 3.42MMS的特点 1)微量化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小，诗振频率高 响应时间短。 2)以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁 相当，密度类似铝，热传导率接近相和钨。 3)批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上干个微型机 电装置或完整的M正MS。批量生产可大大降低生产成本。 4)果成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件 集成在一起，形成复杂的微系统。徽传感器、微执行器和微电子器件的集成可制 造出可靠性、稳定性很高的MEMS, 5)多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制 物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术爱展的许多尖端成果 MES是微机电系统的缩写。EMS主要包括微型机构、微型传感器、微 型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现 代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 压S技术的发展开辟了一一个全新的技术领域和产业，采用M压MS技术制 作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力 电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接
3.4.1 概述 微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanic System）是一种先进的制造技术 平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS 技术采用了半导体技术 中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲， MEMS 中基本的制造技术是成熟的。但 MEMS 更侧重于超精密机械加工，并要 涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微 尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。 微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米 或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又 一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为 21 世纪新的国民经济 增长点和提高军事能力的重要技术途径。 微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性 能稳定等优点。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制 造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工 程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和 军事科研领域的新增长点。 MEMS(微机电系统)最初大量用于汽车安全气囊，而后以 MEMS 传感器的形 式被大量应用在汽车的各个领域，随着 MEMS 技术的进一步发展，以及应用终 端“轻、薄、短、小”的特点，对小体积高性能的 MEMS 产品需求增势迅猛， 消费电子、医疗等领域也大量出现了 MEMS 产品的身影。 3.4.2MEMS 的特点 1）微型化：MEMS 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、 响应时间短。 2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁 相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机 电装置或完整的 MEMS。批量生产可大大降低生产成本。 4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执 行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件 集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制 造出可靠性、稳定性很高的 MEMS。 5）多学科交叉：MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、 物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果 MEMS 是微机电系统的缩写。MEMS 主要包括微型机构、微型传感器、微 型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现 代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用 MEMS 技术制 作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力 电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接
触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 3.43应用领城 在喷墨打印机甲作为压电元件 在汽车里作为加速仅来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统 在轮胎里作为压力传感器，在医学上测量血围 数字微镜芯片 在计算机网络中充当光交换系统，这是一个与智能灰尘技术的雕合 设计徽机电系统最重要的工具是有限元分析， 3.5传感器接口技术 传感器接口电路，是传感器和系统中其他功能部件之间的接口，其性能直接 影响到系统的测量精度和灵敏度。传感器接口电路的选择，是根据传感器的输出 信号特点及用途确定的。不同传感器具有不同的输出信号，就要求不同的接口电 路。传感器的接口电路形式多样功能干变万化。它可能是一个放大器，也可能是 一个信号转换电路。 3.5.1传感器接口特点 1)输出信号比较弱，要求接口电路有一定放大能力： 2)输出阻抗比较高，产生较大的信号衰减： 3)输出信号的动态范围很宽，输出信号与被测量呈现非线性关系。 在测量过程中混杂众多噪声信号，需要抑制噪声信号。 3.52常用的传感器接口电路 1)阻抗匹配器 1晶体管 射极输出器 h场效应管 直接安装于传感器内部，减少外界干扰 c运算放大器 较高的输人阳抗 2)电桥电路 主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或者电流信号。 直流电桥用于测电阻式传感器，交流电桥电容式传感器
触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 3.4.3 应用领域 在喷墨打印机里作为压电元件 在汽车里作为加速仪来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统 在轮胎里作为压力传感器，在医学上测量血压 数字微镜芯片 在计算机网络中充当光交换系统，这是一个与智能灰尘技术的融合 设计微机电系统最重要的工具是有限元分析。 3.5 传感器接口技术 传感器接口电路，是传感器和系统中其他功能部件之间的接口，其性能直接 影响到系统的测量精度和灵敏度。传感器接口电路的选择，是根据传感器的输出 信号特点及用途确定的。不同传感器具有不同的输出信号，就要求不同的接口电 路。传感器的接口电路形式多样功能千变万化。它可能是一个放大器，也可能是 一个信号转换电路。 3.5.1 传感器接口特点 1）输出信号比较弱，要求接口电路有一定放大能力； 2）输出阻抗比较高，产生较大的信号衰减； 3）输出信号的动态范围很宽，输出信号与被测量呈现非线性关系。 在测量过程中混杂众多噪声信号，需要抑制噪声信号。 3.5.2 常用的传感器接口电路 1）阻抗匹配器 a.晶体管 射极输出器 b.场效应管 直接安装于传感器内部，减少外界干扰 c.运算放大器 较高的输入阻抗 2）电桥电路 主要用来把传感器的电阻、电容、电感变化转换为电压或者电流信号。 直流电桥用于测电阻式传感器，交流电桥电容式传感器
图1单释惠通电桥 电桥平衡条件电桥输出为0，此时有Rx=R1/R2*R3。在应用过程中常出现误 差，需要用补偿法。 3.53传感器与散机接口的一般结构 在智能传感器系统中，微机是系统核心，需要将传感器信息送入微机进行处 理，微机也要对应控制相应的执行器。 日日日日8日日 传感罗与微机接口的一般结构 输入通道特点： 输入通道的结构类型取决于传感吞送来的信号大小和类型 主要指标是转换精度和实时性 可以是模拟、数字信号混合的电路，其功耗小，一般没有功率要求 被测型号存在电照干扰。必须采取措施 的出通道的特点 通道取决于系统要求，经常需要用到DA。 微机输出的信号的电平和功率都很低，需要接入功率放大，即驱动环节。 输出通道需要加入抗干扰措施
图 1 单臂惠斯通电桥 电桥平衡条件电桥输出为 0，此时有 Rx=R1/R2*R3。在应用过程中常出现误 差，需要用补偿法。 3.5.3 传感器与微机接口的一般结构 在智能传感器系统中，微机是系统核心，需要将传感器信息送入微机进行处 理，微机也要对应控制相应的执行器。 传感器与微机接口的一般结构 输入通道特点： 输入通道的结构类型取决于传感器送来的信号大小和类型 主要指标是转换精度和实时性 可以是模拟、数字信号混合的电路，其功耗小，一般没有功率要求 被测型号存在电磁干扰，必须采取措施 输出通道的特点 通道取决于系统要求，经常需要用到 DA。 微机输出的信号的电平和功率都很低，需要接入功率放大，即驱动环节。 输出通道需要加入抗干扰措施