无线传感器网络技术及应用 ppt课件
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无线传感器网络技术原理及应用ppt课件第10章
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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10.3 网关的特点与功能
网关是一种不同的网络协议相互转换的设备，但是在 设计无线传感器网络网关时，必须要考虑传感器网络的特 点，所以在设计无线传感器网络网关时，必须考虑其特殊 的特点和功能。本节将介绍广义网关和无线传感器网络网 关的特点和功能。
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10.3.1 网关的特点 广义上的网关有以下两个特点： 连接不同协议的网络。在一个大型的计算机网络中，
当类型不同而协议又差别很大时，可以利用网关实现多个 物理上或逻辑上独立的网络间的连接。由于协议转换的复 杂性，一般只进行一对一的转换或者少数集中应用协议的 转换。
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图10- 1 专用网关示意图
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图10-4 局域网与外部数据转换
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无线传感器网络原理及应用第4章定位技术ppt课件
(
x1
(
x1
x)2 x)2
( y1
(y2
y)2 y)2
ρ12 ρ22
(xn x)2 ( yn y)2 ρn2
(4-3)
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
X(ATA)1ATb
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1.2 定位算法分类 在传感器网络中，根据定位过程中是否测量实际节点间
的距离，把定位算法分为基于距离的(range-based)定位算法 和与距离无关的(range-free)定位算法，前者需要测量相邻节 点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未 知节点的位置；后者无需测量节点间的绝对距离或方位，而 是利用节点间估计的距离计算节点位置。
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
第4章 定位技术
4.1 定位技术简介
4.1.1 定位技术的概念、常见算法和分类 1. 无线传感器网络定位技术概念 在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身
标为(x，y)。对于节点A、C和∠ADC，确定圆心为O1(xO1， yO1)、半径为r1的圆，，则
(xO1 x1)2 (yO1 y1)2 r1
(xO1 x2)2 (yO1 y2)2
r1
(x1
x3)2
(y1
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络技术原理及应用第6章ppt课件
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3. MC1322X系列 MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公 司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗 2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密 度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连 接和完整的Zigbee网状网络。 MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、 ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵 敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常 用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用 GPIO、4个定时器、I2C等)。
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2) 时钟和电源管理 数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外， CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不 同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。 3) 外设 CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设 计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、 两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、 ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限 于CC2531)。
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6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由 硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片 及Zigbee协议栈。
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第2章
8表21频段划分及主要用途频段符号频率波段波长传播特性主要用途甚低频vlf330khz超长波10010km空间波为主对潜通信低频lf30300khz长波101km地波为主对潜通信中频mf033mhz中波1000100m地波与天波通用业务无线电广播高频hf330mhz短波10010m天波与地波远距离短波通信甚高频vhf30300mhz米波101m空间波空间飞行器通信超高频uhf033ghz分米波101m空间波微波通信特高频shf330ghz厘米波101cm空间波卫星通信极高频ehf30300ghz毫米波101mm空间波波导通信9无线传感器网络在频段的选择上也必须按照相关的规定来使用
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
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2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
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2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
无线传感器网络体系结构PPT课件
1.传感器节点 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点
第2章 无线传感器网络体系结构
.
6
2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配 层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础 软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中) 的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构 (支持应用业务的开发与实现)。
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层 传输层 网络层 数据链路层
安
Qos
路由
全 机
制
信道接入
拓扑生成
无线电
.
红外线
能
源
管
理
网
络
管
拓
理
扑
管
理
光波
9
无线传感网络结构
• 一、单跳网络
• 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。
. 传感器节点
感知现场 1
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络管理技术
相对应地，按照控制管理结构进行分类，无线传感器网 络管理系统的架构可分为以下三种：
(1) 集中式架构。Sink节点(汇聚节点)作为管理者，收集 所有节点信息并控制整个网络。
(2) 分布式架构。即在无线传感器网络中有多个管理者， 每个管理者控制一个子网，并与其他管理者直接通信，协同 工作以完成管理功能。
无线传感器网络管理技术
(3) 由于资源限制以及与应用环境的密切相关性，无线 传感器网络表现为动态网络，最为明显的就是网络拓扑变化 频繁，能量耗尽或者人为因素可以导致节点停止工作，同时 无线信道受环境影响很大，这些都让网络拓扑不断发生变化， 这些变化使得网络故障在无线传感器网络中是一种常态，这 在传统网络中是不可想象的。因此，无线传感器网络管理系 统应能及时收集并分析网络状态，并根据分析结果对网络资 源进行相应的协调和整合，从而保证网络的性能。
无线传感器网络管理技术
以上特征说明，无线传感器网络管理系统要根据网络的 变化动态调整当前运行参数的配置以优化性能；监视自身各 组成部分的状态，调整工作流程来实现系统预设的目标；具 备自我故障发现和恢复重建的功能，即使系统的一部分出现 故障，也不影响整个网络运行的连续性。
无线传感器网络管理技术
7.1.2 无线传感器网络管理系统设计要求 按照以上所述，在无线传感器网络管理系统的设计中，
无线传感器网络管理技术
集中式网络管理结构指的是网络的管理依赖于少量的中 心控制管理站点，这些管理站点负责收集网络中所有节点的 信息，并控制整个网络。集中式管理结构的优点是实现难度 较低。但是，它要求管理站点具有很强的处理能力。因此， 在大规模和动态网络中，管理站点往往成为网络性能和管理 的瓶颈，收集管理站点数据的开销很大，而且当管理站点出 现故障或者网络出现分裂时，网络就会完全或者部分失去控 制管理能力。此外，集中式管理结构中，“管理智能”只能 在管理站点中，网络中的绝大部分设备在出现问题时只能等 待管理站点的指示，而不能实现网络节点间通过局部直接协 商达到自适应调整的功能。
(1) 集中式架构。Sink节点(汇聚节点)作为管理者，收集 所有节点信息并控制整个网络。
(2) 分布式架构。即在无线传感器网络中有多个管理者， 每个管理者控制一个子网，并与其他管理者直接通信，协同 工作以完成管理功能。
无线传感器网络管理技术
(3) 由于资源限制以及与应用环境的密切相关性，无线 传感器网络表现为动态网络，最为明显的就是网络拓扑变化 频繁，能量耗尽或者人为因素可以导致节点停止工作，同时 无线信道受环境影响很大，这些都让网络拓扑不断发生变化， 这些变化使得网络故障在无线传感器网络中是一种常态，这 在传统网络中是不可想象的。因此，无线传感器网络管理系 统应能及时收集并分析网络状态，并根据分析结果对网络资 源进行相应的协调和整合，从而保证网络的性能。
无线传感器网络管理技术
以上特征说明，无线传感器网络管理系统要根据网络的 变化动态调整当前运行参数的配置以优化性能；监视自身各 组成部分的状态，调整工作流程来实现系统预设的目标；具 备自我故障发现和恢复重建的功能，即使系统的一部分出现 故障，也不影响整个网络运行的连续性。
无线传感器网络管理技术
7.1.2 无线传感器网络管理系统设计要求 按照以上所述，在无线传感器网络管理系统的设计中，
无线传感器网络管理技术
集中式网络管理结构指的是网络的管理依赖于少量的中 心控制管理站点，这些管理站点负责收集网络中所有节点的 信息，并控制整个网络。集中式管理结构的优点是实现难度 较低。但是，它要求管理站点具有很强的处理能力。因此， 在大规模和动态网络中，管理站点往往成为网络性能和管理 的瓶颈，收集管理站点数据的开销很大，而且当管理站点出 现故障或者网络出现分裂时，网络就会完全或者部分失去控 制管理能力。此外，集中式管理结构中，“管理智能”只能 在管理站点中，网络中的绝大部分设备在出现问题时只能等 待管理站点的指示，而不能实现网络节点间通过局部直接协 商达到自适应调整的功能。
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第5章
信的数据量，减少能量消耗。
应用层数据融合示例如图5-5所示。
38
图5-5 应用层数据融合示例
39 图中，假设汇聚节点要查询房间101～104中湿度值大
1
第5章 服务支撑技术
5.1 时间同步技术
5.2 数据融合技术
5.3 定位技术 5.4 网络安全技术 5.5 容错设计技术 5.6 服务质量保证
小结
2 本章目标
理解时间同步技术。
掌握数据融合技术。 理解定位技术。
了解网络安全应用技术。
了解容错设计技术。 了解服务质量保证问题。
3 学习导航
4
5.1 时间同步技术
时间同步技术作为无线传感器网络的基础技术之一， 不仅是无线传感器网络中各种应用正常运行的必要条件，
并且其同步精度直接决定了其他服务的质量。本节主要介
绍无线传感器网络时间同步的基本概念、方法、协议和应 用。
5 5.1.1 概述
时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分
布式系统提供一个统一时间标度的过程。在集中式系统中， 由于所有进程或者模块都可以从系统唯一的全局时钟中获
无线传感器网络是一种新的分布式系统。节点之间相
互独立并以无线方式通信，每个节点维护一个本地计时器， 计时信号一般由晶体振荡器提供。由于晶体振荡器制造工
艺的差别，并且其在运行过程中易受到电压、温度以及晶
体老化等多种外在因素的影响，每个晶振的频率很难保持 一致性，必须对其进行时间同步操作。
7 目前，无线传感器网络时间同步需要重点解决以下三个方
定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易
转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的 精度。
32 4. 协作传输要求
无线传感器网络技术与应用课件
35
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
48
2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
49
入侵检测框架
50
国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
39
3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
40
四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
5
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
1、基于距离的定位
基于距离的定位机制（range-based）是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位进行定位的。分为三个阶段
1）测距阶段。首先未知节点通过测量接收到信标节点发出 信号的某些参数，如强度、到达时间、达到角度等，计算 出未知节点到信标节点之间的距离，这个测量出来的距离 可能是未知节点到信标节点的直线距离，也可能是二者之 间的近似直线距离。
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2、入侵检测技术 入侵检测可以被定义为识别出正在发生的入侵 企图或已经发生的入侵活动过程 分类 基于误用的检测 基于异常的检测 基于规范的检测
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入侵检测框架
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国内和国际有多项标准与无线传感器网络具有关联 性，其中明确提出其研究对象为无线传感器网络标 准的组织包括国内WGSN标准工作组和国际ISO/IEC JTC1 WG7工作组
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3、查询处理技术 动态数据查询：数据仅在一个小的时间窗内有效 历史数据查询：对检测到的历史数据进行检测、 分析走势等，此类查询通常认为每个数据都是同 等重要的，是不可缺少的
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四、目标跟踪技术 目标跟踪是指为了维持对目标当前状态的估计， 同时也是对传感器接收的量测进行处理的过程 基本原理：当有目标进入监测区域时，由于目标 的辐射特性（通常是红外辐射特征）、声传播特 征和目标运动过程中产生的地面震动特征，传感 器会探测到相应的信号
3
二、无线传感器网络的应用领域 军事 农业 医疗 建筑工程与建筑物 智能建筑与市政建设管理
4
三、无线传感器网络的特点 体积小、电源能力有限 计算和存储能力有限 分布式、多跳自组织 通信半径小、带宽低 动态性强 以数据为中心
5
四、无线传感器网络的关键技术 网络拓扑控制 网络协议 时间同步 定位技术 数据管理 网络安全
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11
第3章 传感器及检测技术
(1) 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系 曲线偏离拟合直线的程度。
其定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间 的最大偏差值与满量程输出值之比。
(2) 灵敏度：是传感器静态特性的一个重要指标。其定 义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。通 常用S表示灵敏度。
6
第3章 传感器及检测技术
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作可以归纳为下 述三个方向：
(1) 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后 使它们能在传感器技术中得到实际使用。
(2) 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应 来改进传感器技术。
(3) 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反 应，并在传感器技术中加以具体实施。
5
第3章 传感器及检测技术
4．按传感器的材料分类 在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有 特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即 那些具有功能特性的材料，将被用来制作传感器的敏感元件。 从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： (1) 按材料的类别分类：金属聚合物和陶瓷混合物。 (2) 按材料的物理性质分类：导体、半导体、绝缘体和 磁性材料。 (3) 按材料的晶体结构分类：单晶、多晶和非晶材料。
4
第3章 传感器及检测技术
3．按传感器的输出信号标准分类 传感器按照其输出信号的标准可分为以下几种： (1) 模拟传感器：将被测电学量转换成数字输出 信号(包括直接和间接转换)。 (3) 膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号 或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 (4) 开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的 阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材 料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导 体以及介质材料的应用密切关联的。
7
第3章 传感器及检测技术
5．按传感器的制造工艺分类 传感器按照其制造工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、 厚膜传感器和陶瓷传感器。 (1) 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的 工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电 路也集成在同一芯片上。 (2) 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的相 应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分 电路制造在此基板上。
第3章 传感器及检测技术
第3章 传感器及检测技术
3.1 传感器 3.2 检测技术基础 3.3 典型传感器简介 3.4 智能检测系统
1
第3章 传感器及检测技术
3.1 传 感 器
3.1.1 传感器概述 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外
界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)， 并将探知的信息传递给其他装置或器官。
10
第3章 传感器及检测技术
3.1.3 传感器的性能指标 1．传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输
出量与输入量之间所具有的相互关系。因为这时输入量和输 出量都和时间无关，所以它们之间的关系即传感器的静态特 性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标， 把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表 征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、迟滞、重 复性、漂移等。
8
第3章 传感器及检测技术
(3) 厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片 上制成的，基片通常是用Al2O3制成的，然后进行热处理， 使厚膜成形。
(4) 陶瓷传感器是采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工 艺(溶胶-凝胶等)生产的。完成适当的预备性操作之后，已成 形的元件在高温中进行烧结。
厚膜传感器和陶瓷传感器这两种工艺之间有许多共同特 性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变形。
(3) 迟滞：指传感器在输入量由小到大(正行程)及输入 量由大到小(反行程)变化期间其输入、输出特性曲线不重合 的现象。对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程输 出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
3
第3章 传感器及检测技术
3.1.2 传感器的分类 往往同一被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同
一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种 分类方法。下面介绍常见的传感器分类方法。
1．按传感器的用途分类 传感器按照其用途可分为力敏传感器、位置传感器、液 面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线 辐射传感器、热敏传感器和24 GHz雷达传感器等。 2．按传感器的原理分类 传感器按照其原理可分为振动传感器、湿敏传感器、磁 敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。
每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发 和生产所需的资本投入较低以及传感器参数的高稳定性等原 因，采用陶瓷传感器和厚膜传感器比较合理。
9
第3章 传感器及检测技术
6．按传感器的测量目的不同分类 传感器根据测量目的不同可分为物理型传感器、化学型 传感器和生物型传感器。 (1) 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发 生明显变化的特性制成的。 (2) 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等 化学量转化成电学量的敏感元件制成的。 (3) 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做 成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能 将检测感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形 式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记 录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2
第3章 传感器及检测技术
关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送 器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近年来已逐渐 趋向统一，大都使用“传感器”这一名称了。从字面上可以 作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息， 并传送出去。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转 换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器 (Transducer)”来称呼“传感器(Sensor)”。
第3章 传感器及检测技术
(1) 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系 曲线偏离拟合直线的程度。
其定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间 的最大偏差值与满量程输出值之比。
(2) 灵敏度：是传感器静态特性的一个重要指标。其定 义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。通 常用S表示灵敏度。
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第3章 传感器及检测技术
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作可以归纳为下 述三个方向：
(1) 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后 使它们能在传感器技术中得到实际使用。
(2) 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应 来改进传感器技术。
(3) 在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反 应，并在传感器技术中加以具体实施。
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第3章 传感器及检测技术
4．按传感器的材料分类 在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有 特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即 那些具有功能特性的材料，将被用来制作传感器的敏感元件。 从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： (1) 按材料的类别分类：金属聚合物和陶瓷混合物。 (2) 按材料的物理性质分类：导体、半导体、绝缘体和 磁性材料。 (3) 按材料的晶体结构分类：单晶、多晶和非晶材料。
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第3章 传感器及检测技术
3．按传感器的输出信号标准分类 传感器按照其输出信号的标准可分为以下几种： (1) 模拟传感器：将被测电学量转换成数字输出 信号(包括直接和间接转换)。 (3) 膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号 或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。 (4) 开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的 阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材 料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导 体以及介质材料的应用密切关联的。
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第3章 传感器及检测技术
5．按传感器的制造工艺分类 传感器按照其制造工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、 厚膜传感器和陶瓷传感器。 (1) 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的 工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电 路也集成在同一芯片上。 (2) 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的相 应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分 电路制造在此基板上。
第3章 传感器及检测技术
第3章 传感器及检测技术
3.1 传感器 3.2 检测技术基础 3.3 典型传感器简介 3.4 智能检测系统
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第3章 传感器及检测技术
3.1 传 感 器
3.1.1 传感器概述 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外
界的信号、物理条件(如光、热、湿度)或化学组成(如烟雾)， 并将探知的信息传递给其他装置或器官。
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第3章 传感器及检测技术
3.1.3 传感器的性能指标 1．传感器静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输
出量与输入量之间所具有的相互关系。因为这时输入量和输 出量都和时间无关，所以它们之间的关系即传感器的静态特 性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标， 把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表 征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、迟滞、重 复性、漂移等。
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第3章 传感器及检测技术
(3) 厚膜传感器是利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片 上制成的，基片通常是用Al2O3制成的，然后进行热处理， 使厚膜成形。
(4) 陶瓷传感器是采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工 艺(溶胶-凝胶等)生产的。完成适当的预备性操作之后，已成 形的元件在高温中进行烧结。
厚膜传感器和陶瓷传感器这两种工艺之间有许多共同特 性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变形。
(3) 迟滞：指传感器在输入量由小到大(正行程)及输入 量由大到小(反行程)变化期间其输入、输出特性曲线不重合 的现象。对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程输 出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。
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第3章 传感器及检测技术
3.1.2 传感器的分类 往往同一被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同
一原理的传感器又可测量多种物理量，因此传感器有许多种 分类方法。下面介绍常见的传感器分类方法。
1．按传感器的用途分类 传感器按照其用途可分为力敏传感器、位置传感器、液 面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线 辐射传感器、热敏传感器和24 GHz雷达传感器等。 2．按传感器的原理分类 传感器按照其原理可分为振动传感器、湿敏传感器、磁 敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。
每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发 和生产所需的资本投入较低以及传感器参数的高稳定性等原 因，采用陶瓷传感器和厚膜传感器比较合理。
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第3章 传感器及检测技术
6．按传感器的测量目的不同分类 传感器根据测量目的不同可分为物理型传感器、化学型 传感器和生物型传感器。 (1) 物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发 生明显变化的特性制成的。 (2) 化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等 化学量转化成电学量的敏感元件制成的。 (3) 生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做 成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能 将检测感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形 式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记 录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
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第3章 传感器及检测技术
关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送 器、变送器等，它们的内涵相同或相似，所以近年来已逐渐 趋向统一，大都使用“传感器”这一名称了。从字面上可以 作如下解释：传感器的功用是一感二传，即感受被测信息， 并传送出去。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转 换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器 (Transducer)”来称呼“传感器(Sensor)”。