第4章 传感器技术与应用

4.1传感器技术

4.1.1传感器技术概述

现代信息技术的三大基础是信息的拾取、信息的传输和信息的处理，即传感器技术、通信技术和计算机技术，它们构成了当今信息社会的三大支柱，是信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器技术位于信息技术之首，是信息技术之源，是获取信息的前端基础。现实世界传感器几乎无处不在，自动路灯、烟雾报警、自动开合的大门、汽车自动避障、电子秤、智能手机的触控、指纹感应、横竖屏自动转换、电子罗盘等等，无一不是传感器的精妙之作。

传感器（Sensor）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。国际电工委员会（IEC:International Electrotechnical Commission）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。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）”来称谓“传感器”。。我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义是：“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号，例如光电传感器是将光的强弱变为大小变化的电信号，不同的传感器转为电信号的方式不同。

传感器技术几乎涉及现代的所有科学技术，传感器不同，其工作原理也各异，它所涉及的物理学、化学、生物学以及电工电子技术、机械制造技术、化学化工技术、生物技术等多方面知识，内容范围广而又各自独立。传感器的制造涉及集成技术、薄膜技术、超导技术、纳米加工技术等诸多高新技术，因此，传感器的制造工艺难度很大，技术要求很高。同时传感器又具有良好的功能扩展性和适应性，它具有人的“五官“功能，又能检测人的五官不能感觉到的信息，同时能在人类无法忍受的高温、高压及核辐射等恶劣环境下工作。

4.1.2传感器系统的基本特性

传感器系统的基本特性是指系统的输出与输入关系特性，即系统输出信号Y(t)与输入（被测物理量）信号z(t)之间的关系。一个传感器的输入对输出的影响被称为传感系数或灵敏度（sensitivity）。例如，一个水银温度计，每当温度上升1°C时，水银柱上升1cm，则这个水银温度计的传感系数为1 cm/°C。当一个传感器的输入和输出完全成线性关系的时候，这个传感器就是一个理想传感器。同时，理想传感器还应该遵守以下原则：只受被测因素的影响，不受其他因素的影响，传感器本身不会影响被测因素。

根据输入信号z(t）是随时间变化的还是不随时间变化，传感器的基本特性分为静态特性和动态特性。传感器的静态特性主要指标有线性度、迟滞、重复性、灵敏度与灵敏度误差、分辨率与阈值、稳定性、温度稳定性、多种抗干扰能力、静态误差。 常用拟合方法：理论拟合、过零旋转拟合、端点拟合、端的平移拟合、最小二乘法拟合。传感器的动态响应特性一般并不能直接给出其微分方程，而是通过实验给出传感器与阶跃响应曲线和幅频特性曲线上的某些特征值来表示仪器的动态响应特性。

传感器系统的基本特性是系统对外呈现出的外部特性，但这类特性由其自身的内部参数决定。不同的传感器具有不同的内部参数，其基本特性也表现出不同的特点，对测量结果的影响也各不相同。一个高精度的传感器，必须具有良好的静态特性和动态特性，这样才能完成信号无失真的转换。

4.1.3传感器的分类

由于被测参量种类繁多，其工作原理和使用条件又各不相同，因此传感器的种类和规格十分繁杂，分类方法也很多。常采用的分类方法如下：　

按工作原理分类：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器、阻抗式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、谐振式传感器、霍尔式传感器、超声式传感器、同位素式传感器、电化学式传感器、微波式传感器等。

按应用分类：压力传感器、温湿度传感器、温度传感器、PH传感器、流量传感器、液位传感器、超声波传感器、浸水传感器、照度传感器、差压变送器、加速度传感器、位移传感器、称重传感器、测距传感器等。

按材料分类：金属、陶瓷、有机高分子材料、半导体传感器等。

按功能用途分类：计测用、监视用、检查用、诊断用、控制用、分析用传感器等。

其中典型的传感器有：

1．MEMS传感器

MEMS即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System），是MEMS传感器在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

2．温度传感器

顾名思义，就是测量温度的传感器。温度传感器的种类很多，经常使用的有热电阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场所选用合适的产品。测温原理：根据电阻阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律的变化的原理，我们可以得到所需要测量的温度值。

3．压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

4．霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法，通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。

5．加速度传感器

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的，另一种就是线加速度计。

6．超声波传感器

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波，它具有频率高、波长短、绕射现象小、特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

4.1.4传感器技术的发展

早在上世纪七十年代中期，各国便已经认识到了传感器的重要性。对于传感器市场，各国也是积极布局，注重人才的培养，发布了相关的优惠政策，以每年远超20%的增长速度推动了整个传感器市场的发展，早在2003年传感器就被列为新世纪最具影响的十大技术之一。事实上，全球从事研发制造传感器的企业有6500多家，所生产的传感器约有2.6万余种，而且随着市场的不断变化，未来传感器的种类将会越发繁多。

机遇与挑战总是并存，随着电子器件的集成化发展，对于传感器的要求也逐步提高，为了适应市场需求，传感器开始从单一性能向微型化、数字化以及智能化等方向发展。传感器未来技术方展方向：

（1）MEMS工艺和新一代固态传感器微结构制造工艺：深反应离子刻蚀(DRIE)工艺或IGP工艺；封装工艺：如常温键合倒装焊接、无应力微薄结构封装、多芯片组装工艺。

（2）集成工艺和多变量复合传感器微结构集成制造工艺；工业控制用多变量复合传感器。

（3）智能化技术与智能传感器信号有线或无线探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯、自诊断等智能化技术；智能多变量传感器、智能电量传感器和各种智能传感器、变送器。

（4）网络化技术和网络化传感器，使传感器具有工业化标准接口和协议功能。

近年来，国内传感器行业也得到了飞速发展。据最新年报预计，2017年仅中国传感器市场份额将达2070亿元，而且涨势未停。据业者估计，未来五年全球将迎来传感器增长的高峰期。

4.2无线传感器网络

4.2.1无线传感器网络概述

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络的基本元素是传感器节点。“智能尘埃(Mote)”是用于描述传感器节点的另一个术语，最初是由加州大学伯克利分校及其合作伙伴Crossbow和英特尔等厂商提出的，每个Mote含有一个微型处理器（通常是低功耗MCU）、无线通讯芯片、各种传感器、足够的内存和硬件能力，能够以较低的功耗执行监视与控制任务。

WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。这些传感器相互连接的方式类似于无线笔记本电脑、台式机和PDA与互联网连接的方式，它们只需极少功率，同时随着其价格在未来几年的不断降低，相关应用将可以得到进一步推广。它们如同种子一样遍布每个角落，彼此互通，可在环境监视和信息收集过程中发挥重要作用。象任何有感觉能力的生物体一样，WSN最依赖的是来自物理世界的传感数据，传感数据来自分布在各处的传感器，不同形态的传感器处于灵活的网络架构（通常称为“网状网络”）之中，以无线方式发射/接收信号。只要邻近的mote距离不超过100米，就不需要有线方式连接网络。在一个工厂中，数百个mote形成一个类似蜘蛛网的网状传感器网络，实际上具有无数个可以双向传送信息的路径。WSN具有多级冗余、自组网和自愈能力，意即如果有任意一个或多个Mote失效，剩余的许多Mote将重新形成一个新的通讯网络。当这个或多个Mote重新正常工作时，它将自动被融入先前的网络中。这种特性也为用户提供了随时添加或减少传感器网络中Mote数目的功能（不需要设置网络结构和路由）。

4.2.2无线传感器网络的安全

WSN是一种大规模的分布式网络，常部署于无人维护、条件恶劣的环境当中。另外，大多数传感器网络在进行部署前，其网络拓扑是无法预知的，部署后整个网络拓扑、传感节点在网络中的角色也是经常变化的，因而不像有线网、大部分无线网络那样对网络设备进行完全配置，对传感节点进行预配置的范围是有限的，很多网络参数、密钥等都是传感节点在部署后进行协商后形成的。因此，无线传感器网络易于遭受传感节点的物理操纵、传感信息的窃听、拒绝服务攻击、私有信息的泄露等多种威胁和攻击。

安全是系统可用的前提，需要在保证通信安全的前提下，降低系统开销，研究可行的安全算法。由于无线传感器网络受到的安全威胁和移动ad hoc网络不同，所以现有的网络安全机制无法应用于本领域，需要开发专门协议。在此领域也出现了大量的研究成果，如无线传感器网络中的两种专用安全协议：安全网络加密协议SNEP ( Sensor Network Encryption Protocol)和基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议μTESLA。SNEP的功能是提供节点到接收机之间数据的鉴权、加密、刷新，μTESLA的功能是对广播数据的鉴权。

4.2.3无线传感器网络的发展

由于监控物理环境的重要性从来没有像今天这么突出，无线传感器网络已被视为环境监测、建筑监测、公用事业、工业控制、家庭、船舶和运输系统自动化中的下一个发展方向。 尽管WSN为业界提供了巨大的想象空间，但由于节点成本、功耗和体积等关键问题一直没有很好解决，过去很多年来，WSN一直限于科研机构和实验室。目前无线传感器网络市场仍处于发展的初期阶段，多项技术和标准仍在争夺主导地位，而这种分散状态妨碍了该市场的增长。许多WSN设备使用IEEE 802.15.4芯片。在网络连接层面，为了进入住宅应用，ZigBee协议在与Zensys的Z-Wave和SmartLabs的INSTEON进行竞争。WSN将在许多场所找到用武之地，利用它可以实现对一切的控制，从家庭照明一直到工厂自动化。应用于住宅的产品最先出现，因为这些应用比较简单，交货期较短，测试与可靠性要求也不太高。

不过，随着微电机系统(MEMS)、低功耗无线通讯协议(Zigbee)和数字电路设计的飞速发展，上述这些难点正在被解决，无线传感器网络可以告诉你发动机什么时候需要维护，监视建筑物或森林以预防火灾，或警告使用微型传感器节点地区的水坝是否出现坍塌迹象等。例如，在一个新建居住综合楼现场，其中一个租用的拖拉机发生了调协问题，导致引擎振动失常，不规律振动表明引擎出现了故障，最终会导致工作无法正常进行。通过采用公司部署在现场的无线传感器技术，传感器能够提前检测出不规则问题，并通过电子邮件告知给公司技术人员。不久，技术人员就会到达现场，在问题恶化之前加以修复，甚至客户都不会发现需要进行调整。

4.2.4无线多媒体传感器网络

无线多媒体传感器网络（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks）是在传统WSN的基础上引入视频、音频、图像等多媒体信息感知功能的新型传感器网络。它是在无线传感器网络中加入了一些能够采集更加丰富的视频、音频、图像等信息的传感器节点，由这些不同的节点组成了具有存储计算和通信能力的分布式传感器网络。从而在医疗监护、交通监控、智能家居等实际应用中帮助我们获取视频、音频、图像等多媒体信息。

4.3传感器应用实例

传感器可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。生活中常见的传感器应用有：空调的控温：利用半导体等的电阻随温度变化来达到温控目的；自动门：利用人体的红外微波来开关门；烟雾报警器：利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的；电子称：将压力施加于电阻体上，使其电阻值发生变化，从而达到测量重量的目的；光控灯：利用的是半导体的光导效应或光生伏特效应，光生伏特效应是通过光照射，将半导体PN结处产生的电压或电流作为输出加以检测这些效应都是利用了光的量子性质；还有水位报警、温度报警、湿度报警、光学报警等都属于传感器应用。

以智能手机为例，它不仅仅是个通话的工具，还支持那么多的娱乐应用，归根结底在于它里面集成的各类传感器，主要有重力感应器、加速度传感器、陀螺仪、电子罗盘和光线距离感应器等等。

1．重力感应器

重力感应器算出现比较早的手机传感器，现在大多数主流智能机都装有这个配置。很多游戏都运用到重力感应器，比如极品飞车系列、现代战争系列等等，它们带给用户新鲜的体验。何谓重力感应技术呢？简单来说它是基于压电效应，通过测量内部一片重物重力正交两个方向分力的数值，这样判别水平方向。一般手机系统默认重力感应的中心为水平放置。但是在应用中，用户在娱乐时难以做到让手机永远保持水平姿势。所以，用户也可以自己选择设置持握状态下的中心。但是如果手机只装配了重力感应器的话，那它最多只能感应倾斜90度，如果再加上三轴加速度传感器，那就扩展到360度了。

2．三轴加速度传感器

三轴加速度传感器是手机中另一个非常重要的传感器，可以根据重力感应产生的加速度来推算出手机相对于水平面的倾斜度，所以有时人们把它与重力感应器相混淆。下面说下它们之间的不同点。第一，MEMS三轴加速度传感器可以感知内容有重力、手机的静态姿态以及运动方向等。第二，装有加速度传感器的手机屏幕会随着角度的不同智能旋转，手机中甩歌功能、微信中摇一摇都是利用它实现的。此外，游戏中也经常需要用到它，赛车中的漂移触发就是来源于此。

3．电子罗盘

电子罗盘可以用来感知方位，这在无GPS信号或网络状态不好的时候很有用处。它是通过地球磁场来进行分辨的，紧急情况下可以当作指南针使用，感知东南西北的方向。

4．三轴陀螺仪

最早，陀螺仪大多应用于直升飞机中，以保持飞机姿态，体积也比较大。有了MEMS技术之后，把它的体积变小很多，可以集成到手机里面，价格也降低很多。它是利用角动量守恒原理，可以判别物体在空间中的相对位置、方向、角度和水平的变化。启用陀螺仪之后，需要不断转动身体进行操作，这也给用户带来一种实战的感觉。有些战争游戏就是靠陀螺仪来进行瞄准射击的。

5．光线距离感应器

光线距离感应器是利用光线传感器进行实现的，通过识别外界光线的强弱让屏幕亮度自动调节。距离感应器也叫做位移传感器，它是通过感应传感器到用户间的距离变化来实现操作。通常它位于听筒附近，当我们在接听或拨打电话的时候，距离感应器通过测量耳朵与听筒之间的距离，让屏幕显示的自动开启和关闭，达到节约电池电量及防止误操作的目的。