【正文】 緒 論 什么是傳感器 物聯(lián)網(wǎng)的概念 傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的地位和作用 一 什么是傳感器 ? ? 廣義的把傳感器歸納為一種能感受外界信息 (力、熱、聲光、電等等 )，并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成易處理的電信號(hào)的裝置。 臺(tái)式機(jī) 筆記本 手機(jī) 視頻采集器 音頻采集器 虛擬聽覺 水溫傳感器 虛擬感覺 土壤濕度傳感器 生產(chǎn)設(shè)備 辦公設(shè)備 “感” +“知” 物聯(lián)網(wǎng)的核心：傳感器 計(jì)算模式變革的十五年周期定律 ? 一個(gè)普遍接受的重要觀點(diǎn)：計(jì)算模式每隔 15年發(fā)生一次變革。人們把它稱為“ 十五年周期定律 ”，這一判斷就像摩爾定律一樣準(zhǔn)確。 ? 1965年以后是以 系統(tǒng)性 為特征的大型機(jī)時(shí)代。 ? 1980年以后是以 獨(dú)立性 為特征的個(gè)人機(jī)時(shí)代。 ? 1995年以后是以 共同性 為特征的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。 ? 2022年以后將以 擬人性 為特征的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。 物的感知? 信息的采集 物的識(shí)別? 信息的分類 物的聯(lián)系? 信息的傳遞 物的認(rèn)識(shí)? 信息的分析 傳感器 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) GPS RFID 各種網(wǎng)絡(luò)媒質(zhì) 移動(dòng)云計(jì)算、 智能信息處理、 海量數(shù)據(jù)分析 智能家居 智能公交 貨運(yùn)車載 二 傳感器的基本特性 ? 傳感器輸入和輸出的關(guān)系特性 靜態(tài)特性：被測量不隨時(shí)間變化（直流 ） 動(dòng)態(tài)特性：被測量隨時(shí)間變化 （交流） 靜態(tài)特性 ? 線性度 靜態(tài)特性 ? 遲滯 靜態(tài)特性 ? 重復(fù)性 靜態(tài)特性 ? 分辨率 動(dòng)態(tài)特性 ? 階躍響應(yīng) ? 階躍響應(yīng)特征參數(shù) 1. 時(shí)間常數(shù)： Y（ t）從 0%——63% 2. 上升時(shí)間： Y（ t）從 10%——90% 3. 響應(yīng)時(shí)間： Y（ t）從 0到穩(wěn)定 4. 振蕩次數(shù)： N 5. 穩(wěn)態(tài)誤差： Y（ ∞）和實(shí)際值差 ? N階 sensor系統(tǒng) 輸入信號(hào)：在線性時(shí)不變的物理系統(tǒng)內(nèi) , 對(duì)于復(fù)雜激勵(lì)的響應(yīng)可以通過組合其對(duì)不同頻率正弦信號(hào)的響應(yīng)來獲?。ā案道锶~級(jí)數(shù)展開”） sensor系統(tǒng)：提供傳遞函數(shù) H(s)，產(chǎn)生幅頻特性（濾波）和相頻特性（信號(hào)展寬） 輸出信號(hào)：可以看成不同輸入頻率信號(hào)的增益和相移后組合成的波形。 三 傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 ? 傳感器在控制系統(tǒng)的應(yīng)用 ? 傳感器在測量系統(tǒng)的應(yīng)用 第一章 溫度傳感器 溫度傳感種類 ? 溫度 電阻：熱電阻、熱敏電阻等 ? 溫度 電勢：熱電偶、 PN結(jié)式傳感器 ? 熱輻射：熱釋電探測器、紅外探測器 電阻型溫度傳感器 ? 利用感溫材料，把測量溫度變化轉(zhuǎn)為測量電阻變化。 金屬熱電阻式（熱電阻） 半導(dǎo)體熱電阻式（熱敏電阻） 金屬熱電阻 ? a要高。純金屬 合金 ? ，化學(xué)物理性能穩(wěn)定 ? ? ? 。如鉑，銅，鐵，鎳 熱敏電阻 ? 熱敏電阻是用某種金屬氧化物為基體原料，加入一些添加劑，采用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的電阻器。 ? 電阻溫度系數(shù)比金屬大很多。 正溫度系數(shù) PTC 負(fù)溫度系數(shù) NTC 臨界溫度系數(shù) CTR ? 三類熱敏電阻 溫度特性曲線 PTC 熱敏電阻 ? 電阻溫度特性曲線 突變型 RT=R0exp(AT) 緩變型 RT=A+BT NTC 熱敏電阻 ? lnRT～ 1/T 關(guān)系 曲線 CTR 熱敏電阻 ? 負(fù)溫臨界熱敏電阻 在某一溫度附近電 阻值發(fā)生突變，在 狹小的溫度范圍， 阻值隨溫度增加降 低 34個(gè)數(shù)量級(jí)。 半導(dǎo)體熱電阻 ? 半導(dǎo)體材料的電阻率對(duì)溫度變化非常敏感，利用其電阻率隨溫度變化的特性可以實(shí)現(xiàn)溫度傳感。 ? 半導(dǎo)體材料電阻率決定于載流子濃度和遷移率。 ? 遷移率與溫度關(guān)系： 半導(dǎo)體載流子遷移率與載流子在電場作用下的散射機(jī)理有關(guān)。 主要散射機(jī)構(gòu)為： 聲波散射遷移率（晶格振動(dòng)） 電離雜質(zhì)遷移率 ? 電阻率與溫度關(guān)系： 本征半導(dǎo)體：本征載流子濃度決定 雜質(zhì)半導(dǎo)體：載流子濃度和遷移率決定 熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 ? 零功率電阻 在某一溫度下測量熱敏電阻值時(shí) ,加在熱敏電阻上的功耗極低 , 低到因其功耗引起的熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計(jì) . ? 額定零功率電阻 R25 額定零功率電阻指環(huán)境溫度 25℃ 條件下測得的零功率電阻值 熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 ? 溫度系數(shù) α 熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導(dǎo)致的電阻的相對(duì)變化 .溫度系數(shù)越大，反應(yīng)越靈敏 ? 最大電流 Imax 最大電流是指熱敏電阻最高的電流承受能力 .超過最大電流時(shí)熱敏電阻將會(huì)失效。 熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 ? 居里溫度 Tc 對(duì)于熱敏電阻的應(yīng)用來說 ,電阻值開始陡峭地增高時(shí)的溫度是重要的 ,我們將其定義為居里溫度 . ? 動(dòng)作電流 Ik 流過熱敏電阻的電流 ,足以使熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度 ,這樣的電流稱為動(dòng)作電流 . 熱敏電阻專業(yè)術(shù)語 ? 最大工作電壓 Vmax 最大工作電壓是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下 ,允許持續(xù)地保持在熱敏電阻上最高的電壓 .對(duì)同一類型而言 ,環(huán)境溫度越高 ,最大工作電壓值越低 ? 額定電壓 VN 額定電壓是在最大工作電壓 Vmax以下的供電電壓 .通常 Vmax = VN + 15% 電阻式溫度傳感器應(yīng)用 ? 流量檢測 電阻式溫度傳感器應(yīng)用 ? 過熱保護(hù) 電阻式溫度傳感器應(yīng)用 ? 自動(dòng)延時(shí) 電阻式溫度傳感器應(yīng)用 ? 恒溫箱控制 熱電偶 ? 利用兩種不同金屬連接在一起，當(dāng)結(jié)點(diǎn)處溫度變化時(shí)，另兩端產(chǎn)生電勢變化的原理制成的傳感器為熱電偶 熱電效應(yīng) ? 1823年賽貝克發(fā)現(xiàn)，把兩種不同的金屬組合閉合回路，且使其兩觸點(diǎn)處溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為賽貝克效應(yīng)，也稱熱電效應(yīng)。 ? 帕爾帖效應(yīng) 湯姆遜效應(yīng) 帕爾帖效應(yīng) ? 同溫度的兩種不同 金屬相互接觸，由于 金屬內(nèi)自由電子密度 不同，在接觸面附近 產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定電勢叫 帕爾帖電勢。 湯姆遜效應(yīng) ? 一均勻介質(zhì)棒兩端溫度不同，導(dǎo)體的高、低溫端有溫度梯度，高溫端自由電子有較高動(dòng)能向低溫端擴(kuò)散，形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的產(chǎn)生又使電子由低溫端向高溫端漂移，當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，兩端的電勢差叫湯姆遜電勢。 ? 參考端 T0=0 時(shí)， 溫度與熱電勢關(guān)系 EA：鎳鉻 鎳銅 EU：鎳鉻 鎳硅 LB： 鉑銠 鉑 熱電偶的基本定律 ? 均質(zhì)導(dǎo)體定律： 兩種均質(zhì)金屬組成的熱電偶的電勢大小與熱電極的直徑、長度及長度方向上的溫度分布無關(guān)，與材料和溫度有關(guān)。 如果材料不均勻，將會(huì)產(chǎn)生無法估量的附加電勢差。 ? 標(biāo)準(zhǔn)電極定律 兩種金屬組成 熱電偶電勢可以用 它們分別與第三種 金屬組成熱電偶電 勢差來表示。 工程上常以鉑、銅 為標(biāo)準(zhǔn)電勢。 ? 中間導(dǎo)體定律 在熱電偶參考端接 入第三種均勻?qū)w 只要保證其兩端溫 度大小，則不影響 原來的回路熱電勢 值。 ? 中間溫度定律 熱電偶接點(diǎn)溫度 T\T0，其熱電勢 等于熱電偶接點(diǎn) 溫度為 T\Tn和 Tn\T0相應(yīng)電熱勢 的代數(shù)和。 熱電偶的材料 ? 在測量范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕。 ? 熱電勢足夠大，且熱電勢溫度最好是線性或簡單函數(shù)關(guān)系，測量精度高，誤差小。 ? 電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高。 ? 材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，易加工。 熱電偶種類 ? 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鉑銠 鉑：高溫精密測量，中性介質(zhì)測量 鎳鉻 鎳硅、鎳鉻 鎳鋁、鎳鉻 考銅： 熱電勢大，但測溫范圍小 ? 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鐵 康銅、鎢 錸系、銥 銠系：特殊用途，復(fù)制性差。 熱電偶結(jié)構(gòu) ? 電極直徑 ? 長度按實(shí)際情況定 ? 電極之間用耐高溫絕緣材料 熱電偶的實(shí)用電路 ? 單點(diǎn)溫度測量 熱電偶的實(shí)用電路 ? 兩點(diǎn)溫差測量 熱電偶的實(shí)用電路 ? 串聯(lián)求和測量 熱電偶的實(shí)用電路 ? 并聯(lián)求平均溫度 半導(dǎo)體 PN結(jié)溫度傳感器 ? 半導(dǎo)體材料器件的性能參數(shù)，如電阻率、pn結(jié)的反向漏電流和正向電壓等都與溫度有密切的關(guān)系，利用它們對(duì)溫度的敏感性制成半導(dǎo)體溫度敏感器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量和補(bǔ)償功能。 二極管溫度傳感器 ? 利用二極管 pn結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系 硅二極管，溫度每 升高 1度，正向電壓 下降約 2mV 三極管溫度傳感器 ? 三極管集電極電流 Ic恒定，發(fā)射結(jié)上正向電壓 Vbe隨溫度上升而線性下降。 集成溫度傳感器 ? 集成溫度傳感器是將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一個(gè)芯片上的溫度傳感器，輸出結(jié)果與絕對(duì)溫度成正比，是理想的線性輸出 ? 集成溫度傳感器常采用對(duì)管差分電路設(shè)計(jì)。 PTAT原理電路 ? Proportional To Absolute Temperat