物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)-感知技術(shù)(已修改)
2025-02-02 19:05 本頁面
【正文】 第 4 章 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) —— 感知 技術(shù) 學(xué)習(xí)任務(wù) Click to add title in here ① 感知技術(shù) ② 標識技術(shù) ③ 通信技術(shù) ④ 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ⑤ 網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) ⑥ 應(yīng)用服務(wù)技術(shù) ⑦ 安全與隱私技術(shù) ⑧ 硬件技術(shù) ⑨ 電源和能量存儲技術(shù) 感知技術(shù) ? 感知功能是構(gòu)建整個物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ) ? 感知功能的關(guān)鍵技術(shù)有：傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù) ? 傳感器技術(shù)：數(shù)據(jù)信息的采集 ? 信息處理技術(shù)：數(shù)據(jù)信息的加工處理 傳感器的組成和結(jié)構(gòu) 1. 傳感器的組成 ? 傳感器一般由 敏感元件 、 轉(zhuǎn)換元件 和 變換電路三部分組成，有時還加上輔助電源，其典型組成如下圖所示。 （ 1）敏感元件 ? 敏感元件（ Sensitive Element）直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。 （ 2）轉(zhuǎn)換元件 ? 轉(zhuǎn)換元件（ Transduction Element）是傳感器的核心元件，它以敏感元件的輸出為輸入，把感知的非電量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。轉(zhuǎn)換元件本身可作為一個獨立的傳感器使用。這樣的傳感器一般稱為元件傳感器。 ? 轉(zhuǎn)換元件也可不直接感受被測量，而是感受與被測量成確定關(guān)系的其它非電量，再把這一“其它非電量”轉(zhuǎn)換為電量。這時轉(zhuǎn)換元件本身不作為一個獨立的傳感器使用，而作為傳感器的一個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。 ? 而在傳感器中，尚需要一個非電量 (同類的或不同類的 )之間的轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。這一轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，需要由另外一些部件（敏感元件等）來完成，這樣的傳感器通常稱為結(jié)構(gòu)式傳感器。 （ 3）變換電路 ? 變換電路（ Transduction Circuit）將上述電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。 ? 實際上，有些傳感器很簡單，僅由一個敏感元件（兼作轉(zhuǎn)換元件）組成，它感受被測量時直接輸出電量，如熱電偶。 ? 有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，沒有轉(zhuǎn)換電路。 ? 有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換，較為復(fù)雜，大多數(shù)是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。 2. 傳感器的結(jié)構(gòu)形式 ? （ 1）選擇固定信號方式的傳感器直接結(jié)構(gòu) ? 固定信號方式是把被測量以外的變量固定或控制在某個定值上，以金屬導(dǎo)線的電阻為例，電阻是金屬的種類、純度、尺寸、溫度、應(yīng)力等的函數(shù)。 ? 如僅選擇根據(jù)溫度產(chǎn)生的變化作為信號時就可制成電阻溫度計； ? 如果選擇尺寸或應(yīng)力而變化作為信號時就可制成電阻應(yīng)變片。 ? 選擇固定的信號方式的傳感器采用直接結(jié)構(gòu)形式。這種傳感器是由一個獨立的傳感元件和其它環(huán)節(jié)構(gòu)成，直接將被測量轉(zhuǎn)換為所需輸出量。直接式傳感器的構(gòu)成方法 有以下幾種 。 ? 圖（ a） 是僅有傳感元件的最簡單的一種，如熱電偶和壓電元件； ? 圖（ b） 是使用電源提供輸出能量，如光敏晶體管； ? 圖（ c） 是利用磁鐵為傳感元件提供能量，如磁電式傳感器；而霍爾傳感器則是（ b）（ c）兩種情況的結(jié)合。 ? 圖（ d） 所示的傳感元件是阻抗元件，輸入信號改變其阻抗值，為得到具有能量的輸出信號，必須設(shè)計包括元件在內(nèi)的變換電路，如具有電橋電路的電阻應(yīng)變傳感器等。 （ 2）選擇補償信號方式的傳感器補償結(jié)構(gòu) ? 大多數(shù)情況下，傳感器特征要到周圍環(huán)境和內(nèi)部各種因素的影響，在這些影響下不能忽略時，必須采取一定措施，以消除這些影響。 補償式傳感器的構(gòu)成方法 （ 3）選擇差動式信號方式的傳感器差動結(jié)構(gòu) ? 使被測量反向?qū)ΨQ變化，影響量同向?qū)ΨQ變化，然后取其差，就能有效地將被測量選擇出來，這就是差動方式。 傳感器差動式結(jié)構(gòu) （ 4）選擇平均信號方式的傳感器平均結(jié)構(gòu) ? 平均信號方式來源于誤差分析理論中對隨機誤差的平均效應(yīng)和信號（數(shù)據(jù)）的平均處理，在傳感器結(jié)構(gòu)中，利用 n個相同的轉(zhuǎn)換元件同時感受被測量，則傳感器的輸出為各元件輸出之和，而隨機誤差則減小為單個元件的誤差。 ? 采用平均結(jié)構(gòu)的傳感器有光柵、磁柵、容柵、感應(yīng)同步器等，在具有差動作用的同時，具有明顯的平均效果。 （ 5）選擇平衡信號方式的傳感器閉環(huán)結(jié)構(gòu) ? 閉環(huán)傳感器采用控制理論和電子技術(shù)中的反饋技術(shù)，極大地提高了性能。同開環(huán)傳感器相比較，閉環(huán)傳感器在結(jié)構(gòu)上增加了一個由反向傳感器構(gòu)成的反饋環(huán)節(jié)，其原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。 傳感器技術(shù) ? 傳感器是各種信息處理系統(tǒng)獲取信息的一個重要途徑。在物聯(lián)網(wǎng)中傳感器的作用尤為突出，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的主要設(shè)備。 ? 傳感器的種類繁多，往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，因此傳感器有許多種分類方法。 傳感器技術(shù) 1．按被測量分類 : ? 被測量的類型主要有： ? ①機械量，如位移、力、速度、加速度等； ? ②熱工量，如溫度、熱量、流量（速）、壓力（差）、液位等； ? ③物性參量，如濃度、粘度、比重、酸堿度等； ? ④狀態(tài)參量，如裂紋、缺陷、泄露、磨損等。 傳感器技術(shù) 2．按測量原理分類 : ? 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、磁電式、光纖、激光、超聲波等傳感器。 ? 現(xiàn)有傳感器的測量原理都是基于物理、化學(xué)和生物等各種效應(yīng)和定律，這種分類方法便于從原理上認識輸入與輸出之間的變換關(guān)系，有利于專業(yè)人員從原理、設(shè)計及應(yīng)用上作歸納性的分析與研究。 傳感器技術(shù) 3．按信號變換特征分類 ? 1）結(jié)構(gòu)型：主要是通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號變換。例如，電容式傳感器依靠極板間距離的變化引起電容量的改變。 ? 2）物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來實現(xiàn)信號的變換。例如水銀溫度計是利用水銀熱脹冷縮現(xiàn)象測量溫度；壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)實現(xiàn)測量等。 傳感器技術(shù) 4．按能量關(guān)系分類 ? 1）能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作。如熱電偶、光電池等，這種類型傳感器又稱為有源傳感器。 ? 2）能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量
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