1、陕西省计算机网络重点实验室陕西省计算机网络重点实验室西安交通大学网络技术与工程研究所西安交通大学网络技术与工程研究所2013.22013.2桂小林桂小林 主编主编21世纪高等学校规划教材第一章第一章 绪绪 论论1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念1.3 1.3 物联网的应用物联网的应用1.4 1.4 本章小结本章小结1.2 1.2 物联网的起源与发展物联网的起源与发展1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念 1.1.1 1.1.1 物联网的定义物联网的定义 定义：定义：物联网是通过使用射频识别（物联网是通过使用射频识别（Radio Frequency Radio Frequency Ide
2、ntificationIdentification，RFIDRFID）、传感器、红外感应器、全球）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。络。1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念 1.1.2 1.1.2 物联网的特征物联网的特征u全面感知全面感知u可靠传递可靠传递u智能处理智能处理 1.1.3 1.1.3 “物物
3、”的含义的含义1.1 1.1 物联网的概念物联网的概念 1.1.4 1.1.4 物联网概念辨析物联网概念辨析u EPC EPC系统系统u 信息物理系统信息物理系统u 传感器网络传感器网络u M2M M2M技术技术1.2 1.2 物联网的起源与发展物联网的起源与发展 1.2.1 1.2.1 物联网的起源物联网的起源u 国际发展现状国际发展现状u 国内发展现状国内发展现状 1.2.2 1.2.2 物联网的发展物联网的发展u 物联网发展面临的问题物联网发展面临的问题1.3 1.3 物联网的应用物联网的应用u 智能交通智能交通u 智能物流智能物流u 环境监测环境监测u 智能电网智能电网u 医疗健康医疗
4、健康u 智能家居智能家居1.4 1.4 小结小结第二章第二章 物联网体系结构物联网体系结构2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术2.4 2.4 已有物联网相关应用架构已有物联网相关应用架构2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构2.5 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制2.6 2.6 本章小结本章小结2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.1.1 2.1.1 意义和功能意义和功能 物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为
5、上层应用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享以及决策的辅助分析等。图 物联网2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.1.1 2.1.1 意义和功能意义和功能u 无线传感网无线传感网无线传感器网络的相关技术可以作为物联网开发的基础u 互联网互联网互联网连接的是虚拟世界，而物联网则是实现物理世界的互联互通2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.1.1 2.1.1 意义和功能意义和功能图 物联网的三层结构u 异构屏蔽性异构屏蔽性u 互联互通互联互通u 安全性安全性2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概
6、述 2.1.2 2.1.2 设计原则设计原则u 以以“用户为中心用户为中心”u 时空性时空性u 互联互通互联互通u 开放性开放性u 可管理性可管理性u 安全性安全性u 鲁棒性鲁棒性2.1 2.1 物联网体系结构物联网体系结构 2.1.1 2.1.1 组成模块组成模块图 USN结构2.1 2.1 物联网体系结构物联网体系结构 2.1.1 2.1.1 组成模块组成模块图 物联网体系结构2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.1 2.2.1 组成模块组成模块u 感知控制层感知控制层u 数据传输层数据传输层u 数据的动态组织与管理层数据的动态组织与管理层u 应用决策层应用决策层 数据的实
7、时采集数据的实时采集 信息的有效传递信息的有效传递 信息的智能化处理信息的智能化处理2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.2 2.2.2 感知控制层感知控制层u 传感技术传感技术 传感器是将能感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。u 标识技术标识技术标识技术是通过RFID、条形码等设备所感知到的目标外在特征信息 来证实和判断目标本质的技术来。u 定位技术定位技术定位技术是测量目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息的技术，它利用信息化手段来得知某一用户或者物体的具体位置。2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构
8、 2.2.2 2.2.2 感知控制层感知控制层图 定位技术2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.3 2.2.3 数据传输层数据传输层图 数据传输技术u 短距离通信技术短距离通信技术u 广域网通信技术广域网通信技术2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.3 2.2.3 数据的动态组织与管理数据的动态组织与管理图 云计算架构2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.4 2.2.4 数据的动态组织与管理数据的动态组织与管理u 智能计算技术智能计算技术u 海量数据的存储海量数据的存储u 服务计算服务计算2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.5
9、2.2.5 应用决策应用决策u 监控型应用监控型应用图 基于RFID的物流跟踪2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.5 2.2.5 应用决策应用决策u 控制型应用控制型应用图 智能交通2.2 2.2 物联网体系结构物联网体系结构 2.2.5 2.2.5 应用决策应用决策u 扫描型应用扫描型应用图 手机钱包2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术图 物联网关键技术2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术 2.3.1 2.3.1 感知标识技术感知标识技术图 感知设备2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术 2.3.1 2.3.1 感知标识技术感知标识技术u 传感器传感器
10、u 无线传感网无线传感网u 标识技术标识技术u 定位技术定位技术2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术 2.3.2 2.3.2 网络与通信技术网络与通信技术u 接入网技术接入网技术u 通信技术通信技术u 三网融合技术三网融合技术2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术 2.3.3 2.3.3 云计算技术云计算技术u PaaSu IaaSu SaaS2.3 2.3 物联网关键技术物联网关键技术 2.3.4 2.3.4 安全技术安全技术 从安全技术角度来看，相关技术包括以确保使用者身份安全为核心的认证技术，确保安全传输的密钥建立及分发机制，以及确保数据自身安全的数据加密、数据安全协议等数
11、据安全技术。因此，在物联网安全领域，数据安全协议、密钥建立及分发机制、数据加密算法设计以及认证技术是关键的部分。2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.1 2.4.1 无线传感网无线传感网图 WSN2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.1 2.4.1 无线传感网无线传感网图 WSN体系结构2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.2 EPC/UID 2.4.2 EPC/UID图 EPC的组成2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.2 EPC/UID 2.4.2 EPC/UID图 EPC2.4 2.4 已有架构已有架构 2.4.3 CPS 2.4.3 CPS图 CPS2.4 2.4 已有
12、架构已有架构 2.4.4 M2M 2.4.4 M2M图 M2M2.5 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制 2.5.12.5.1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 u 自动控制的概念及应用自动控制的概念及应用u 反馈控制原理反馈控制原理u反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成u自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的程序运行。自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 反馈反馈把取出
13、输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。反馈控制反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。反馈控制也称闭环控制。测量元件测量元件：检测被控制的物理量，并将其转换为电量。给定元件给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。比较元件比较元件：把测量元件检测的被控
14、量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件校正元件：也叫补偿元件补偿元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。方式：按偏差进行控制。特点：减小或消除这个偏差作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产 生影响的能力，有较高的控制精度。问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计 麻烦。方式：是指控制装置与被控对象之间只有顺向作 用而没有反向联系的控制过程。特点：是系统的输出量不会对系统的控制作用发 生影响。设计简单。作用：可以按给
15、定量控制，也可以按扰动控制。缺点：按扰动控制方式只适合扰动可测的场合， 且一个补偿能力单一。方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易被设计，控制效果也会更好。比较容易被设计，控制效果也会更好。2.5 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制2.5.2 2.5.2 物联网系统的控制
16、论解析物联网系统的控制论解析2.5.32.5.3物联网的控制特性物联网的控制特性2.5.42.5.4控制理论在物联网中的应用前景控制理论在物联网中的应用前景物联网中的“感、智、控”分别构成了物联网控制系统的测量、比较、执行等三大部件，这三大部件又在“联”这种网络平台上得以相互作用，形成了“控制系统”，最终实现了“控”的目的。联联鲁棒性鲁棒性保安性保安性可信性可信性时延性时延性物联网的控制系统一定是一个计算机参与的离散控制系统，将离散控制理论的分析方法引入物联网系统的分析、研究和设计过程中，能够使这一过程更加科学、合理，对系统的各种性能将有一个更准确的判断，同时也便于进行仿真分析。第三章第三章
17、传感器技术传感器技术3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.3 3.3 传感器技术原理传感器技术原理3.4 3.4 常见传感器介绍常见传感器介绍3.2 3.2 传感器分类传感器分类3.5 3.5 本章小结本章小结3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.1 3.1.1 传感器的功能传感器的功能 u 物理世界的物理世界的“感觉器官感觉器官”u 从狭义角度来看，传感器是一种将测量信号转换从狭义角度来看，传感器是一种将测量信号转换 成电信号的变换器成电信号的变换器u 从广义角度来看，传感器是指在电子检测控制设从广义角度来看，传感器是指在电子检测控制设 备输入部分中起检测信号作用的器件备输入部分
18、中起检测信号作用的器件3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.1 3.1.1 传感器的功能传感器的功能 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.2 3.1.2 传感器的特性传感器的特性 u 线性度线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度2012nny aax axa xmaxLFS100%LY 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.2 3.1.2 传感器的特性传感器的特性 u 灵敏度灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量的增量x之比。用S表示灵敏度，即：ySx3.1 3.1 传感器概述传感器概
19、述 3.1.2 3.1.2 传感器的特性传感器的特性 u 迟滞迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出/输入特性曲线不重合的现象称为迟滞maxHFS100%HY3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.2 3.1.2 传感器的特性传感器的特性 u 重复性重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度(2 3)100%RFSY 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 u 微型化微型化u 智能化智能化u 多样化多样化u 网络化网络化u 集成化集成化u 新型材料新型材料u 高精
20、度、高可靠高精度、高可靠3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.3 3.1.3 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 3.1 3.1 传感器概述传感器概述 3.1.3 3.1.3 传感器的应用领域传感器的应用领域 u 工业检测和自动化控制系统工业检测和自动化控制系统u 智能家居智能家居u 环境保护环境保护u 医疗医疗u 航空航天航空航天u 智能机器人智能机器人3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类 3.2.1 3.2.1 根据测试对象根据测试对象u 温度传感器温度传感器u 湿度传感器湿度传感器u 压力传感器压力传感器u 位移传感器位移传感器u 加速度传感器加速度传感器3.2 3.2 传感器
21、的分类传感器的分类 3.2.2 3.2.2 根据原理根据原理u 电学式传感器电学式传感器u 磁性式传感器磁性式传感器u 电势型传感器电势型传感器u 光电式传感器光电式传感器u 电荷传感器电荷传感器u 半导体传感器半导体传感器u 谐振式传感器谐振式传感器u 电化学式传感器电化学式传感器3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类 3.2.3 3.2.3 根据输出信号根据输出信号u 模拟式传感器模拟式传感器u 数字式式传感器数字式式传感器3.2 3.2 传感器的分类传感器的分类 3.2.4 3.2.4 根据能量根据能量u 有源传感器有源传感器u 无源传感器无源传感器3.2 3.2 传感器的分类传感器的
22、分类传感器分类转换原理传感器名称典型应用转换形式中间参量电参数电阻移动电位器角点改变电阻电位器传感器位移改变电阻丝或片尺寸电阻丝应变传感器、半导体应变传感器微应变、力、负荷利用电阻的温度效应热丝传感器气流速度、液体流量电阻温度传感器温度、辐射热热敏电阻传感器温度电容改变电容的几何尺寸电容传感器力、压力、负荷、位移改变电容的介电常数液位、厚度、含水量电感改变磁路几何尺寸、导磁体位置电感传感器位移涡流去磁效应涡流传感器位移、厚度、含水量利用压磁效应压磁传感器力、压力改变互感差动变压器位移自整角机旋转变压器频率改变谐振回路中的固有参数振弦式传感器压力、力振筒式传感器气压石英谐振传感器力、温度等计数利
23、用莫尔条纹光栅大角位移、大直线位移改变互感感应同步器利用拾磁信号磁栅数字利用数字编号角度编码器大角位移电能量电动势温差电动势热电偶温度、电流霍尔效应霍尔传感器磁通、电流电磁感应磁电传感器速度、加速度光电效应光电池光照度电荷辐射电离电离室离子计数、放射性强度压电效应压电传感器动态力、加速度3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.1 3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.1 3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器lRSdRdldsdRls12SdRdKR3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.
24、1 3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器u 应变片电阻值应变片电阻值u 绝缘电阻绝缘电阻u 应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 u 机械滞后机械滞后 u 零漂和蠕变零漂和蠕变 u 极限极限 u 横向效应横向效应 3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.1 3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器自感传感器的基本工作原理演示自感传感器的基本工作原理演示 气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小 A1 l1 L W 1线圈 2定铁芯 3 衔铁(动铁芯) A2
25、 l2 3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器mRNL2线圈自感线圈自感线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻3.3 3.3 传感器的技术原理传感器的技术原理 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器mRNL2线圈自感线圈自感线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻70对于变隙式传感器对于变隙式传感器, , 因为气隙因为气隙很小很小, , 所以可以认为气隙中的磁场是均匀所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损的。若忽略磁路磁损, , 则磁路总磁阻：则磁路总磁阻：02imiiLRSS式中：式中： L Li i 各段导磁体的长度
26、；各段导磁体的长度； i i各段导磁体的导磁率；各段导磁体的导磁率； S Si i 铁芯材料的截面积；铁芯材料的截面积； 气隙的厚度；气隙的厚度；0 0 空气的导磁率；空气的导磁率；S S 空气隙的截面积；空气隙的截面积；R R空气气隙空气气隙RR导磁体导磁体忽略导磁体磁阻忽略导磁体磁阻 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器自感传感器分为三种类型：自感传感器分为三种类型：02imiiLRSS202SNL a a）变间隙式变间隙式b）S变面积式变面积式c）螺管式）螺管式磁路磁磁路磁阻随着阻随着衔铁插衔铁插入深度入深度不同而不同而变化变化 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感
27、器72差动变压器式传感器差动变压器式传感器 差动变压器式传感器是把差动变压器式传感器是把被测位移量被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的转换为一次线圈与二次线圈间的互互感量感量M M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。圈采用差动接法，故称为差动变压器。n结构特点：结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。两个二次线圈反向串联，组成差
28、动输出形式。二次线圈二次线圈二次线圈二次线圈一次线圈一次线圈铁心铁心 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器73工作原理工作原理 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器74电涡流式传感器电涡流式传感器1 1、电涡流形成：高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生的高、电涡流形成：高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场在金属表面上产生电涡流。频电磁场在金属表面上产生电涡流。线圈通入交变电流线圈通入交变电流I I，在线圈的周围产生交变的磁场，在线圈的周围产生交变的磁场H H1 1位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流位于该磁场中的金属导体上
29、产生感应电动势并形成涡流涡流也产生相应的磁场涡流也产生相应的磁场H H2 2，H H2 2与与H H1 1方向相反方向相反H H2 2的作用的作用引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器75 根据法拉第电磁感应原理根据法拉第电磁感应原理, , 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时中作切割磁力线运动时, , 导体内将产生呈涡旋状的感应电流导体内将产生呈涡旋状的感应电流, , 此电流叫电此电流叫电涡流涡流, , 以上现象称为电涡流效应。以上现象称为电
30、涡流效应。 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器76电涡流使通电线圈的等效阻抗发生变化，线圈等效阻抗的变化反映了电涡流使通电线圈的等效阻抗发生变化，线圈等效阻抗的变化反映了金属导体的涡流效应。金属导体的涡流效应。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。换成电压或电流变化。电涡流传感器根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测电涡流传感器根据这一原理实现对金属物体的
31、位移、振动等参数的测量。量。),(xfIrfZZ:Z:高频涡流传感器线圈阻抗高频涡流传感器线圈阻抗 :电导率电导率:导磁率导磁率 r r：线圈半径等几何尺寸：线圈半径等几何尺寸I:I:线圈电流线圈电流 f:f:频率频率 x:x:距离距离 3.3.2 3.3.2 电感式传感器电感式传感器 电容传感器是将被测量转换成电容量的测量装置，它与电阻传感器和电感传感器相比，具有如下优点： 测量范围大，C/C 可达100%； 灵敏度高，相对变化量可达10-7； 动态响应时间短，可动部分质量小，固有频 率高； 结构简单、适应性强。 3.3.3 3.3.3 电容式传感器电容式传感器工作原理法拉FdSdSCr0电
32、容量C 的变化决定于参数S、d 和，因而有三种基本类型的电容传感器。d S ：介质介电常数介质介电常数 r极板间介质的相对介电常数极板间介质的相对介电常数 0真空的介电常数真空的介电常数 =8.8510-12F/m S ：极板面积极板面积 d ：极板间距离极板间距离 3.3.3 3.3.3 电容式传感器电容式传感器电容微位移计变极板间距离（d）型极板1固定不动的极板2沿间隙方向平行位移S1定极定极板板2动极动极板板SSCr0电容：极板间介质介电常数：极板间介质介电常数 0：真空介电常数：真空介电常数 r ：极板间介质相对介电常数：极板间介质相对介电常数 ：极板间距离：极板间距离 S ：极板面积
33、：极板面积 3.3.3 3.3.3 电容式传感器电容式传感器0000000000rrrSSSddCCCCdddddddd 000011CdddCddd 3.3.3 3.3.3 电容式传感器电容式传感器电容变化分析：v非线性误差随着d0的减小而增大v为了保证一定的线性度，应限制动极板的位移量。通常规定测量范围 X改变电容量的大小常用来检测容器中液位的高度或片状电介质厚度电容液位计 3.3.3 3.3.3 电容式传感器电容式传感器 3.3.3 3.3.3 电容式传感器电容式传感器电容变化分析：010 000rL bc 10212000()rrLLLcccb20000(1)rLcccccL压电效应压
34、电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。态。压电材料受力变形，在表面产生电荷压电材料受力变形，在表面产生电荷正压电效应正压电效应 压电材料通电压，材料变形压电材料通电压，材料变形逆压电效应逆压电效应 压电材料压电材料压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷 3.3.4 3.3.4 压电式传感器压电式传感器石英的晶体结构为六方晶体系，化学石英的晶体结
35、构为六方晶体系，化学式为式为SiO2。 定义：定义：x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。轴压电效应最强。称为电轴。 y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。形最大，称为机械轴。z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。：无压电效应，中心轴，也称光轴。 3.3.4 3.3.4 压电式传感器压电式传感器压电晶体压电晶体压电晶体与压电陶瓷的比较：压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电
36、陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。 Fdq33 3.3.4 3.3.4 压电式传感器压电式传感器压电陶瓷压电陶瓷 如果线圈是如果线圈是N匝，磁场强度是匝，磁场强度是B，每匝线圈的平均长度，每匝线圈的平均长度la， 线圈相对磁场运动的速度为线圈相对磁场运动的速度为=dx/dt， 则整个线圈中所产生的电动势为：则整个线圈中所产生的电动势为： 3.3.5 3.3.5 磁电式传感器磁电式传感器ddENt 恒通式磁电传感器原理恒通式磁电传感器原理图 恒通式磁电传感器原理图 3.3.5 3.3.5 磁电式传感器
37、磁电式传感器恒通式磁电传感器原理恒通式磁电传感器原理 3.3.5 3.3.5 磁电式传感器磁电式传感器ddxENBlt 式中：N为线圈在工作气隙磁场中的匝数；B为工作气隙磁感应强度；l为每匝线圈平均长度。变通式磁电传感器原理变通式磁电传感器原理图 变通式磁电传感器原理图 3.3.5 3.3.5 磁电式传感器磁电式传感器/ 60fZn霍尔传感器霍尔传感器 3.3.5 3.3.5 磁电式传感器磁电式传感器图 霍尔效应 在一块导体的两侧面ab通以电流，在导体的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场方向的另外两侧面cd上将产生电势，这种现象称为霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势。3.4
38、 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.1 3.4.1 温度传感器温度传感器u 按测量方法分类按测量方法分类3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.1 3.4.1 温度传感器温度传感器u 按材料分类按材料分类图 热电偶传感器图 热电阻传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.2 3.4.2 温敏传感器温敏传感器u 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻图 氯化锂湿敏电阻3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.2 3.4.2 温敏传感器温敏传感器u 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻图 半导体陶瓷湿敏电阻3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.3 3.4.3 光电式传感器光电
39、式传感器u 工作原理工作原理3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.3 3.4.3 光电式传感器光电式传感器u 光电效应光电效应 光电效应是指一束光线照射到物质上时，物质中的电子吸收了光子的能量而发生了相应的电效应的现象。根据光电效应现象的不同特征，可将光电效应分为三类。l 外光电效应：在光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象。如光电 管、光电倍增管 等。l 内光电效应：在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象。如光 敏电阻等。l 光生伏特效应：在光线照射下，使物体产生一定方向的电动势的现象。 如光敏二极管、光敏三极管、光电池等。 光电倍增管还是光电倍增管 器？名词统一为好3.4 3.
40、4 常见传感器常见传感器 3.4.3 3.4.3 光电式传感器光电式传感器u 光电器件光电器件3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.3 3.4.3 光电式传感器光电式传感器u 光纤式光电传感器光纤式光电传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.3 3.4.3 光电式传感器光电式传感器u CCDCCD图像传感器图像传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.4 3.4.4 气敏传感器气敏传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.5 3.4.5 压力传感器压力传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.6 3.4.6 加速度传感器加速度传感器3.4 3.
41、4 常见传感器常见传感器 3.4.7 3.4.7 智能传感器智能传感器图 智能传感器构成图3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.7 3.4.7 智能传感器智能传感器图 模块式智能传感器u 模块式智能传感器模块式智能传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.7 3.4.7 智能传感器智能传感器图 混合式智能传感器u 混合式智能传感器混合式智能传感器3.4 3.4 常见传感器常见传感器 3.4.7 3.4.7 智能传感器智能传感器l 自校准功能l 自补偿功能l 自诊断功能l 数据处理功能l 双向通信功能l 信息存储和记忆功能l 数字信号输出功能3.5 3.5 本章小结本章小结 本
42、章首先详细介绍了传感器的基本概念、相关特性和发展趋势；其次，根据传感器的工作原理将传感器分为应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器和磁电式传感器等，并对这些传统传感器的工作原理、技术特点等进行了介绍；最后，介绍了目前和我们日常工作密切相关的一些常见的传感器，例如用来测量温度、湿度、光照度等的传感器，分别介绍了传感器的工作原理、分类标准以及在相关领域的应用。通过这些内容的介绍，旨在使读者对传感器技术原理和应用特点有进一步的了解。第四章第四章 标识与定位技术标识与定位技术4.1 4.1 条形码技术条形码技术4.3 4.3 定位技术定位技术4.4 4.4 本章小结本章小结4.2 RF
43、ID4.2 RFID技术技术4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术 条形码 (bar code，简称条码)技术是集条码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术于一体的一种自动识别技术。 条形码也叫条码。它是一种以光电扫描识读的信息图形标识符。u 条码条码图 条码的组成4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术u 字符集字符集 字符集是指某种码制的条形码符号可以表示的字母、数字和符号的集合。如EAN/UPC条形码只能表示09共10个数字。u 编码方式编码方式 代码 符号码4.1 4.1
44、条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术u 常见的一维条形码常见的一维条形码版本应用对象格式UPC-A通用商品SXXXXX XXXXXCUPC-B医药卫生SXXXXX XXXXXCUPC-C产业部门XSXXXXX XXXXXCXUPC-D仓库批发SXXXXX XXXXXCXXUPC-E商品短码XXXXXX注：S系统码 X资料码 C检查码图 UPC4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术u 常见的一维条形码常见的一维条形码图 UPC-A4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一
45、维条形码技术u 常见的一维条形码常见的一维条形码图 UPC-E4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术u 常见的一维条形码常见的一维条形码图 EAN4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.1 4.1.1 一维条形码技术一维条形码技术u 常见的一维条形码常见的一维条形码图 ISSN4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.2 4.1.2 二维条形码技术二维条形码技术图 二维码的分类4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.2 4.1.2 二维条形码技术二维条形码技术u 信息容量大信息容量大u 编码范围广编码范围广u 纠错能力强纠错能
46、力强u 可加密可加密u 寿命长、易打印、成本低寿命长、易打印、成本低u 识读方便识读方便4.1 4.1 条形码技术条形码技术 4.1.3 4.1.3 三维条形码技术三维条形码技术u 128码码u 93码码2.1 2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述 2.1.1 2.1.1 意义和功能意义和功能u 无线传感网无线传感网无线传感器网络的相关技术可以作为物联网开发的基础u 互联网互联网互联网连接的是虚拟世界，而物联网则是实现物理世界的互联互通4.2 RFID4.2 RFID技术技术u 快速扫描快速扫描u 体积小、多样化体积小、多样化u 抗污染、耐久性好抗污染、耐久性好u 可重复使用可重复使用
47、u 可穿透可穿透u 容量大容量大u 安全性高安全性高4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类 RFID技术是无线电广播技术和雷达技术的结合。无线电广播技术是一种使用无线电波发射、传播和接收语音、图像、数字、符号的技术，而雷达技术是一种应用无线电波的反射理论的技术。图 RFID4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类RFID系统包含射频标签(Tag)、读写器(Reader)和数据管理系统组成图 RFID的组成u RFID的组成的组成4.2 RFID4.2 RFI
48、D技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类ISO/IEC、EPC global、Ubiquitous ID Center、AIM global和IP-Xu RFID的分类的分类u RFID的标准的标准 工作频率标签读写方式藕合原理4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.1 RFID 4.2.1 RFID的概念及分类的概念及分类u RFID的关键问题的关键问题 标准成本技术安全4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术u RFID标签标签图 低频标签图 高频标签4.2 RFID4.2 RF
49、ID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术u RFID标签标签图 标签分类工作频率协议读写距离受方向影响芯片价格数据传输率普及率125kHzISO11784/11785ISO18000-2无一般慢大量使用13.56MHzISO/IEC14443无一般较慢大量使用ISO/IEC15693单向全向无低较快大量使用860930MHzISO/IEC18000-6一般一般读快写慢大量使用2.45GHzISO/IEC18001-3一般较高较快使用较少5.8GHzISO/IEC18001-5以上一般较高较快使用一般4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFI
50、D 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术u RFID阅读器阅读器图 RFID阅读器4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术u RFID阅读器阅读器图 RFID模拟部分的发送与接受4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术u 天线技术天线技术图 RFID天线分类4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2 RFID 4.2.2 RFID的核心技术的核心技术u RFID中间键中间键图 RFID中间键的三层模型4.2 RFID4.2 RFID技术技术 4.2.2
