物联网关键技术感知技术.pptx

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1、4.1 感知技术感知技术感知功能是构建整个物联网的基础感知功能的关键技术有：传感器技术、信息处理技术传感器技术：数据信息的采集信息处理技术：数据信息的加工处理第1页/共88页4.1.1 传感器的组成和结构传感器的组成和结构1.传感器的组成传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和变换电路三部分组成，有时还加上辅助电源，其典型组成如下图所示。第2页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构（1）敏感元件）敏感元件敏感元件（敏感元件（Sensitive Element）直接感受）直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。物理量

2、的元件。（2）转换元件）转换元件转换元件（转换元件（Transduction Element）是传）是传感器的核心元件，它以敏感元件的输出为输感器的核心元件，它以敏感元件的输出为输入，把感知的非电量转换为电信号输出。转入，把感知的非电量转换为电信号输出。转换元件本身可作为一个独立的传感器使用。换元件本身可作为一个独立的传感器使用。这样的传感器一般称为元件传感器。这样的传感器一般称为元件传感器。第3页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被测量成确定关系的其它非电量，再把这一测量成确定关系的其它非

3、电量，再把这一“其它其它非电量非电量”转换为电量。这时转换元件本身不作为转换为电量。这时转换元件本身不作为一个独立的传感器使用，而作为传感器的一个转一个独立的传感器使用，而作为传感器的一个转换环节。换环节。而在传感器中，尚需要一个非电量而在传感器中，尚需要一个非电量(同类的或不同同类的或不同类的类的)之间的转化环节。这一转换环节，需要由另之间的转化环节。这一转换环节，需要由另外一些部件（敏感元件等）来完成，这样的传感外一些部件（敏感元件等）来完成，这样的传感器通常称为结构式传感器。器通常称为结构式传感器。第4页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构（3）变换电路）变换电路变换

4、电路（变换电路（Transduction Circuit）将上述电路）将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。参数接入转换电路，便可转换成电量输出。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换，较为复杂，大多数是开环系统，也有些是转换，较为复杂

5、，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。带反馈的闭环系统。第5页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构2.传感器的结构形式传感器的结构形式（1）选择固定信号方式的传感器直接结构）选择固定信号方式的传感器直接结构固定信号方式是把被测量以外的变量固定或控制固定信号方式是把被测量以外的变量固定或控制在某个定值上，以金属导线的电阻为例，电阻是在某个定值上，以金属导线的电阻为例，电阻是金属的种类、纯度、尺寸、温度、应力等的函数。金属的种类、纯度、尺寸、温度、应力等的函数。如仅选择根据温度产生的变化作为信号时就可制如仅选择根据温度产生的变化作为信号时就可制成电阻温度计；成电阻温度计

6、；如果选择尺寸或应力而变化作为信号时就可制成如果选择尺寸或应力而变化作为信号时就可制成电阻应变片。电阻应变片。第6页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形式。这种传感器是由一个独立的传感元件和其式。这种传感器是由一个独立的传感元件和其它环节构成，直接将被测量转换为所需输出量。它环节构成，直接将被测量转换为所需输出量。直接式传感器的构成方法直接式传感器的构成方法有以下几种有以下几种。第7页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构图（图（a）是仅有传感元件的最简单的一种，如热电是仅有传

7、感元件的最简单的一种，如热电偶和压电元件；偶和压电元件；图（图（b）是使用电源提供输出能量，如光敏晶体管；是使用电源提供输出能量，如光敏晶体管；第8页/共88页图（图（c）是利用磁铁为传感元件提供能量，如磁是利用磁铁为传感元件提供能量，如磁电式传感器；而霍尔传感器则是（电式传感器；而霍尔传感器则是（b）（）（c）两）两种情况的结合。种情况的结合。图（图（d）所示的传感元件是阻抗元件，输入信号所示的传感元件是阻抗元件，输入信号改变其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，改变其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，必须设计包括元件在内的变换电路，如具有电必须设计包括元件在内的变换电路，如具有电桥电路的电阻

8、应变传感器等。桥电路的电阻应变传感器等。第9页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构（2）选择补偿信号方式的传感器补偿结构）选择补偿信号方式的传感器补偿结构大多数情况下，传感器特征要到周围环境和大多数情况下，传感器特征要到周围环境和内部各种因素的影响，在这些影响下不能忽内部各种因素的影响，在这些影响下不能忽略时，必须采取一定措施，以消除这些影响。略时，必须采取一定措施，以消除这些影响。补偿式传感器的构成方法补偿式传感器的构成方法 第10页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构（3）选择差动式信号方式的传感器差动结构）选择差动式信号方式的传感器差动结构使被测量

9、反向对称变化，影响量同向对称变化，使被测量反向对称变化，影响量同向对称变化，然后取其差，就能有效地将被测量选择出来，这然后取其差，就能有效地将被测量选择出来，这就是差动方式。就是差动方式。传感器差动式结构 第11页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构（4）选择平均信号方式的传感器平均结构）选择平均信号方式的传感器平均结构平均信号方式来源于误差分析理论中对随机误差平均信号方式来源于误差分析理论中对随机误差的平均效应和信号（数据）的平均处理，在传感的平均效应和信号（数据）的平均处理，在传感器结构中，利用器结构中，利用n个相同的转换元件同时感受被个相同的转换元件同时感受被测量，则

10、传感器的输出为各元件输出之和，而随测量，则传感器的输出为各元件输出之和，而随机误差则减小为单个元件的误差。机误差则减小为单个元件的误差。采用平均结构的传感器有光栅、磁栅、容栅、感采用平均结构的传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器等，在具有差动作用的同时，具有明显应同步器等，在具有差动作用的同时，具有明显的平均效果。的平均效果。第12页/共88页4.1.1传感器的组成和结构传感器的组成和结构（5）选择平衡信号方式的传感器闭环结构）选择平衡信号方式的传感器闭环结构闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈技术，极大地提高了性能。同开环传感器相比技术，极大地提高

11、了性能。同开环传感器相比较，闭环传感器在结构上增加了一个由反向传较，闭环传感器在结构上增加了一个由反向传感器构成的反馈环节，其原理结构如下图所示。感器构成的反馈环节，其原理结构如下图所示。第13页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。联网中获得信息的主要设备。传感器的种类繁多，往往同一种被测量可以用不传感器的种类繁多，往往同一种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同类型的传感器来

12、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可测量多种物理量，因此传感器有许多种分类方法。法。第14页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术1按被测量分类按被测量分类:被测量的类型主要有：被测量的类型主要有：机械量，如位移、力、速度、加速度等；机械量，如位移、力、速度、加速度等；热工量，如温度、热量、流量（速）、压力热工量，如温度、热量、流量（速）、压力（差）、液位等；（差）、液位等；物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；物性参量，如浓度、粘度、比重、酸碱度等；状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。状态参量，如裂纹、缺陷、泄露、磨损等。第15页/共88页4.1.2

13、 传感器技术传感器技术2按测量原理分类按测量原理分类:按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、容式、压电式、光电式、磁电式、光纤、激光、超声波等传感器。超声波等传感器。现有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生现有传感器的测量原理都是基于物理、化学和生物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理物等各种效应和定律，这种分类方法便于从原理上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业上认识输入与输出之间的变换关系，有利于专业人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研人员从原理、设计及应用上作归纳性的分析与研究。究。第

14、16页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术3按信号变换特征分类按信号变换特征分类1）结构型：主要是通过传感器结构参量的变化）结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换。例如，电容式传感器依靠极板间实现信号变换。例如，电容式传感器依靠极板间距离的变化引起电容量的改变。距离的变化引起电容量的改变。2）物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的）物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号的变换。例如水银温度计是利用变化来实现信号的变换。例如水银温度计是利用水银热胀冷缩现象测量温度；压电式传感器是利水银热胀冷缩现象测量温度；压电式传感器是利用石英晶体的压电效应实现测量等。用石英晶体

15、的压电效应实现测量等。第17页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术4按能量关系分类按能量关系分类1）能量转换型：传感器直接由被测对象输入能）能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶、光电池等，这种类型传量使其工作。如热电偶、光电池等，这种类型传感器又称为有源传感器。感器又称为有源传感器。2）能量控制型：传感器从外部获得能量使其工）能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如电阻式、电感式等传感器，这种类型的传感例如电阻式、电感式等传感器，这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此

16、又称器必须由外部提供激励源（电源等），因此又称为无源传感器。为无源传感器。第18页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术5按工作原理分类按工作原理分类（1）电学式传感器）电学式传感器电学式传感器是非电量测量技术中应用范围较广电学式传感器是非电量测量技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。式传感器等。（2）磁学式传感器）磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、

17、转矩等参数的测量。制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。第19页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（3）光电式传感器）光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。浓度等参数的测量。（4）电势型传感器）电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、效应等原理

18、制成，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。速度、光强、热辐射等参数的测量。第20页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（5）电荷传感器）电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测量。于力及加速度的测量。（6）半导体传感器）半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加化等原理制成，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气

19、体的测量。速度、磁场和有害气体的测量。第21页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（7）谐振式传感器）谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。改变谐振频率的原理制成，主要用来测量压力。（8）电化学式传感器）电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据电化学式传感器是以离子导电为基础制成，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等

20、。式传感器和电解式传感器等。第22页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感另外，根据传感器对信号的检测转换过程，传感器可划分为器可划分为直接转换型传感器直接转换型传感器和和间接转换型传感间接转换型传感器器两大类。两大类。传感器的转换框图传感器的转换框图传感器的转换框图传感器的转换框图 第23页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；会发生变

21、化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类，当有压力作用到弹簧管时，弹簧管发生形变，传当有压力作用到弹簧管时，弹簧管发生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。感器再把变形量转换为电信号输出。第24页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术2.常见传感器常见传感器 作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机

22、制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。作。常见的传感器包括温度，压力，湿度，光电，霍常见的传感器包括温度，压力，湿度，光电，霍尔磁性传感器，等等。尔磁性传感器，等等。第25页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（1）温度传感器温度传感器 常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。传感器，以及温差电偶。热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，热敏电阻可以用

23、于设备的过热保护，以及感性，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。温控报警等等。半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；温差电偶，能够在度转化为电压和电流的变化；温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如比较大的范围内测量温度，例如-200 2000。第26页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术温度传感器温度传感器 第27页/共88页4.1.2

24、 传感器技术传感器技术（2）压力传感器压力传感器常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。改变，产生相应的电信号。第28页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（3）湿度传感器湿度传感器湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。电阻式湿度传感器也成为湿敏电阻，利用氯化锂，电阻式湿度传感器也成为湿敏电阻，利用氯化锂，碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。

25、度。电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。介电系数的湿度敏感性来探测湿度。第29页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术湿度传感器湿度传感器 第30页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（4）光传感器光传感器 光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大类。个大类。光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。来进行光探测。光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件

26、都是利用半导体器件对光照的敏感性。这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。第31页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（5）霍尔（磁性）传感器霍尔（磁性）传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔

27、传感器所产生的电压的大小来可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。计算磁场的强度。第32页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术霍尔传感器霍尔传感器 第33页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流，霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流，振动，位移，速度，加速度，转速等等，具有广振动，位移，速度，加速度，转速等等，具有广泛的应用价值。泛的应用价值。第34页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术3.微机电（微机电（MEMS）传感器）传感器 微机电系统的英文名称是微机电系统的英文名称是Micro-Electro-Mecha

28、nical Systems，简称，简称MEMS，是一种，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展趋势。趋势。第35页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（1）微机电压力传感器微机电压力传感器 某轮胎压力传感器的内部结构以及外观如下某轮胎压力传感器的内部结构以及

29、外观如下图所示。该压力传感器利用了传感器中的硅应变图所示。该压力传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。第36页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（2）微机电加速度传感器）微机电加速度传感器 微机电加速度传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。第37页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（3）微机电气体流速传感器）微机电气体流速传感器 以下图片中的

30、气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。第38页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术4.智能传感器智能传感器 智能传感器（智能传感器（smart sensor）是一种具有一）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。传感器与微处理器结合的方式来制造。在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号要传输到系统中的主机中进行分析处理；集的信号要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微而由智能传感器构成的应用系统中，其包

31、含的微处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。处理结果发送给系统中的主机。第39页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术 传统的传感器构成的应用系统传统的传感器构成的应用系统 智能传感器构成的智能传感器构成的应用系统应用系统第40页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（1）智能压力传感器智能压力传感器 下图显示的是Honeywell公司开发的PPT系列智能压力传感器的外形以及内部结构。第41页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（2）智能温湿度传感器）智能温湿度传感器 下面显示的是 Sensirion公司推

32、出的SHT11/15温湿度智能传感器的外形，引脚，以及内部框图。温湿度智能温湿度智能温湿度智能温湿度智能传感器外形传感器外形传感器外形传感器外形 温湿度智能传感器的引脚温湿度智能传感器的引脚温湿度智能传感器的引脚温湿度智能传感器的引脚 温湿度智能传感器的温湿度智能传感器的内部框图内部框图 第42页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术（3）智能液体浑浊度传感器）智能液体浑浊度传感器 下面显示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液体浑浊度传感器的外形，测量原理，以及内部框图。智能液体浑浊度传感器智能液体浑浊度传感器智能液体浑浊度传感器智能液体浑浊度传感器的外形的外形的外形的

33、外形 智能液体浑浊度传感器智能液体浑浊度传感器的测量原理的测量原理 第43页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术智能液体浑浊度传感器的内部框图智能液体浑浊度传感器的内部框图 第44页/共88页4.1.2 传感器技术传感器技术5.传感器的应用传感器的应用 传感器在工业检测和自动控制系统中的应传感器在工业检测和自动控制系统中的应用用 汽车与传感器汽车与传感器 传感器与家用电器传感器与家用电器 传感器在机器人上的应用传感器在机器人上的应用 传感器在医疗及人体医学上的应用传感器在医疗及人体医学上的应用 传感器与环境保护传感器与环境保护 传感器与航空及航天传感器与航空及航天 传感器与遥感技术传感器

34、与遥感技术第45页/共88页4.1.3 非接触射频识别系统非接触射频识别系统（RFID）无线射频识别技术（无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），即射频识别。），即射频识别。射频识别技术的基本原理是电磁理论。射频识别技术的基本原理是电磁理论。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时技术

35、可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。识别多个标签，操作快捷方便。第46页/共88页4.1.3 RFID分类与基本组成分类与基本组成1.RFID的分类的分类 RFID按使用频率的不同分为低频（按使用频率的不同分为低频（LF）、高频）、高频（HF）、超高频（）、超高频（UHF）、微波（）、微波（MW），相），相对应的代表性频率分别为：对应的代表性频率分别为：低频低频135kHz以下、以下、高频高频13.56MHz、超高频超高频860M 960MHz、微波微波2.4G，5.8G。第47页/共88页4.1.3 RFID分类与基本组成分类与基本组成RFID按照能源的供给方式分为无源按照

36、能源的供给方式分为无源RFID，有源，有源RFID，以及半有源，以及半有源RFID。无源无源RFID读写距离近，价格低；读写距离近，价格低；有源有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。的应用场合。第48页/共88页4.1.3 RFID分类与基本组成分类与基本组成2.RFID系统的基本组成部分系统的基本组成部分 RFID电子标签网络系统由标签、阅读器和数电子标签网络系统由标签、阅读器和数据传输和处理系统三部分组成。据传输和处理系统三部分组成。（1）标签（）标签（Ta

37、g/electric signature）：）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；的电子编码，附着在物体上标识目标对象；带有天线的标签带有天线的标签带有天线的标签带有天线的标签 第49页/共88页4.1.3 RFID分类与基本组成分类与基本组成 （2）天线（）天线（Antenna）：通常和标签组装）：通常和标签组装在一起，在标签和读取器间传递射频信号。在一起，在标签和读取器间传递射频信号。（3）阅读器（）阅读器（Reader）：读取）：读取/写入标签写入标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；信息的设备，可设计为手

38、持式或固定式；阅读器阅读器阅读器阅读器 第50页/共88页4.1.3 RFID分类与基本组成分类与基本组成最常见的是被动射频系统，当阅读器遇见最常见的是被动射频系统，当阅读器遇见RFID标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给阅读器，阅读器芯片转换电磁波，然后发送给阅读器，阅读器把它转换成为相关数据。把它转换成为相关数据。控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控制。在主动射频系统中，标签中装有电池在控制。

39、在主动射频系统中，标签中装有电池在有效范围内活动。有效范围内活动。第51页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签RFID电子标签电子标签(electric signature/Tag)是是射频识别（射频识别（RFID）的通俗叫法，标签也被称为）的通俗叫法，标签也被称为电子标签或智能标签，它是内存带有天线的芯片，电子标签或智能标签，它是内存带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标的信息。芯片中存储有能够识别目标的信息。RFID标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点。有些存储信息容量大、种类多等特点。有些RFID标标

40、签支持读写功能，目标物体的信息能随时被更新。签支持读写功能，目标物体的信息能随时被更新。第52页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签1.电子标签基本构造电子标签基本构造电子标签由天线、集成电路、连接集成电路与天电子标签由天线、集成电路、连接集成电路与天线的部分、天线所在的底层四部分构成。线的部分、天线所在的底层四部分构成。96 位位或者或者64 位产品电子码是存储在位产品电子码是存储在RFID 标签中的标签中的唯一信息。唯一信息。电子标签可以分为有源电子标签（电子标签可以分为有源电子标签（Active tag）和无源电子标签（）和无源电子标签（Passive tag）。有源）

41、。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。池。目前市场上目前市场上80%为无源电子标签，不到为无源电子标签，不到20%为为有源电子标签。有源电子标签。第53页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签2.各类标签各类标签采用不同的天线设计和封装材料可制成多种形采用不同的天线设计和封装材料可制成多种形式的标签，如车辆标签、货盘标签、物流标签、式的标签，如车辆标签、货盘标签、物流标签、金属标签、图书标签、液体标签、人员门禁标金属标签、图书标签、液体标签、人员门禁标签、门票标签、行李标签等。客户可根据需要签、门票标签、行李标签等。客户可

42、根据需要选择或定制相应的电子标签。选择或定制相应的电子标签。第54页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签3.电子标签工作原理电子标签工作原理有源电子标签有源电子标签又称主动标签，标签的工作电源完全由内部电又称主动标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为电子标签与阅读器通信所需的射频能量。换为电子标签与阅读器通信所需的射频能量。主动标签自身带有电池供电，读主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远写距离较远（约在（约在100 1500m），体积较大，与被动），体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标

43、签，一般具标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，能量耗尽后需更换电池。有较远的阅读距离，能量耗尽后需更换电池。第55页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签无源电子标签无源电子标签又称被动标签，没有内装电池，在阅读器的又称被动标签，没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。源。无源电子标签一般均采用反射调制方式完成无源电子标签一般均采用反射调制方式

44、完成电子标签信息向阅读器的传送。电子标签信息向阅读器的传送。第56页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签无源电子标签在接收到阅读器发出的微波信号无源电子标签在接收到阅读器发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近（约在较近（约在1mm30mm），也称为无源标签。），也称为无源标签。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物

45、体运动速度方面略有限制。体运动速度方面略有限制。第57页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签半无源射频标签半无源射频标签也有内装电池，但标签内的电池供电仅对标也有内装电池，但标签内的电池供电仅对标签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片签内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，本身耗电很少的工作所需电压的辅助支持，本身耗电很少的标签电路供电。标签电路供电。标签未进标签未进入入工作状态前，一直处于休眠状态，工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达少，因而电池可维持

46、几年，甚至长达10年有年有效；效；第58页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签当标签进入阅读器的读出区域时，受到阅读当标签进入阅读器的读出区域时，受到阅读器发出的射频信号激励，进入工作状态时，器发出的射频信号激励，进入工作状态时，标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅读器供应的射频能量为主（反射调制方式），读器供应的射频能量为主（反射调制方式），标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。并不转换为射频能量。第5

47、9页/共88页4.1.3 RFID射频电子标签射频电子标签4.降低电子标签成本举措降低电子标签成本举措EPC 标签能在单品追踪中发挥作用的关键之标签能在单品追踪中发挥作用的关键之一就是大幅度降低标签的成本。一就是大幅度降低标签的成本。缩小芯片缩小芯片 开发新型天线开发新型天线 寻找硅的替代品寻找硅的替代品 第60页/共88页4.1.4 RFID阅读器阅读器 射频识别系统中，阅读器又称为读出装置，扫描射频识别系统中，阅读器又称为读出装置，扫描器、通信器、阅读器（取决于电子标签是否可以器、通信器、阅读器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。无线改写数据）。RFID阅读器通过天线与阅读器通过天线与

48、RFID电子标签进行无线电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。、控制单元以及阅读器天线。第61页/共88页4.1.4 RFID阅读器阅读器 1.阅读器基本工作原理阅读器基本工作原理 阅读器基本工作原理是阅读器使用多种方式阅读器基本工作原理是阅读器使用多种方式与标签交互信息，近距离读取被动标签中信息与标签交互信息，近距离读取被动标签中信息最常用的方法就是电感式耦合。最常用的方法就是电感式耦合。只要贴

49、近，盘绕阅读器的天线与盘绕标签的天只要贴近，盘绕阅读器的天线与盘绕标签的天线之间就形成了一个磁场。线之间就形成了一个磁场。标签就是利用这个磁场发送电磁波给阅读器。标签就是利用这个磁场发送电磁波给阅读器。这些返回的电磁波被转换为数据信息，即标签这些返回的电磁波被转换为数据信息，即标签的的EPC 编码。编码。第62页/共88页4.1.4 RFID阅读器阅读器 电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。时序关系，实现能量的传递、数据的交换

50、。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。类型有两种。（1）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。（2）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回来出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回来目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。第63页/共88页4.1.4 RFID阅读器阅读器 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近