無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)概述

1、無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡WWIRELESSIRELESS S SENSORENSOR N NETWORKSETWORKS參考書目：書名：無線傳感器網(wǎng)絡作者：孫利民，李建中，陳渝，朱紅松出版社：清華大學出版社 教材書名：無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)作者：李曉維出版社：北京理工大學出版社 成績評定平時成績：50%平時成績：20%隨堂測試：30%最后考試：50% 目錄傳感器的概念傳感器網(wǎng)絡概述傳感器網(wǎng)絡應用傳感器網(wǎng)絡協(xié)議傳感器網(wǎng)絡研究進展傳感器網(wǎng)絡影響力內(nèi)容：內(nèi)容：一、概述一、概述二、電阻式傳感器二、電阻式傳感器三、光電式傳感器三、光電式傳感器四、光柵尺四、光柵尺五、編碼器五、編碼器目的： 了解電阻式、光

2、電式傳感器和編碼器的工作原理，掌握傳感器的特性，并能在實際中正確應用。 傳感器是實現(xiàn)檢測與自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器技傳感器是實現(xiàn)檢測與自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器技術(shù)又是衡量一個國家的科學技術(shù)和工業(yè)水平的重要標志。術(shù)又是衡量一個國家的科學技術(shù)和工業(yè)水平的重要標志。在信息時代，如何真實而迅速地認識和處理各類信息顯的在信息時代，如何真實而迅速地認識和處理各類信息顯的十分重要，捕捉和認識信息的器件，就是傳感器。十分重要，捕捉和認識信息的器件，就是傳感器。 一、概述 國際電工委員會（國際電工委員會（IECIEC）的定義為：）的定義為：“傳感器是測傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供

3、量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號測量的信號”。一、概述1、什么是傳感器？ 狹義地說： 感受被測量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)化為同種或別種性質(zhì)的輸出信號的裝置。廣義地說： 傳感器是指能感知某一物理量、化學量或生物量等信息，并能將之轉(zhuǎn)化為可以利用的信息的裝置。2、傳感器分類按應用分類壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器速度傳感器位移傳感器等按原理分類電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器光電式傳感器霍爾式式傳感器熱電式傳感器等按輸出信號分類開關(guān)量傳感器模擬量傳感器數(shù)字量傳感器等一、概述3、傳感器一般組成非電量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件測量電路輔助電源敏感元件是指傳感器中能直接感受(或響應)與撿

4、出被測對象的待測信息(非電量)的部分。 轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件所感受(或響應)出的信息直接轉(zhuǎn)換成電信號的部分。 一、概述4、傳感器發(fā)展超勢（1）新材料的開發(fā)、應用（2）新工藝、新技術(shù)的應用（3）利用新的效應開發(fā)新型傳感器（4）傳感器的多功能化（5）傳感器的集成化（6）傳感器的智能化一、概述5、傳感器的特性（1）傳感器的靜態(tài)特性（2）傳感器的動態(tài)特性 當輸入信號不隨時間變化時輸出信號與輸入信號的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性 當輸入信號隨時間變化時，輸出信號與輸入信號的關(guān)系稱為傳感器的動態(tài)特性 一、概述5、傳感器的特性（1）傳感器的靜態(tài)特性常用的傳感器靜態(tài)性指標包括：靈敏度 精確度測量范圍與

5、量程 線性度誤差滯后量 重復性一、概述5、傳感器的特性（2）傳感器的動態(tài)特性零階傳感器otky零階傳感器的單位階躍響應圖y = K x一、概述5、傳感器的特性（2）傳感器的動態(tài)特性一階傳感器 如用以測量溫度的不帶保護套的熱電偶，就屬于一階傳感器，數(shù)學模型的一般形式是：)1 (Ttekyotky一階傳感器的單位階躍響應圖T1T20.632K穩(wěn)值定一、概述5、傳感器的特性（2）傳感器的動態(tài)特性二階傳感器y二階傳感器的單位階躍響應圖otk穩(wěn)值定欠阻尼臨界阻尼過阻尼xbyadtdyadtyda002221一、概述電阻式傳感器包括以下電阻式傳感器包括以下3 3種：種：電位器傳感器、電阻應變式傳感器、壓阻

6、式傳感器電位器傳感器、電阻應變式傳感器、壓阻式傳感器二、電阻式傳感器角位移傳感器線位移傳感器1、電位器傳感器 基于在勻質(zhì)導體中，電阻R與其長度L成正比的關(guān)系制造的一種位移量的電阻式傳感器（2 2）電位器傳感器的類型）電位器傳感器的類型角位移電阻式傳感器角位移電阻式傳感器線位移的電阻式傳感器。線位移的電阻式傳感器。高精度位移傳感器二、電阻式傳感器（1 1）電位器傳感器的原理）電位器傳感器的原理輸出電壓UL與位移X呈非線性關(guān)系。只有RL無限大時輸出電壓UL與位移X間才是線性關(guān)系。)1 (1xxRRxUULL（a）角位移電阻式 （b）線位移電阻式傳感二、電阻式傳感器2、電阻應變式傳感器(1)、結(jié)構(gòu)結(jié)

7、構(gòu)：覆蓋層 基底引出線 粘合劑電阻絲（敏感柵）核心元件：電阻絲什么是應變式傳感器？什么是應變式傳感器？ 基于電阻基于電阻應變效應應變效應制造的用于制造的用于 測量微小變化的測量微小變化的傳感器。傳感器。二、電阻式傳感器 金屬導體或半導體在受到外力作用時，會產(chǎn)生相應的應變，其電阻也將隨之發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為“應變效應”，用來產(chǎn)生應變效應的細導體稱為“應變絲（敏感柵）”FALR式中:R電阻; 電阻率；L導體長度；A橫面積二、電阻式傳感器 設有圓形截面導線,長度為 L ,截面積為 A ,材料的電阻率為，這段導線的電阻值 R 為：2rLALR當導體受力時，其長度L，截面積 A ，電阻率 相應發(fā)生

8、變化為dL、d(r2)、d,因而引起電阻變化dR二、電阻式傳感器2rLALR對上式全微分，則：drdrLdLRdR2式中：LdLrdryrdrxLdL電阻絲軸向應變電阻絲徑向應變軸向應變與徑向應變的關(guān)系是：y= -x二、電阻式傳感器電阻變效率為幾何項和壓阻效應項綜合的結(jié)果dRdRx)21 (二、電阻式傳感器應變片的篩選外觀檢查、測量應變片的初始電阻值構(gòu)件表面處理貼片固化導線焊接與固定粘貼質(zhì)量檢查應變片的防潮保護(4)應變片粘貼和防護(3)應變片粘貼和防護實驗室測量應力時粘貼方法(3)應變片粘貼和防護電子稱用的彈性梁 應變片直接感受應變或應力。 測量時，將應變片粘貼在彈性元件（試件）上，當外力作

9、用到彈性元件（試件）上時，彈性元件被壓縮（或拉伸），即產(chǎn)生微小的機械變形，粘貼在彈性元件上的應變片感受到應力的作用，根據(jù)虎克定律，應變與應力成正比，=E 又由應變效應可知，應變片的應變與電阻值的相對變化dR/R成正比，所以，實現(xiàn)了對微小機械變量的測量。(5)應變式傳感器測量原理單臂工作單臂工作 (6)應變式傳感器測量電路半橋工作 全橋工作 A、應變片的電阻絲具有一定溫度系數(shù)B、電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。溫度誤差 應變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測試件的溫度)影響很大。主要因素有兩點： 設環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t時，粘貼在試件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t,則應變片產(chǎn)生的電

10、阻相對變化為:ttRR 1(7)應變片的溫度誤差與補償補償措施一單絲自補償應變片選擇與膨脹使應變片產(chǎn)生電阻變化相反的敏感柵材料。 溫度補償常見的溫度補償措施有主要有以下三方面：tgetttKRRRRRR )(21由溫度變化形成的總電阻相對變化表達式得知：0)(tgettKtgetK)(只有(7)應變片的溫度誤差與補償溫度補償補償措施二雙絲組合式自補償應變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)(一種為正值，一種為負值)的材料串聯(lián)組成敏感柵 (7)應變片的溫度誤差與補償補償措施三電路補償法利用電橋相鄰相等二臂同時產(chǎn)生大小相等、符號相同的電阻量不會破壞電橋平衡的特性來達到補償?shù)哪康摹?溫度補償(7)應變片的溫度誤

11、差與補償要達到完全補償，需滿足下列三個條件 Rl和R2須屬于同一批號，即它們的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應變靈敏系數(shù)都應相同，兩片的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件兩者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應變片處于同一溫度環(huán)境中。 (7)應變片的溫度誤差與補償應變式傳感器廣泛應用于稱重和測力領(lǐng)域。 一是作為敏感元件，直接用于被測試件的應變測量；二是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應變的其他物理量作間接測量。 應變式測力傳感器有兩種類型：1、柱式力傳感器2、梁式力傳感器(8)應變式傳感器應用 (一)柱式力傳感器原理外形圖(8)

12、應變片式傳感器應用內(nèi)部圖 (一)柱式力傳感器原理外形圖展開圖(8)應變片式傳感器應用(8)應變片式傳感器應用 (一)柱式力傳感器應用1、稱重式料位計(8)應變片式傳感器應用 (一)柱式力傳感器應用2、電子皮帶秤電子皮帶稱的稱重框架示意圖(8)應變片式傳感器應用 (一)柱式力傳感器應用2、電子吊車秤荷重傳感器安裝在吊車上的方式傳感器防扭轉(zhuǎn)臂信號電纜荷重傳感器安裝在鋼絲繩固定端方式傳感器動滑輪卷揚筒定滑輪(8)應變片式傳感器應用 (二)梁式力傳感器原理 梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長為L，梁厚為h。這種彈性元件的特點是，其截面沿粱長方向按一定規(guī)律變化，當囊中力F作用在自由端時，距作用力

13、任何距離z的截面上應力a相等。因此，沿著這種梁的長度方向上的截面抗彎模量的變化與彎矩M的變化成正比即：EhbFxx26(8)應變片式傳感器應用 (二)梁式力傳感器應用 1、電子稱 手提式電子秤，成本低，稱重精度高，攜帶方便，適于購物時用。 它采用準s型的雙孔彈性體作為稱重傳感器的測力元件，重力P作用在中心線上。四片箔式電阻應變片粘貼在彈性體雙孔的外側(cè)位置處。雙孔彈性體可簡化為在一端受到力偶M的作用，其大小與重力P及雙孔彈性體長度有關(guān)。 (8)應變片式傳感器應用如:西門稱重傳感器（種類有）1. BB系列波紋管式稱重傳感器 2. CC系列柱式稱重傳感器 3. K系列柱式稱重傳感器 (9)應變式稱重

14、傳感器產(chǎn)品實例西門子稱重傳感器Siwarex R-BB系列主要技術(shù)指標：1.最大荷載 Emax：10 kg 2.精度等級 ：C3 3.最大刻度間隔：30004.最小刻度間隔：Emax/150005.電源電壓： 5 . 15 V 6.破壞負荷： 300% Emax 7. 最大工作負荷：150%Emax8.額定溫度范圍： -10 . +40 C 9.操作溫度： -40 . +80 C 10.防護等級： IP66 / IP68 當Emax分成3000等分時，該值通過OIML R-60認證（國際法定度量衡組織），符合C3標準當Emax分成15000等分時，能正確分辨其值，但并沒有得到OIML認證。3.

15、333g/每間隔0.666g/每間隔 該波紋管為不銹鋼波紋管主要應用于補償彈性體熱變形、減震、吸收沉降變形等作用， 波紋管力支撐點固定孔電纜線西門子稱重傳感器（外形結(jié)構(gòu)）西門子稱重傳感器（內(nèi)部結(jié)構(gòu)）彎曲橫梁（彈性體）電阻應變片應變片拉伸壓縮西門子稱重傳感器（內(nèi)部結(jié)構(gòu)）稱重傳感器測量電路西門子稱重傳感器(附件)自定位螺栓導向套件密封圈支撐件固定支架西門子稱重傳感器(附件)固定支架過載保護頂板傳感器固定螺絲釘?shù)装逑拗普駝?，防舉起裝置西門子稱重傳感器(附件)(固定支架安裝)自動定心，自定位螺栓能使頂板以及負載體沿水平方向發(fā)生位移（由于溫度變動），自定位螺栓的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一個隨位移量和外加負載而變的復原

16、力保持水平固定支架安裝保持水平固定支架安裝1、什么是光電式傳感器？以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器稱光電式傳感器。 三、光電式傳感器2、用途 主要用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。 三、光電式傳感器3、特點 光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點。 因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電式傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。 三、光電式傳感器4、光

17、電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應。什么是光電效應? 在光照射在某些物質(zhì)上時,物質(zhì)的電子吸收光子的能量而發(fā)生電效應現(xiàn)象，如導電率變化、釋放電子和產(chǎn)生電動勢等。釋放的電子叫光電子，能產(chǎn)生光效應的物質(zhì)叫電材料。三、光電式傳感器光電效應分為以下三種：(1)內(nèi)光電效應-在光線作用下，物體的電導性能改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。如光敏電阻(2)外光電效應-在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應。如光電管、光電倍增管(3)光生伏特效應-在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，即阻擋層光電效應。如

18、光電池、光敏晶體管。三、光電式傳感器（一）光敏電阻傳感器1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質(zhì)，半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接人電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。三、光電式傳感器（一）光敏電阻傳感器1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理原理：光敏電阻又稱光導管,幾乎都是利用半導體材料制成的光敏器件.光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值很大,電路中電流很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光

19、照時，它的電阻值急劇減少,電路中的電流很大。三、光電式傳感器(一)光敏電阻傳感器 2、光敏電阻的主要參數(shù)(3點) （1）暗電阻 光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流，I暗。（2）亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流，I亮。（3）光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流，I光= I亮- I暗三、光電式傳感器（一）光敏電阻傳感器3、光敏電阻的基本特性（3點） （1）伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。 三、光電式傳感器（一）光敏電阻傳感器 3、光敏電阻的基本特性（2）光譜特性 光敏電阻的相對光

20、敏靈敏度與人射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應。 0.65um1.05um2.3um三、光電式傳感器（一）光敏電阻傳感器 3、光敏電阻的基本特性（3）溫度特性 溫度變化影響光敏電阻的光譜響應，同時，光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變，尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。 2.85um2.0um三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏晶體管 1、光敏二極管的結(jié)構(gòu) 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射 。結(jié)構(gòu)外形符號三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏三極管 2、光敏二極管的原理 當光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，

21、使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時，處于截止狀態(tài)，受光照射時，處于導通狀態(tài)。三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏三極管 3、光敏三極管的結(jié)構(gòu)三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏三極管 4、光敏三極管的原理光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近便產(chǎn)生光電流(幾微安，相當于三極管的基極電流)，于是在集電極c與基極b之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流(相當于三極管的集電極電流)。光電三極管的通頻帶較窄，不如光電二極管性能穩(wěn)定，但靈敏度高。三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏三極管 5、 基

22、本特性（1）光譜特性 從曲線可以看出，硅的峰值波長約為0.9um，鍺的峰值波長約為1.5um，此時靈敏度最大，而當入要射光的波長增加或縮短時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。0.9um1.5um三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏晶體管 5、基本特性（2）伏安特性 從曲線可以看出，光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。 三、光電式傳感器（二）光敏二極管和光敏晶體管 5、基本特性 （3）溫度特性暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。稱光敏晶體管的溫度特性影響較大影響較小三、光電式傳感器

23、（二）光敏二極管和光敏晶體管 5、 基本特性幾種硅光電二極管的特性參數(shù) 型號或名稱型號或名稱 光譜范圍光譜范圍 峰值波長峰值波長 靈敏度靈敏度 響應響應時間時間 探測本領(lǐng)探測本領(lǐng) 2DU 0.41.1 0.9 0.4 10-7 最小可探測功率最小可探測功率 Pmin=10 -8W 2CU 0.41.1 0.9 0.5 10-7 Pmin=100W 2DU LO41.1 1.06 0.6 510-9 三、光電式傳感器 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。屬有源器件。1、硒光電池2、氧化亞銅光電池3、硫化鉈光電池4、硫化

24、鎘光電池5、鍺光電池6、硅光電池7、砷化鎵光電池一、光電池的種類：能用可見光作光源能用可見光作光源（三）光電池三、光電式傳感器 （三）光電池 1、結(jié)構(gòu)及符號(a)結(jié)構(gòu)圖外型圖(c)符號三、光電式傳感器（三）光電池2、光電池的工作原理 光電池實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。-稱光生伏特效應 三、光電式傳感器（三）光電池3、光電池的基本特性 （1）光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的 硒

25、光電池在0.5um附近桂光電池在0.81um附近三、光電式傳感器（三）光電池3、光電池的基本特性 （2）光照特性 光電池在不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。 流三、光電式傳感器（三）光電池3、光電池的基本特性 （3）溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。 使用時，必須進行溫度補償三、光電式傳感器（三）光電池4、國產(chǎn)硅光電池的特性參數(shù) 參量型號參量型號 開路電壓開路電壓 mV 短路電流短路電流 mA 輸出電流輸出電流 mA 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 面積面積/mm22CR31 450-600 915 6.58.5 68 510 2

26、CR32 550-600 915 8.611.3 8lO 510 2CR33 550-600 12-15 11.4-15 10-12 510三、光電式傳感器2022-1-1284 齒盤每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。（四）光電傳感器的應用（1）n三、光電式傳感器2022-1-1285（四）光電傳感器的應用（2）三、光電式傳感器2022-1-1286使用光電池制作非接觸測溫的高溫比色溫度儀使用光電池制作非接觸測溫的高溫比色溫度儀 1高溫物體 2物鏡 3半反半透鏡 4反射鏡 5目鏡 6觀察者眼睛 7光闌 8光導棒 9鏡 10、12濾光

27、鏡 11、13硅光電池 14、15電流/電壓轉(zhuǎn)換器（四）光電傳感器的應用（3）三、光電式傳感器87（四）光電傳感器的應用（4） 光電檢測裝置三、光電式傳感器紅外測溫儀（四）光電傳感器的應用（7）三、光電式傳感器（四）光電傳感器的應用（8） 光電報警裝置三、光電式傳感器煙霧（四）光電傳感器的應用（9） 光電煙霧檢測裝置三、光電式傳感器（四）光電傳感器的應用（10）四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用 光柵傳感器主要用于長度和角度的精密測量以及數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測等。具有測量精度高、抗干擾能力強、適用于動態(tài)測量和自動測量以及數(shù)字顯示等特點，在座標測量儀和數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應用。1

28、、光柵的基本結(jié)構(gòu)（1）光柵 光柵是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等寬而又等間距的刻線。這些刻線是透明的和不透明的，或是對光反射的和不反射的。黑白型長光柵四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用1、光柵的基本結(jié)構(gòu)柵線縫隙光柵結(jié)構(gòu)abW柵線的寬度為a（一般為812mm），線間寬度為b，一般取a=b，而W=a+b，W稱為光柵柵距(也稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)表示柵線密度，如100線mm、250線mm)。 (2)光柵結(jié)構(gòu)四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用1、光柵的基本結(jié)構(gòu)A、按其原理和用途可分為物理光柵和計量光柵。(3)類型 B、按其透射形式，光柵

29、可分為透射式光柵和反射式光柵。 C、按其柵線形式，光柵可分為黑白光柵(幅值光柵)和閃耀光柵(相位光柵)。 D、按其應用類型，光柵可分為長光柵和圓光柵。 (a) 長光柵(b) 圓光柵四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用2、光柵傳感器的工作原理莫爾條紋原理abW四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用2、光柵傳感器的工作原理計量光柵是利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)幾何量的測量的。莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮光和透光效應形成的(兩只光柵參數(shù)相同)。 莫爾條紋原理主光柵指示光柵 abWddddffff（a）四、光柵傳感器及其應用2、光柵傳感器的工作原理莫爾特性 (1)平均效應。莫爾條紋是由光柵

30、的大量柵線共同形成的，對光柵柵線的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除刻線周期誤差對測量精度的影響。莫爾條紋原理主光柵指示光柵 abWddddffff四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用2、光柵傳感器的工作原理莫爾特性 (2)放大作用。由于角很小，從式31可明顯看出莫爾條紋有放大作用，放大倍數(shù)為 例如：W=0.02mm，=0.1，則B=11.4592mm，其K值約為573，用其它方法很難得到這樣大的放大倍數(shù)。 主光柵指示光柵 abWddddffff（a）Bw/2w/2ff(b)WWWB222sin2四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用2、光柵傳感器的工作原理莫爾特性 (3

31、)對應關(guān)系。兩光柵沿與柵線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋沿柵線方向(確切地說，沿柵線夾角的平分線方向)移動。兩光柵相對移動一柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間距B。 主光柵指示光柵 abWddddffff（a）四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用3、光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 光柵傳感器是利用莫爾條紋將光柵柵距的變化轉(zhuǎn)換成莫爾條紋的變化，只要利用光電元件檢測出莫爾條紋的變化次數(shù)，就可以計算出光柵尺移動的距離。光柵傳感器作為一個獨立完整的測量系統(tǒng)，它包括光柵傳感器(光柵尺)和數(shù)顯表兩部分。 四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用3、光柵傳感器的結(jié)構(gòu)圖1 光柵尺光源透鏡主光柵指示光源光電接收元件圖

32、2 光柵尺結(jié)構(gòu)原理四、光柵傳感器及其應用3、光柵傳感器的結(jié)構(gòu) 光柵傳感器由光源、光柵尺、光電元件及光學系統(tǒng)組成 圖34 透射光柵光路、光電轉(zhuǎn)換電路示意圖（a）b c光源指示光柵聚光鏡主光柵光電元件物鏡Vcc輸出aU四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用4、光柵傳感器的應用(1)圖35 透射長光柵和圓光柵傳感器（b）（a）四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用4、光柵傳感器的應用(2) 機床用光柵傳感器四、光柵傳感器及其應用四、光柵傳感器及其應用4、光柵傳感器的應用(3)四、光柵傳感器及其應用五、編碼器五、編碼器 角度一數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)最為簡單，廣泛用于簡易數(shù)控機械系統(tǒng)中。 按工作原理

33、分為兩種：1、脈沖盤式2、碼盤式1、編碼器分類或增量式或絕對式五、編碼器五、編碼器 圖5-5 旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖式編碼器外形圖1 編碼器圖2 編碼器原理圖五、編碼器五、編碼器 2、編碼器結(jié)構(gòu)1、脈沖盤式角度一數(shù)字編碼器 圖1 編碼器圖2 編碼器原理圖五、編碼器五、編碼器 3、編碼器工作原理4、脈沖盤式編碼器四倍頻細分辨及方向判別的原理 t1t2t3t4信號1(A相)信號2(B相)圖2 編碼器原理圖五、編碼器五、編碼器 t1t2t3t4信號1(A相)信號2(B相)圖2 編碼器原理圖11110000五、編碼器五、編碼器 4、脈沖盤式編碼器四倍頻細分辨及方向判別的原理 t1t2t3t4信號1(A相)信號

34、2(B相)序號序號時間段時間段AB細分值細分值1t1101/42t2112/43t3013/44t4004/4圖1 編碼器圖2 編碼器原理圖五、編碼器五、編碼器 4、脈沖盤式編碼器四倍頻細分辨及方向判別的原理 2、碼盤式編碼器 碼盤式角度一數(shù)字編碼器是按角度直接進行編碼的傳感器，通常把它裝在檢測軸上。 按其結(jié)構(gòu)分為 ：1、接觸式2、光電式3、電磁式五、編碼器五、編碼器 2、碼盤式編碼器(1)結(jié)構(gòu) 分辨率：=360/2n=360/24=22.5度1234接觸式四位二進制碼盤碼道導電區(qū)接高電平”1”優(yōu)點：簡單、輸出信號功率大。缺點：有磨損、壽命短(使用壽命大約是106107轉(zhuǎn))、轉(zhuǎn)速不能太高。五、

35、編碼器五、編碼器 2、碼盤式編碼器 (2)原理 12340000R202311100101電刷編碼編碼0000序號序號0角度角度22.50000114500010267.500011390001004112.5001015135001106157.5001117180010008202.5010019220.50101010247.501011112700110012292.501101133150111014337.501111153600五、編碼器五、編碼器 2、碼盤式編碼器(3)誤差 1234R202310112=1110(11112=1510)10002=810誤差較大五、編碼器五、編

36、碼器 五、編碼器五、編碼器 (4)絕對式編碼器非單值性誤差的消除循環(huán)碼盤(或稱格雷碼盤)右圖所示為四位二進制循環(huán)碼。這種編碼的特點是任意相鄰的兩個代碼間只有一位代碼有變化，即“0”變?yōu)椤?”或“1”變?yōu)椤?”。因此，在兩數(shù)變換過程中，所產(chǎn)生的讀數(shù)誤差最多不超過“1”，只可能讀成相鄰兩個數(shù)中的一個數(shù)六、小結(jié)六、小結(jié) 5、角度數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)最為簡單，精度高，廣泛用于數(shù)控機械系統(tǒng)中。如數(shù)控機床、機器人等。4、以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器稱光電式傳感器。主要用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；3、電阻應變式傳感器是廣泛應用于稱重和測力領(lǐng)域。2、什么是傳感器-傳

37、感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。1、傳感器是實現(xiàn)檢測與自動控制的首要環(huán)節(jié)。而傳感器技術(shù)又是衡量一個國家的科學技術(shù)和工業(yè)水平的重要標志。什么是計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡管理軟件及網(wǎng)絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。 所謂無線網(wǎng)絡，就是利用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇闃?gòu)成的無線局域網(wǎng)（WLAN），與有線網(wǎng)絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術(shù)取代網(wǎng)線，可以和有線網(wǎng)絡互為備份。 什么是傳感器網(wǎng)絡WSN-Wireless S

38、ensor Networks基礎(chǔ)微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)解釋1由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。什么是傳感器網(wǎng)絡解釋2：傳感器網(wǎng)絡是由一組傳感器以特定方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器網(wǎng)絡的三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者傳感器網(wǎng)絡的基本功能協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息 有線有線/ /無線連接無線連接 傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)sink -匯聚點sensor node -傳感器節(jié)點sensor fi

39、eld -監(jiān)測區(qū)域傳感器網(wǎng)絡的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡功能：兼顧節(jié)點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量Sink節(jié)點功能：連接傳感器網(wǎng)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等傳感器節(jié)點傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡協(xié)議無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)能量供應模塊：提供能量傳感器網(wǎng)絡的特點大規(guī)模網(wǎng)絡：地理區(qū)域大；部署密集提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強容錯性；減少盲區(qū)自組織網(wǎng)絡：不確定性；拓撲結(jié)構(gòu)變化資源受限：計算、存儲、

40、通訊、能量動態(tài)拓撲：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠網(wǎng)絡：適應環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數(shù)據(jù)為中心傳感器節(jié)點的限制電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限傳感器網(wǎng)絡概述與ADAD HOCHOC的不同WSN結(jié)點數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點為靜止節(jié)點分布更為密集能量約束結(jié)點更容易出錯拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁Ad hoc幾十至上百個節(jié)點局域網(wǎng)節(jié)點全移動結(jié)構(gòu)變化（移動）能量可連續(xù)提供點到點通信軍事應用軍事應用聯(lián)合國維和部隊聯(lián)合國維和部隊伊伊 拉拉 克戰(zhàn)爭克戰(zhàn)爭微型感應傳感器網(wǎng)絡微型感應傳感器網(wǎng)絡核武器和生化武器核武器和生化武器軍事應用美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場警戒示意圖美軍未來戰(zhàn)

41、斗系統(tǒng)的戰(zhàn)場警戒示意圖傳感器節(jié)點通行車輛槍聲定位反恐系統(tǒng)美國美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機猛禽戰(zhàn)斗機機外傳感器網(wǎng)絡機外傳感器網(wǎng)絡 美軍“沙地直線”項目無線鏈路目標探測、分類和跟蹤傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點商業(yè)韓國濟州島智能漁場北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司沈陽玫瑰園討 論 題 請大家思考和組織課堂討論：請大家思考和組織課堂討論：傳感器網(wǎng)絡還可以有哪些用途？傳感器網(wǎng)絡還可以有哪些用途？傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議棧（1 1）能源管理平臺： 管理傳感器節(jié)點如何使用能量； 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居； 任務管理平臺： 在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務傳感

42、器網(wǎng)絡的協(xié)議棧（2 2）傳感器網(wǎng)絡物理層（1 1）傳輸媒體建議采用ISM （工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段短距離的無線低功率通信最適合傳感器網(wǎng)絡紅外不需要許可證，抗干擾要求收發(fā)雙方在視線之內(nèi)光不排除用光作為通信媒體傳感器網(wǎng)絡物理層（2 2）頻率選擇，載頻發(fā)生，信號檢測，調(diào)制，數(shù)據(jù)加密信號傳播傳播信號需要的最小發(fā)送功率和傳輸距離d的n次方（ ）成正比，2= n 4.為了減小傳輸距離，傳感器網(wǎng)絡采用多跳（multihop）通信方式nd傳感器網(wǎng)絡MACMAC協(xié)議的功能（1 1）功能無線信道的使用 建立傳感器網(wǎng)絡的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)考慮因素節(jié)省能量可擴展性鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時性能等 目前普遍認為這三個

43、方面的重要性依次遞減MACMAC協(xié)議的能量浪費因素（2 2）空閑偵聽：節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻收發(fā)模塊必須一直處于工作狀態(tài)，消耗大量能源，是無效能耗的主要來源。 沖突：同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準確接收，重發(fā)造成能量浪費串擾：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數(shù)據(jù)屬于無效功耗?？刂崎_銷：控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效功耗。 傳感器MACMAC協(xié)議的節(jié)能策略（3 3）盡量讓傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)； 減少傳感器節(jié)點之間的碰撞； 減少接收到自己不需要接收的數(shù)據(jù)分組；（overhearing） 減少控制消息的開銷。WSN MACWSN MAC協(xié)議

44、（4 4）基于競爭S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調(diào)度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA結(jié)合WSNWSN路由協(xié)議（1 1）已有網(wǎng)絡ad hoc、蜂窩主要目標通信服務質(zhì)量 帶寬利用率傳感器網(wǎng)絡主要目標高效使用能源 延長網(wǎng)絡系統(tǒng)的生存期WSNWSN路由協(xié)議（2 2）特點基于局部拓撲信息數(shù)據(jù)為中心（不知道目的節(jié)點的編號，甚至向哪個區(qū)域）要求能量高效（協(xié)議簡單|開銷小|節(jié)省能量/均衡消耗）可擴展性（網(wǎng)絡范圍/節(jié)點密度）魯棒性（節(jié)點變化|拓撲變化）快速收斂性WSNWSN路由協(xié)議（3 3）能量感知路由能量路由/能量多路徑路由查詢路由定向

45、擴散路由(DD)/謠傳路由地理路由GPRS/GEAR/ GEM/邊界定位路由可靠路由ReInform/SPEED /多路徑路由WSN傳輸層（1）當傳感器網(wǎng)絡中的系統(tǒng)需要接入Internet 或其它外部網(wǎng)絡時，傳輸層的功能是必要的目前關(guān)于傳感器網(wǎng)絡傳輸層機制和協(xié)議的建議很少存在的問題硬件的限制（例如有限的電能和存儲量）使傳感器節(jié)點不能像Internet中的服務器那樣存儲大量的數(shù)據(jù)TCP的應答方式開銷太大將來有可能在傳感器網(wǎng)絡中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡中使用TCP/UDP協(xié)議WSN傳輸層（2 2）一種TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使傳感器網(wǎng)絡和其它網(wǎng)絡（如Internet)互通WSNWSN應用層應用層協(xié)議還處于探索階段三種可能的應用層協(xié)議傳感器管理協(xié)議 Sensor manag