传感器 第5版 教学课件 作者 唐文彦 第13章 .pptx

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器（第5版）哈尔滨工业大学唐文彦主编第一节MEMS传感器第二节无线传感器网络第三节时栅传感器第四节其它传感器简介第十三章 传感技术新发展普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回主目录第十三章 传感技术新发展第一节MEMS传感器一、原理及特点MEMS(MicroElectricMechanicalSystem，MEMS)即为微机电系统，一个完善的MEMS，往往是集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。图13-1典型的

2、MEMS示意图第一节MEMS传感器MEMS传感器具有一系列的优点:1.体积小，重量轻。2.能耗低。3.性能好。4.易于批量生产，成本低。5.便于集成化和多功能化。6.提高传感器的智能化水平。第一节MEMS传感器二、加工技术硅具有极优越的机械和电性能，因此微传感器多由硅加工而成。主要的技工技术：1.体微加工技术2.表面微加工技术3.键合技术4.光刻电铸注塑技术(LIGA)第一节MEMS传感器三、应用举例1.热电堆微传感器热电堆就是将多个热电偶串联起来构成的一种温度传感器或红外光探测器。热电堆的输出电压（输出温

3、差电动势）是多个热电偶的输出电压之和。为了提高灵敏度和响应速度，热电堆光电探测器往往采用薄膜来制作。热电堆光电探测器通常都放置于真空中或者惰性气体中。第一节MEMS传感器图13-2热电堆截面图图13-3热电堆元件封装图第一节MEMS传感器2.单悬臂梁压阻式加速度微传感器图13-4单悬臂梁压阻式加速度微传感器结构原理图第一节MEMS传感器图13-5单悬臂梁压阻式加速度微传感器的制作工艺过程第二节无线传感器网络无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系

4、统。一、无线传感器网络的结构图13-6无线传感器网络的结构第十三章 传感技术新发展第二节无线传感器网络传感器模块用于信息采集和数据转换，处理器模块负责协调与控制节点内各部分的工作，无线通信模块负责与其它传感器节点交换控制消息和收发采集数据，能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。图13-7传感器节点结构第二节无线传感器网络图13-8无线传感器网络协议第二节无线传感器网络二、无线传感器网络的特点无线传感器网络因其节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力有限，其设计的首要目标是能量的高效利用，也是其区别与其

5、他无线网络的根本特征。能量资源有限硬件资源有限无中心自组织多跳路由动态拓扑节点数量多可靠性第二节无线传感器网络三、无线传感器网络的设计要点无线传感器网络的设计优劣直接影响其性能和实用性，下面仅介绍部分设计要点。1.拓扑结构控制2.网络协议3.时间同步和目标定位4.硬件平台5.嵌入式操作系统第二节无线传感器网络四、无线传感器网络的应用无线传感器网络节点微小、价格低廉、部署方便、隐蔽性高、可自主组网，在军事、农业、环境监控、健康监测、工业控制、智能交通和仓储物流等领域具有广阔的应用前景。1.军事应用2.健康监测

6、应用3.环境监测此外，在智能家居、智能交通、智能电网、智能工业、智能农业等领域都开展了研究和技术推广。随着无线传感器网络的日益成熟，将更多地应用于人类生活和社会各个方面。第三节时栅传感器时栅传感器是由我国科技人员发明的一种位移传感器，它将空间位移转换为时间间隔来实现空间位移的测量，具备时间测量的优点。一、测量原理图13-9时栅传感器测量原理VvxbS静止参考系（大地）S′a0第十三章 传感技术新发展第三节时栅传感器在时刻Tbi被测点b与参考点a之间沿圆周的位移x可以通过瞬时时刻Tbi和Tai之间的时间差反映

7、出来式中ΔTi=Tbi-Tai——S′第i次扫描到参考点b和被测a点的时间之差，i=1,2,3,…。时间差ΔTi可以用周期为Δt的高频时钟脉冲的计数nt来表示，则公式可表示为第三节时栅传感器二、磁场式时栅传感器根据测量对象的不同，又分为圆时栅和直线时栅两大类，前者用于测量角位移，后者用于测量直线位移。（一）工作原理1—定子2—定测头b3—动测头a图13-10圆时栅示意图第三节时栅传感器1—定尺2—定测头b3—动测头a图13-11直线时栅示意图第三节时栅传感器(二)信号处理方式圆时栅通过检测动、定测头信号正向

8、过零点的时间差来实现对角位移的测量，信号处理电路如图13-12a所示。图13-12a时栅信号处理电路第三节时栅传感器ua和ub首先接入整形电路处理，转换为两路方波信号Pa和Pb，其信号关系如图13-12b所示，再将Pa和Pb输入数字电路进行处理，得到两路信号上升沿的时间差ΔTi和信号Pb的周期T，利用高频时钟插补得到ΔTi和T，其中T用于计算磁场的旋转速度V。微处理器根据式(13-1)计算处理后得到两测头之间的角