无线传感器网络技术概述.ppt

无无线传感器网感器网络技技术概述概述参考书目：书名：无线传感器网络作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松出版社：清华大学出版社教材书名：无线传感器网络技术作者：李晓维出版社：北京理工大学出版社成绩评定平时成绩：50%平时成绩：20%随堂测试：30%最后考试：50%目录传感器的概念传感器网络概述传感器网络应用传感器网络协议传感器网络研究进展传感器网络影响力内容：内容：一、概述一、概述二、电阻式传感器二、电阻式传感器三、光电式传感器三、光电式传感器四、光栅尺四、光栅尺五、编码器五、编码器目的：了解电阻式、光电式传感器和编码器的工作原理，掌握传感器的特性，并能在实际中正确应用。传感器概念 传感器是实现检测与自动控制的首要环节。传感器技传感器是实现检测与自动控制的首要环节。传感器技术又是衡量一个国家的科学技术和工业水平的重要标志。术又是衡量一个国家的科学技术和工业水平的重要标志。在信息时代，如何真实而迅速地认识和处理各类信息显的在信息时代，如何真实而迅速地认识和处理各类信息显的十分重要，捕捉和认识信息的器件，就是传感器。十分重要，捕捉和认识信息的器件，就是传感器。一、概述 国际电工委员会（国际电工委员会（IECIEC）的定义为：）的定义为：“传感器是测传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号测量的信号”。一、概述1、什么是传感器？狭义地说：感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。广义地说：传感器是指能感知某一物理量、化学量或生物量等信息，并能将之转化为可以利用的信息的装置。2、传感器分类按应用分类压力传感器温度传感器流量传感器速度传感器位移传感器等按原理分类电阻式传感器电容式传感器电感式传感器光电式传感器霍尔式式传感器热电式传感器等按输出信号分类开关量传感器模拟量传感器数字量传感器等一、概述3、传感器一般组成非电量电量敏感元件转换元件测量电路辅助电源敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与捡出被测对象的待测信息(非电量)的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。一、概述4、传感器发展超势（1）新材料的开发、应用（2）新工艺、新技术的应用（3）利用新的效应开发新型传感器（4）传感器的多功能化（5）传感器的集成化（6）传感器的智能化一、概述5、传感器的特性（1）传感器的静态特性（2）传感器的动态特性 当输入信号不随时间变化时输出信号与输入信号的关系称为传感器的静态特性 当输入信号随时间变化时，输出信号与输入信号的关系称为传感器的动态特性 一、概述5、传感器的特性（1）传感器的静态特性常用的传感器静态性指标包括：灵敏度 精确度测量范围与量程线性度误差滞后量重复性一、概述5、传感器的特性（2）传感器的动态特性零阶传感器otky零阶传感器的单位阶跃响应图y=K x一、概述5、传感器的特性（2）传感器的动态特性一阶传感器如用以测量温度的不带保护套的热电偶，就属于一阶传感器，数学模型的一般形式是：otky一阶传感器的单位阶跃响应图T1T20.632K稳值定一、概述5、传感器的特性（2）传感器的动态特性二阶传感器y二阶传感器的单位阶跃响应图otk稳值定欠阻尼临界阻尼过阻尼一、概述电阻式传感器包括以下电阻式传感器包括以下3种：种：电位器传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器电位器传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器二、电阻式传感器角位移传感器线位移传感器1、电位器传感器 基于在匀质导体中，电阻R与其长度L成正比的关系制造的一种位移量的电阻式传感器（2）电位器传感器的类型）电位器传感器的类型角位移电阻式传感器角位移电阻式传感器线位移的电阻式传感器。线位移的电阻式传感器。高精度位移传感器二、电阻式传感器（1）电位器传感器的原理）电位器传感器的原理输出电压UL与位移X呈非线性关系。只有RL无限大时输出电压UL与位移X间才是线性关系。（a）角位移电阻式（b）线位移电阻式传感二、电阻式传感器2、电阻应变式传感器(1)、结构结构：覆盖层基底引出线粘合剂电阻丝（敏感栅）核心元件：电阻丝什么是应变式传感器？什么是应变式传感器？基于电阻基于电阻应变效应应变效应制造的用于制造的用于 测量微小变化的测量微小变化的传感器。传感器。二、电阻式传感器(2)(2)(2)(2)应变效应应变效应应变效应应变效应 金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象称为“应变效应”，用来产生应变效应的细导体称为“应变丝（敏感栅）”F式中:R电阻;电阻率；L导体长度；A横面积二、电阻式传感器设有圆形截面导线,长度为 L,截面积为 A,材料的电阻率为，这段导线的电阻值 R 为：当导体受力时，其长度L，截面积 A，电阻率 相应发生变化为dL、d(r2)、d,因而引起电阻变化dR(2)(2)应变效应应变效应二、电阻式传感器对上式全微分，则：式中：电阻丝轴向应变电阻丝径向应变轴向应变与径向应变的关系是：y=-x(2)(2)应变效应应变效应二、电阻式传感器电阻变效率为几何项和压阻效应项综合的结果(2)(2)应变效应应变效应二、电阻式传感器(3)(3)应变片类型应变片类型(3)(3)应变片类型应变片类型应变片的筛选外观检查、测量应变片的初始电阻值构件表面处理贴片固化导线焊接与固定粘贴质量检查应变片的防潮保护(4)应变片粘贴和防护(3)应变片粘贴和防护实验室测量应力时粘贴方法(3)应变片粘贴和防护电子称用的弹性梁应变片直接感受应变或应力。测量时，将应变片粘贴在弹性元件（试件）上，当外力作用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力的作用，根据虎克定律，应变与应力成正比，=E 又由应变效应可知，应变片的应变与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。(5)应变式传感器测量原理单臂工作单臂工作 U U E KE K/4/4 (6)应变式传感器测量电路半桥工作U U E KE K/2/2 全桥工作U U E k E k A、应变片的电阻丝具有一定温度系数B、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。温度误差 应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。主要因素有两点：设环境引起的构件温度变化为t时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t,则应变片产生的电阻相对变化为:(7)应变片的温度误差与补偿补偿措施一单丝自补偿应变片选择与膨胀使应变片产生电阻变化相反的敏感栅材料。温度补偿常见的温度补偿措施有主要有以下三方面：由温度变化形成的总电阻相对变化表达式得知：只有(7)应变片的温度误差与补偿温度补偿补偿措施二双丝组合式自补偿应变片由两种不同电阻温度系数(一种为正值，一种为负值)的材料串联组成敏感栅(7)应变片的温度误差与补偿补偿措施三电路补偿法利用电桥相邻相等二臂同时产生大小相等、符号相同的电阻量不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿的目的。温度补偿(7)应变片的温度误差与补偿要达到完全补偿，需满足下列三个条件 Rl和R2须属于同一批号，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都应相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件两者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。(7)应变片的温度误差与补偿应变式传感器广泛应用于称重和测力领域。一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；二是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。应变式测力传感器有两种类型：1、柱式力传感器2、梁式力传感器(8)应变式传感器应用(一)柱式力传感器原理外形图(8)应变片式传感器应用内部图(一)柱式力传感器原理外形图展开图(8)应变片式传感器应用(8)应变片式传感器应用(一)柱式力传感器应用1、称重式料位计(8)应变片式传感器应用(一)柱式力传感器应用2、电子皮带秤电子皮带称的称重框架示意图(8)应变片式传感器应用(一)柱式力传感器应用2、电子吊车秤荷重传感器安装在吊车上的方式传感器防扭转臂信号电缆荷重传感器安装在钢丝绳固定端方式传感器动滑轮卷扬筒定滑轮(8)应变片式传感器应用(二)梁式力传感器原理 梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，梁厚为h。这种弹性元件的特点是，其截面沿粱长方向按一定规律变化，当囊中力F作用在自由端时，距作用力任何距离z的截面上应力a相等。因此，沿着这种梁的长度方向上的截面抗弯模量的变化与弯矩M的变化成正比即：(8)应变片式传感器应用(二)梁式力传感器应用 1、电子称 手提式电子秤，成本低，称重精度高，携带方便，适于购物时用。它采用准s型的双孔弹性体作为称重传感器的测力元件，重力P作用在中心线上。四片箔式电阻应变片粘贴在弹性体双孔的外侧位置处。双孔弹性体可简化为在一端受到力偶M的作用，其大小与重力P及双孔弹性体长度有关。(8)应变片式传感器应用如:西门称重传感器（种类有）1.BB系列波纹管式称重传感器2.CC系列柱式称重传感器3.K系列柱式称重传感器(9)应变式称重传感器产品实例西门子称重传感器SiwarexR-BB系列主要技术指标：1.最大荷载Emax：10kg2.精度等级：C33.最大刻度间隔：30004.最小刻度间隔：Emax/150005.电源电压：5.15V6.破坏负荷：300%Emax7.最大工作负荷：150%Emax8.额定温度范围：-10.+40C9.操作温度：-40.+80C10.防护等级：IP66/IP68当Emax分成3000等分时，该值通过OIMLR-60认证（国际法定度量衡组织），符合C3标准当Emax分成15000等分时，能正确分辨其值，但并没有得到OIML认证。3.333g/每间隔0.666g/每间隔 该波纹管为不锈钢波纹管主要应用于补偿弹性体热变形、减震、吸收沉降变形等作用，波纹管力支撑点固定孔电缆线西门子称重传感器（外形结构）西门子称重传感器（内部结构）弯曲横梁（弹性体）电阻应变片应变片拉伸压缩西门子称重传感器（内部结构）称重传感器测量电路西门子称重传感器(附件)自定位螺栓导向套件密封圈支撑件固定支架西门子称重传感器(附件)固定支架过载保护顶板传感器固定螺丝钉底板限制振动，防举起装置西门子称重传感器(附件)(固定支架安装)自动定心，自定位螺栓能使顶板以及负载体沿水平方向发生位移（由于温度变动），自定位螺栓的结构能产生一个随位移量和外加负载而变的复原力保持水平固定支架安装保持水平固定支架安装1、什么是光电式传感器？以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器。三、光电式传感器2、用途主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。三、光电式传感器3、特点光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电式传感器的进一步应用开创了新的一页。三、光电式传感器4、光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。什么是光电效应在光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生电效应现象，如导电率变化、释放电子和产生电动势等。释放的电子叫光电子，能产生光效应的物质叫电材料。三、光电式传感器光电效应分为以下三种：(1)内光电效应-在光线作用下，物体的电导性能改变的现象称为内光电效应。如光敏电阻(2)外光电效应-在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管(3)光生伏特效应-在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管。三、光电式传感器（一）光敏电阻传感器1、光敏电阻的结构与工作原理结构：它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接人电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。三、光电式传感器（一）光敏电阻传感器1、光敏电阻的结构与工作原理原理：光敏电阻又称光导管,几乎都是利用半导体材料制成的光敏器件.光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值很大,电路中电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的电阻值急剧减少,电路中的电流很大。三、光电式传感器(一)光敏电阻传感器2、光敏电阻的主要参数(3点)（1）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流，I暗。（2）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流，I亮。（3）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流，I光=I亮-I暗三、光电式传感器（一）光敏电阻传感器3、光敏电阻的基本特性（3点）（1）伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。三、光电式传感器（一）光敏电阻传感器3、光敏电阻的基本特性（2）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与人射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。0.65um1.05um2.3um三、光电式传感器（一）光敏电阻传感器3、光敏电阻的基本特性（3）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。2.85um2.0um三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏晶体管1、光敏二极管的结构光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。结构外形符号三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏三极管2、光敏二极管的原理当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态。三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏三极管3、光敏三极管的结构三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏三极管4、光敏三极管的原理光照射在发射极e与基极b之间的PN结附近便产生光电流(几微安，相当于三极管的基极电流)，于是在集电极c与基极b之间的PN结能产生几毫安电流(相当于三极管的集电极电流)。光电三极管的通频带较窄，不如光电二极管性能稳定，但灵敏度高。三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏三极管5、基本特性（1）光谱特性从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9um，锗的峰值波长约为1.5um，此时灵敏度最大，而当入要射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，则锗管较为适宜。0.9um1.5um三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏晶体管5、基本特性（2）伏安特性从曲线可以看出，光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏晶体管5、基本特性（3）温度特性暗电流及光电流与温度的关系。称光敏晶体管的温度特性影响较大影响较小三、光电式传感器（二）光敏二极管和光敏晶体管5、基本特性几种硅光电二极管的特性参数型号或名称型号或名称 光谱范围光谱范围 峰值波长峰值波长 灵敏度灵敏度 响应响应时间时间 探测本领探测本领 2DU 0.41.1 0.9 0.4 10-7 最小可探测功率最小可探测功率 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、光电式传感器光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。属有源器件。1、硒光电池2、氧化亚铜光电池3、硫化铊光电池4、硫化镉光电池5、锗光电池6、硅光电池7、砷化镓光电池一、光电池的种类：能用可见光作光源能用可见光作光源（三）光电池三、光电式传感器（三）光电池1、结构及符号(a)结构图外型图(c)符号三、光电式传感器（三）光电池2、光电池的工作原理光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。-称光生伏特效应三、光电式传感器（三）光电池3、光电池的基本特性（1）光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的硒光电池在0.5um附近桂光电池在0.81um附近三、光电式传感器（三）光电池3、光电池的基本特性（2）光照特性光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。流三、光电式传感器（三）光电池3、光电池的基本特性（3）温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。使用时，必须进行温度补偿三、光电式传感器（三）光电池4、国产硅光电池的特性参数参量型号参量型号 开路电压开路电压 mV 短路电流短路电流 mA 输出电流输出电流 mA 转换效率转换效率 面积面积/mm22CR31 450-600 915 6.58.5 68 510 2CR32 550-600 915 8.611.3 8lO 510 2CR33 550-600 12-15 11.4-15 10-12 510三、光电式传感器齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。（四）光电传感器的应用（1）n三、光电式传感器6/3/202484（四）光电传感器的应用（2）三、光电式传感器6/3/202485使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪 1高温物体2物镜3半反半透镜4反射镜5目镜6观察者眼睛7光阑8光导棒9镜10、12滤光镜11、13硅光电池14、15电流/电压转换器（四）光电传感器的应用（3）三、光电式传感器6/3/202486（四）光电传感器的应用（4）光电检测装置三、光电式传感器87红外测温仪（四）光电传感器的应用（7）三、光电式传感器（四）光电传感器的应用（8）光电报警装置三、光电式传感器烟雾（四）光电传感器的应用（9）光电烟雾检测装置三、光电式传感器（四）光电传感器的应用（10）四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用光栅传感器主要用于长度和角度的精密测量以及数控系统的位置检测等。具有测量精度高、抗干扰能力强、适用于动态测量和自动测量以及数字显示等特点，在座标测量仪和数控机床的伺服系统中有着广泛的应用。1、光栅的基本结构（1）光栅 光栅是在透明的玻璃上刻有大量相互平行、等宽而又等间距的刻线。这些刻线是透明的和不透明的，或是对光反射的和不反射的。黑白型长光栅四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用1、光栅的基本结构栅线缝隙光栅结构abW栅线的宽度为a（一般为812mm），线间宽度为b，一般取a=b，而W=a+b，W称为光栅栅距(也称为光栅常数或光栅节距，是光栅的重要参数，用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度，如100线mm、250线mm)。(2)光栅结构四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用1、光栅的基本结构A、按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。(3)类型B、按其透射形式，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。C、按其栅线形式，光栅可分为黑白光栅(幅值光栅)和闪耀光栅(相位光栅)。D、按其应用类型，光栅可分为长光栅和圆光栅。(a)长光栅(b)圆光栅四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用2、光栅传感器的工作原理莫尔条纹原理abW四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用2、光栅传感器的工作原理计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的。莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的(两只光栅参数相同)。莫尔条纹原理主光栅指示光栅abWddddffff（a）四、光栅传感器及其应用2、光栅传感器的工作原理莫尔特性(1)平均效应。莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅栅线的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除刻线周期误差对测量精度的影响。莫尔条纹原理主光栅指示光栅abWddddffff四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用2、光栅传感器的工作原理莫尔特性(2)放大作用。由于角很小，从式31可明显看出莫尔条纹有放大作用，放大倍数为例如：W=0.02mm，=0.1，则B=11.4592mm，其K值约为573，用其它方法很难得到这样大的放大倍数。主光栅指示光栅abWddddffff（a）Bw/2w/2ff(b)四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用2、光栅传感器的工作原理莫尔特性(3)对应关系。两光栅沿与栅线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿栅线方向(确切地说，沿栅线夹角的平分线方向)移动。两光栅相对移动一栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B。主光栅指示光栅abWddddffff（a）四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用3、光栅传感器的结构光栅传感器是利用莫尔条纹将光栅栅距的变化转换成莫尔条纹的变化，只要利用光电元件检测出莫尔条纹的变化次数，就可以计算出光栅尺移动的距离。光栅传感器作为一个独立完整的测量系统，它包括光栅传感器(光栅尺)和数显表两部分。四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用3、光栅传感器的结构图1光栅尺光源透镜主光栅指示光源光电接收元件图2光栅尺结构原理四、光栅传感器及其应用3、光栅传感器的结构光栅传感器由光源、光栅尺、光电元件及光学系统组成图34透射光栅光路、光电转换电路示意图（a）b c光源指示光栅聚光镜主光栅光电元件物镜Vcc输出aU四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用4、光栅传感器的应用(1)图35透射长光栅和圆光栅传感器（b）（a）四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用4、光栅传感器的应用(2)机床用光栅传感器四、光栅传感器及其应用四、光栅传感器及其应用4、光栅传感器的应用(3)四、光栅传感器及其应用五、编码器五、编码器 角度一数字编码器结构最为简单，广泛用于简易数控机械系统中。按工作原理分为两种：1、脉冲盘式2、码盘式1、编码器分类或增量式或绝对式五、编码器五、编码器 图5-5旋转编码器脉冲式编码器外形图1 编码器图2 编码器原理图五、编码器五、编码器 2、编码器结构1、脉冲盘式角度一数字编码器 图1 编码器图2 编码器原理图五、编码器五、编码器 3、编码器工作原理4、脉冲盘式编码器四倍频细分辨及方向判别的原理 t1t2t3t4信号1(A相)信号2(B相)图2 编码器原理图五、编码器五、编码器 t1t2t3t4信号1(A相)信号2(B相)图2 编码器原理图11110000五、编码器五、编码器 4、脉冲盘式编码器四倍频细分辨及方向判别的原理 t1t2t3t4信号1(A相)信号2(B相)序号序号时间段时间段AB细分值细分值1t1101/42t2112/43t3013/44t4004/4图1 编码器图2 编码器原理图五、编码器五、编码器 4、脉冲盘式编码器四倍频细分辨及方向判别的原理 2、码盘式编码器 码盘式角度一数字编码器是按角度直接进行编码的传感器，通常把它装在检测轴上。按其结构分为：1、接触式2、光电式3、电磁式五、编码器五、编码器 2、码盘式编码器(1)结构 分辨率：=360/2n=360/24=22.5度1234接触式四位二进制码盘码道导电区接高电平”1”优点：简单、输出信号功率大。缺点：有磨损、寿命短(使用寿命大约是106107转)、转速不能太高。五、编码器五、编码器 2、码盘式编码器 (2)原理 12340000R202311100101电刷编码编码0000序号序号0角度角度22.50000114500010267.500011390001004112.5001015135001106157.5001117180010008202.5010019220.50101010247.501011112700110012292.501101133150111014337.501111153600五、编码器五、编码器 2、码盘式编码器(3)误差 1234R202310112=1110(11112=1510)10002=810误差较大五、编码器五、编码器 五、编码器五、编码器(4)绝对式编码器非单值性误差的消除循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有 变 化，即“0”变 为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数六、小结六、小结 5、角度数字编码器结构最为简单，精度高，广泛用于数控机械系统中。如数控机床、机器人等。4、以光电器件作为转换元件的传感器称光电式传感器。主要用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；3、电阻应变式传感器是基基于于电电阻阻应应变变效效应应制制造造的的用用于于测测量量微微小变化的传感器。小变化的传感器。广泛应用于称重和测力领域。2、什么是传感器-传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。1、传感器是实现检测与自动控制的首要环节。而传感器技术又是衡量一个国家的科学技术和工业水平的重要标志。什么是计算机网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。什么是传感器网络WSN-Wireless Sensor Networks基础微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术解释1由部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。什么是传感器网络解释2：传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者传感器网络的基本功能协作地感知、采集、处理和发布感知信息 传感器接近感知对象传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流传感器仅产生数据流 传感器无计算能力传感器无计算能力 无传感器间通信能力无传感器间通信能力SensorsSensorsObjectObject信号分析信号分析信号分析信号分析传统的感知方法传统的感知方法有线有线/无线连接无线连接现代感知方法Sensing AreaSensing AreaObjectObjectUserUser端端端端 传感器网络覆盖传感器网络覆盖传感器网络覆盖传感器网络覆盖感知对象区域感知对象区域感知对象区域感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大观测任务观测任务 使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法向用户报告观测结果观测结果SinkSinkInternetInternet或或或或通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星Sensor networkSensor networkUserUser端端端端传感器网络的网络结构sink-汇聚点sensor node-传感器节点sensor field-监测区域传感器网络的实体传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量Sink节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等n n现代微型传感器现代微型传感器n n感知能力感知能力计算能力计算能力通信能力通信能力n n体积小体积小n n能耗小能耗小n n由六部分组成由六部分组成传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量传感器网络的特点大规模网络：地理区域大；部署密集提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区自组织网络：不确定性；拓扑结构变化资源受限：计算、存储、通讯、能量动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性应用相关：没有统一的通信协议平台以数据为中心传感器节点的限制电源能量有限通信能力有限计算和存储能力有限传感器网络概述与AD HOC的不同WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁Ad hoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信军事应用军事应用联合国维和部队联合国维和部队伊伊 拉拉 克战争克战争微型感应传感器网络微型感应传感器网络核武器和生化武器核武器和生化武器军事应用美军未来战斗系统的战场警戒示意图美军未来战斗系统的战场警戒示意图传感器节点通行车辆枪声定位反恐系统F-22F-22猛禽战斗机猛禽战斗机美国美国F-22猛禽战斗机猛禽战斗机机外传感器网络机外传感器网络 美军“沙地直线”项目无线链路目标探测、分类和跟踪传感器节点传感器节点商业电力高压线电力高压线高尔夫球场高尔夫球场葡葡 萄萄 园园道道 路路 交交 通通智能停车场智能停车场物流系统物流系统列车铁轨列车铁轨高速公路系统高速公路系统韩国济州岛智能渔场北京大兴区菊花基地克尔斯博公司浙江温州的奶牛牧场浙江温州的奶牛牧场沈阳玫瑰园讨 论 题 请大家思考和组织课堂讨论：请大家思考和组织课堂讨论：传感器网络还可以有哪些用途？传感器网络还可以有哪些用途？n n通信能力有限通信能力有限n n节点带宽窄，而且经常变化节点带宽窄，而且经常变化n n节点通信覆盖范围只有几十到几百米，节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化而且经常变化挑战之一挑战之一如何在如此有限通信能力的条件下如何在如此有限通信能力的条件下,高质量地高质量地完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？完成感知数据的查询、分析、挖掘与传输？在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复在传感器网络环境下，发现最小化算法通信复杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！杂性的机理是我们面临的第一个挑战问题！n n多源、多跳是主要通信方式多源、多跳是主要通信方式n n多个传感器节点向一个目标传送信息多个传感器节点向一个目标传送信息n n一次多源信息传输需要多条由多个传一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径感器节点组成的路径挑战之二挑战之二如何为多源信息传输选择优化通信路径？如何为多源信息传输选择优化通信路径？在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化在传感器网络环境下，建立选择优化或近似优化通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！通信路径的理论是我们面临的第二个挑战问题！n n节点移动、断接频繁节点移动、断接频繁n n在移动网络中，节点移动频繁在移动网络中，节点移动频繁n n节点间通信的断接频繁，导致通信失败节点间通信的断接频繁，导致通信失败.n n经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响貌以及风雨雷电等自然环境的影响,因此因此传感器可能会长时间脱离网络传感器可能会长时间脱离网络,离线工作离线工作挑战之三挑战之三 通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具通信路径重构成为突出问题？路由算法必须具有自适应性？有自适应性？如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信如何建立网络随机连通性的数据理论，为通信路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论路径重构和自适应路由算法设计奠定坚实理论基础是我们面临的第三个挑战问题？基础是我们面临的第三个挑战问题？n n电源能量有限电源能量有限n n传感器的电源能量极其有限传感器的电源能量极其有限n n由于电源能量的原因经常失效或废弃由于电源能量的原因经常失效或废弃n n电源能量约束是传感器网络应用的障碍电源能量约束是传感器网络应用的障碍n n现有电源部件不能满足传感器网络的需现有电源部件不能满足传感器网络的需要要n n传感器传输信息比执行计算更消耗电能传感器传输信息比执行计算更消耗电能n n传感器传输传感器传输传感器传输传感器传输1 1位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行位信息需要的电能足以执行30003000条计算指令条计算指令条计算指令条计算指令挑战之四挑战之四如何传感器网络在工作过程中节省能，如何传感器网络在工作过程中节省能，实现能源均衡，最大化网络生命周期？实现能源均衡，最大化网络生命周期？建立能源复杂性和能源均衡理论是我们建立能源复杂性和能源均衡理论是我们面临的第四个挑战性问题！面临的第四个挑战性问题！n n计算能力有限计算能力有限n n传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力理器和存储器，具有计算能力n n但是，处理器性能、存储器容量和能源都但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限很有限，导致传感器的计算能力十分有限挑战之五挑战之五 如何使用大量具有有限计算能力的传感器设如何使用大量具有有限计算能力的传感器设计能源有效的高性能分布式算法计能源有效的高性能分布式算法 设计同时最小化能源、时间、空间和通信复设计同时最小化能源、时间、空间和通信复杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性杂性的分布式算法是我们面临的第五个挑战性问题！问题！n n传感器数量大、分布范围广传感器数量大、分布范围广n n传感器网络中传感器节点密集，数量传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多更多n n传感器网络可以分布在很大区域，也传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下可以分布在险恶环境下n n传感器数量大、分布广的特点使得网传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护络的维护十分困难甚至不可维护挑战之六挑战之六如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和如何使传感器网络软硬件具有高强壮性和容错性是我们面临的第六个挑战性问题！容错性是我们面临的第六个挑战性问题！n n大规模分布式触发器大规模分布式触发器n n很多传感器网络需要对感知对象进很多传感器网络需要对感知对象进行控制（如温度控制）行控制（如温度控制）n n传感器需要配备回控装置和控制软传感器需要配备回控装置和控制软件件n n我们称回控装置和控制软件为触发我们称回控装置和控制软件为触发器器挑战之七挑战之七如何管理成千上万分布式触发器是我如何管理成千上万分布式触发器是我们面临的第七个挑战性问题？们面临的第七个挑战性问题？n n感知数据流无限感知数据流无限n n传感器网络每个传感器都产生无限传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性的流式数据，并具有实时性n n每个传感器仅具有有限的存储器和每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数计算资源，难以处理巨大的实时数据流据流挑战之八挑战之八如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知如何设计高效率、能源有效、实时的海量感知数据流的查询、分析和挖掘的