作者：廖建尚,张振亚,等
出版社：电子工业出版社
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面向物联网的传感器应用开发技术试读：
前言
FOREWORD近年来，物联网、移动互联网、大数据和云计算的迅猛发展，慢慢改变了社会的生产方式，大大提高了生产效率和社会生产力。工业和信息化部《物联网发展规划（2016—2020年）》总结了“十二五”规划中物联网发展所获得的成就，分析了“十三五”面临的形势，明确了物联网的发展思路和目标，提出了物联网发展的6大任务，分别是强化产业生态布局、完善技术创新体系、推动物联网规模应用、构建完善标准体系、完善公共服务体系、提升安全保障能力；提出了4大关键技术，分别是传感器技术、体系架构共性技术、操作系统和物联网与移动互联网、大数据融合关键技术；提出了6大重点领域应用示范工程，分别是智能制造、智慧农业、智能家居、智能交通和车联网、智慧医疗和健康养老、智慧节能环保；指出要健全多层次多类型的物联网人才培养和服务体系，支持高校、科研院所加强跨学科交叉整合，加强物联网学科建设，培养物联网复合型专业人才。该“发展规划”为物联网发展指出了一条鲜明的道路，并也可以看出我国在推动物联网应用方面的坚定决心，相信物联网规模会越来越大。本书结合CC2530处理器和常用的传感器详细阐述物联网中传感器应用开发技术，提出了案例式和任务式驱动的开发方法，旨在大力推动物联网人才的培养。
嵌入式系统和物联网系统涉及的技术很多，底层和感知层都需要掌握基于微处理器的传感器的驱动开发技术。本书将详细分析传感器的原理并进行应用开发，理论知识点清晰，并在每个知识点后都附有实践案例，可帮助读者掌握常用传感器的应用开发技术。
全书通过贴近社会和生活的案例，由浅入深地介绍常用传感器的应用开发技术，每个案例均有完整的理论知识和开发过程，分别是深入浅出的原理学习、详细的软/硬件设计和功能实现过程，最后进行总结拓展。每个案例均附有完整的开发代码，在此基础上读者可以进行快速的二次开发，能方便将其转化为各种比赛和创新创业的案例，不仅为高等院校相关专业师生提供教学案例，也可以为工程技术人员和科研工作人员提供较好的参考资料。
第1章引导读者初步认识传感器，介绍传感器的作用、分类、特性和评价指标，传感器在多个行业的应用，传感器的发展趋势及其在物联网中的应用。
第2章介绍采集类传感器的基本原理和应用开发，主要介绍光照度传感器、温湿度传感器、空气质量传感器、气压海拔传感器等采集类传感器。本章通过博物馆光照度采集的设计、仓库温湿度信息采集的设计、办公室空气质量检测的设计、小型飞行器海拔高度数据采集的设计，以及综合性项目—仓库环境监控系统的设计，详细介绍了CC2530和常用的采集类传感器的应用，以及系统需求分析、逻辑功能分解和软/硬件架构设计的方法。通过理论学习和开发实践，读者可以掌握基于CC2530的采集类传感器应用开发技术。
第3章介绍安防类传感器的基本原理和应用开发，主要介绍人体红外传感器、可燃气体传感器、振动传感器、霍尔传感器、火焰传感器和光电传感器等安防类传感器。本章通过楼道红外感应灯的设计、厨房燃气报警器的设计、汽车振动报警器的设计、变频器保护装置的设计、燃烧机火焰检测的设计、工厂生产线计件器的设计，以及综合性项目—楼宇安防设备系统的设计，详细介绍了CC2530和常用的采集类传感器的应用，以及系统需求分析、逻辑功能分解和软/硬件架构设计的方法。通过理论学习和开发实践，读者可以掌握基于CC2530的安防类传感器的应用开发技术。
第4章介绍控制类传感器技术的基本原理和应用开发，主要介绍继电器、轴流风机、步进电机、RGB灯等控制类传感器。本章通过定时电饭煲开关的设计、工厂排风扇的设计、电动窗帘的设计、声光报警器的设计，以及综合性项目—家庭电器控制系统的设计，详细介绍了CC2530和常用的控制类传感器的应用，以及系统需求分析、逻辑功能分解和软/硬件架构设计的方法。通过理论学习和开发实践，读者可以掌握基于CC2530的控制类传感器的应用开发技术。
第5章介绍特殊类传感器技术的基本原理和应用开发，主要介绍数码管、三轴加速度传感器、语音合成传感器、语音识别传感器、五向开关、OLED、触摸传感器、距离传感器等常用的特色类传感器。本章通过电子计时秒表的设计、游戏手柄的设计、语音早教机的设计、电器语音控制系统的设计、智能游戏手柄的设计、智能穿戴产品显示屏的设计、电磁炉开关的设计、红外测距仪的设计，以及综合性项目—车载广告显示系统的设计，详细介绍了CC2530和常用的特殊类传感器的应用，以及系统需求分析、逻辑功能分解和软/硬件架构设计的方法。通过理论学习和开发实践，读者可以掌握基于CC2530的特殊类传感器的应用开发技术。
本书特色有：（1）理论知识和案例实践相结合。将常用传感器的应用开发技术和生活中的实际案例结合起来，边学习理论知识边开发，帮助读者快速掌握嵌入式和物联网开发技术。（2）企业级案例开发。抛去传统的理论学习方法，通过生动的案例将理论学习与开发实践结合起来，由浅入深地掌握传感器应用开发技术。（3）提供综合性项目。综合性项目为读者提供软/硬件系统的开发方法，有需求分析、项目架构、软/硬件设计等方法，在提供案例的基础上可以进行快速的二次开发，可方便地将案例转化为各种比赛和创新创业的案例，也可以为工程技术人员和科研工作人员提供较好的参考资料。
本书既可作为高等院校相关专业的教材或教学参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。对于物联网开发爱好者，本书也是一本的深入浅出的读物。
本书在编写过程中，借鉴和参考了国内外专家、学者、技术人员的相关研究成果，我们尽可能按学术规范予以说明，但难免会有疏漏之处，在此谨向有关作者表示深深的敬意和谢意，如有疏漏，请及时通过出版社与作者联系。
该书得到广东省自然科学基金项目（2018A030313195）、广东省高校省级重大科研项目（2017GKTSCX021）、广东省科技计划项目（2017ZC0358）、广州市科技计划项目（201804010262）和广东省高等职业教育品牌专业建设项目（2016GZPP044）的资助。感谢中智讯（武汉）科技有限公司在本书编写过程中提供的帮助，特别感谢电子工业出版社在本书出版过程中给予的大力支持。
由于本书涉及的知识面广，时间仓促，限于笔者的水平和经验，疏漏之处在所难免，恳请专家和读者批评指正。作 者2019年3月第1章传感器应用技术概述作为信息采集的首要部件，传感器的作用主要是信息的采集、转换和控制。系统自动化技术水平越高，对传感器技术的依赖程度就越大。在日常生活中，人们可以通过皮肤来感知周围的环境温度，通过环境温度可以提醒自己是否要添加衣物；人们可以通过眼睛来获取周围环境的图像信息，通过分析这些图像信息可以为人的学习和正常活动提供引导；人们可以通过耳朵来获取环境周围的声音信息，通过判断声音中携带的信息可实现人与人的交流。在整个过程中，大脑都用来处理环境温度、图像、声音等信息，而传感器好比人的这些感觉器官，通过感知周围环境为大脑提供信息。传感器在多个领域中得到了广泛应用，尤其在物联网领域更是不可或缺，如图1.1所示。图1.1 传感器与物联网1.1 传感器简述1.1.1 传感器的作用
传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常是由敏感元件和转换元件组成的。由传感器的定义可知，传感器的基本性能是信息采集和信息转换，所以传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成，有时还包括电源等其他的辅助电路，如图1.2所示。图1.2 传感器的基本组成
人们在研究自然现象、规律以及生产活动中，有时仅需要对某一事物的存在与否进行定性了解，有时却需要进行大量的测量实验以确定对象的确切数据值，所以单靠人的自身感觉器官的功能是远远不够的，这就需要仪器设备的帮助，这些仪器设备就是传感器。传感器是人类五官的延伸，是信息采集系统的首要部件。
表征物质特性及运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。
电量：一般指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容及电感等。
非电量：除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、质量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度及酸碱度等。
非电量需要转化成与其有一定关系的电量后再进行测量，实现这种转换技术的器件就是传感器。传感器是获取自然界或生产中信息的关键器件，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集工具。采用传感器技术的非电量电测方法，是目前应用最广泛的测量技术。
传感器的任务就是感知与测量。在人类文明史的历次产业革命中，感受、处理外部信息的传感技术一直扮演着重要的角色。例如，早在东汉时期，科学家张衡就发明了地动仪对地震进行监测，如图1.3所示。图1.3 地动仪
从18世纪工业革命以来，特别是在20世纪的信息革命中，传感技术越来越多地由人造感官—工程传感器来实现。目前，工程传感器的应用非常广泛，可以说，任何机械、电气系统都离不开它。
现代技术的发展创造了多种多样的工程传感器。工程传感器可以轻而易举地测量人体无法感知的量，如紫外线、红外线、超声波、磁场等。从这个意义上讲，工程传感器超过了人的感知能力。有些量，虽然人的感官和工程传感器都能检测，但工程传感器测量得更快、更精确。例如，人眼和光传感器都能检测可见光，进行物体识别与测距，但是人眼的视觉残留约为0.1 s，而光晶体管的响应时间可缩短到纳秒以下；人眼的角分辨率为1角分（1度= 60角分），而光栅测距的精度可达1角秒（1角分=60角秒）。又如，激光定位的精度在距离3×410 km的范围内可达10 cm。工程传感器也可以把人们看不到的物体通过数据处理变为视觉图像，CT技术就是一个例子，它可以把人体的内部结构用断层图像的形式显示出来。
随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，目前传感器走上了与微处理器相结合的道路，智能传感器应运而生。1.1.2 传感器的分类
传感器的种类繁多，功能各异，不同的传感器可以测量同一被测量，同一原理的传感器又可以测量多种被测量，根据不同的分类方法，可以将传感器分成不同的类型。以下是一些比较常用的分类方法。（1）根据传感器工作依据的基本效应，可以分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。物理量传感器有速度、加速度、力、压力、位移、流量、温度、光、声、色等传感器；化学量传感器有气体、湿度、离子等传感器；生物量传感器有蛋白质、酶、组织等传感器。（2）根据工作机理，可以分为结构型、物性型和混合型传感器。结构型传感器是利用物理学的定律，依据传感器结构参数变化实现信息转换的。例如，电容式传感器是利用电容极板间隙或面积的变化来测量电容的。物性型传感器是利用物质的某种或某些客观属性等，依据敏感元件物理特性的变化实现信息转换的。例如，压电式传感器可以将压力转换成电荷的变化。混合型传感器是由结构型和物性型传感器组合而成的。例如，应变式力传感器由外力引起弹性膜片的应变，再由转换元件转换成电阻的变化。（3）根据能量关系，可分为能量控制型有源传感器和能量转换型无源传感器两大类。（4）按输入物理量的性质，可以分为力学量、热量、磁、放射线、位移、压力、速度、温度、湿度、离子、光、液体成分、气体成分等传感器。（5）根据输出信号形式，可分为模拟量传感器和数字量传感器。（6）根据传感器使用的敏感材料，可分为半导体传感器、光纤传感器、金属传感器、高分子材料传感器、复合材料传感器等。（7）按照敏感元件输出能量的来源，又可以把传感器分成以下三类。
① 自源型传感器：指仅含有转换元件的最简单、最基本的传感器构成方式，其特点是不需要外部能源，转换元件可以从被测对象直接吸取能量并将被测量转换成电量，但输出量较弱，如热电偶、压电器件等传感器。
② 带激励源型传感器：是转换元件外加辅助能源的构成方式，这里的辅助能源起激励作用，可以是电源，也可以是磁源，如某些磁电式、霍尔传感器等电磁感应式传感器就属于这种类型，其特点是不需要转换（测量）电路即可获得较大的电量输出。
③ 外源型传感器：是由利用被测量实现阻抗变化的转换元件构成的，必须由外电源经过测量电路后在转换元件上加入电压或电流才能获得电量输出。这些电路又称为信号调理与转换电路，常用的有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器和脉冲宽度调制电路等。
由于自源型传感器和带激励源型传感器的转换元件具有能量转换的作用，故也称为能量转换型传感器。此类传感器用到的物理效应有压电效应、磁致伸缩效应、热释电效应、光电动势效应、光电放射效应、热电效应、光子滞后效应、热磁效应、热电磁效应、电离效应等。
外源型传感器又称为能量控制型传感器。此类传感器用到的物理效应有应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电阻效应、霍尔效应、阻抗效应等。
传感器的分类方法还有很多，如根据某种高新技术或者按照用途、功能等进行分类。
常见的传感器分类方法如表1.1所示。表1.1 传感器的分类方法续表1.1.3 传感器的特性与性能指标
1.传感器的特性
传感器所测量的物理量基本上有两种形式：一种是稳定的，即不随时间变化或随时间变化极其缓慢的信号，称为静态信号；另一种是不稳定的，即随时间变化而变化的信号，称为动态信号。由于输入物理量形式不同，传感器所表现出来的输出-输入特性也不同，因此传感器也有两种特性，即静态特性和动态特性。为了降低或者消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态特性和动态特性，才能准确、无失真地转换信号。（1）静态特性：是指对于输入静态信号时，传感器的输出量与输入量之间的相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系（即传感器的静态特性）可用一个不含时间变量的代数方程，或者以输入量为横坐标、对应的输出量为纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨率和迟滞等。（2）动态特性：是指在传感器输入发生变化时，其输入和输出的关系。在实际工作中，传感器的动态特性常用对某些标准输入信号的响应来表示，这是因为传感器对标准输入信号的响应容易通过实验方法求得，并且对标准输入信号的响应与对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推导出后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦波信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
2.传感器的性能指标（1）量程和范围：量程是指测量上限和下限的代数差。范围是指仪表能按规定精确度进行测量的上限和下限的区间。例如，一个位移传感器的测量下限是-5 mm，测量上限是+5 mm，则这个传感器的量程为5-（-5）=10 mm，范围是-5～+5 mm。（2）线性度：通常情况下，传感器的实际静态特性输出的是一条曲线而非直线，但在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地表示实际的特性曲线，线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法，例如，将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线或将与特性曲线上各点偏差的平方和最小的理论直线作为拟合直线（这种拟合直线也称为最小二乘法拟合直线）。（3）重复性：传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向进行连续多次全量程测量时，所得的特性曲线的一致程度。（4）滞环：传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）过程中，其输出-输入特性的不重合程度。（5）灵敏度：传感器输出的变化值与相应被测量的变化值之比。（6）分辨率：传感器在规定范围内，可能检测出的被测信号的最小增量。（7）静态误差：传感器在满量程内，任一点输出值相对理论值的偏离程度。（8）稳定性：传感器在室温条件下，经过规定的时间间隔后，其输出与起始标定时的输出之间的差异。（9）漂移：在一定时间间隔内，传感器在外界干扰下，输出量发生的与输入量无关的变化，漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。
由于传感器所测量的非电量，有的不随时间变化或变化很缓慢，也有的随时间变化较快，所以传感器的性能指标除上面介绍的静态特性所包含的各项指标外，还有动态特性。1.1.4 传感器的命名及代号
传感器的命名有两种方法。
1.方法一
传感器的命名由主题词加四级修饰语构成。
主题词：传感器。
第一级修饰语：被测量，包括修饰被测量的词语。
第二级修饰语：转换原理，一般可后续以“式”字。
第三级修饰语：特征描述，是必须强调的传感器结构、性能、材料、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后续以“型”字。
第四级修饰语：主要技术指标（如量程、精确度、灵敏度等）。
在有关传感器的统计表格、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述顺序。
例如，传感器，位移，应变（计）式，100 mm。
2.方法二
在技术文件、产品样本、学术论文、教材等的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序。例如，100 mm应变式位移传感器。
传感器的代号：一般规定用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字构成传感器的代号。传感器的代号应包括主称（传感器）、被测量、转换原理、序号。（1）主称：传感器，代号C。（2）被测量：用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。（3）转换原理：用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。（4）序号：用一个阿拉伯数字标记，由厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，则可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等。
在被测量、转换原理、序号三部分代号之间应用连字符“-”连接。例如，应变式位移传感器的代号为CWY-YB-10，温度传感器的代号为CW-01A。注意，也有少数代号用其英文的第一个字母表示，如加速度用“A”表示。常用被测量代号和常用转换原理代号如表1.2和表1.3所示。表1.2 常用被测量代号续表表1.3 常用转换原理代号续表1.2 传感器的应用
随着计算机、生产自动化、现代通信等科学技术的发展，军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等行业对传感器的需求量与日俱增，传感器已渗入国民经济的各个领域及人们的日常生活之中。可以说，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到改善人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器，传感器对国民经济的发展起着巨大的作用。
1.传感器在工业检测和自动控制系统中的应用
在石油、化工、电力、钢铁、机械等行业中，传感器起到相当于人们感觉器官的作用。它根据需要完成对各种信息的检测，再把测得的信息传输给计算机进行处理，用以进行生产过程、产品质量、工艺管理与安全等方面的控制，如汽车自动化生产系统，如图1.4所示。图1.4 汽车自动化生产系统
2.传感器在汽车上的应用
传感器在汽车上的应用已不仅仅局限于对行驶速度、行驶距离、发动机旋转速度和燃料剩余量等有关参数的测量，汽车安全气囊系统、防盗装置、防滑控制系统、防抱死装置、电子变速控制装置、排气循环装置、电子燃料喷射装置及汽车“黑匣子”等部分都应用了传感器。随着汽车电子技术、汽车安全技术和车联网技术的发展，传感器在汽车上的应用将会更加广泛。图1.5为传感器在汽车上的应用。图1.5 传感器在汽车上的应用
3.传感器在家用电器上的应用
现代家用电器中普遍使用传感器，传感器在电子炉灶、电饭锅、吸尘器、空调器、电热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电风扇、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱等家用电器中得到了广泛的应用。
随着生活水平的不断提高，人们对提高家用电器产品的功能及自动化程度的要求极为强烈。为了满足这些要求，首先要使用能检测模拟量的高精度传感器，以获取正确的控制信息，再由微处理器进行控制，使家用电器更加方便、安全、可靠，并可减少能源的消耗，为更多的家庭创造一个舒适的生活环境。
随着物联网技术的发展，监控用的红外报警、气体检测报警和各种家电联网后形成了家用安防系统，如图1.6所示。
4.传感器在机器人上的应用
目前，在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作，非常适合由机器人来承担。但大多数机器人是用来进行加工、组装、检验等工作的，属于生产用的自动机械式的单能机器人，在这些机器人身上仅采用了检测臂的位置和角度的传感器。图1.6 家用安防系统
要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，就要求机器人有判断能力，即给机器人安装物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉传感器，使机器人可通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动和重量的感觉。这类机器人被称为智能机器人。它不仅可以从事特殊的作业，而且一般的生产、事务和家务也可由智能机器人去处理。这也是现在机器人的主要研究方向之一。在机器人的开发过程中，让机器人能够“看”“听”“行”“取”，具有一定的智能分析能力，这些都离不开传感器的应用。图1.7为“勇气号”火星探测车。图1.7 “勇气号”火星探测车
5.传感器在医疗及医学上的应用
随着医用电子技术的发展，仅凭医生的经验和感觉进行诊断的时代将会结束。现在，医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压、腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液、心音、心脑电波等进行诊断，对促进医疗技术的发展起着非常重要的作用。
图1.8为医疗心电监护设备。
6.传感器在环境保护上的应用
目前，大气污染、水质污染及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和人们赖以生存的环境，这一现状已引起了世界各国的重视。在环境保护方面，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用，常见的有PM2.5检测仪、噪声检测仪等。图1.9为PM2.5检测仪。图1.8 医疗心电监护设备图1.9 PM2.5检测仪
7.传感器在航空及航天上的应用
要掌握飞机或火箭的飞行轨迹，并将其控制在预定的轨道上，就需要使用传感器进行速度、加速度和飞行距离的测量。飞行器的飞行姿态可以使用红外水平线传感器陀螺仪、阳光传感器、星光传感器及地磁传感器等进行测量。图1.10为中国航天的标志性技术成果之一—神舟八号。图1.10 神舟八号
8.传感器在遥感、遥测技术上的应用
卫星遥感是航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，利用卫星对地球及低层大气进行光学和电子观测。遥感、遥测技术是从远离地面的不同工作平台上（如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等）通过传感器，对地球表面的电磁波（辐射）等信息进行探测，通过对信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测和监测的综合性技术。
在飞机及航天飞行器上采用的传感器是近紫外线、可见光、远红外线及微波等传感器，在船舶上向水下观测时多采用超声波传感器。例如，要探测矿产资源时，可以利用人造卫星上的红外线传感器对从地面发出的红外线进行测量，然后由人造卫星通过微波发送到地面站，经地面站处理后便可根据红外线分布的差异判断矿产资源的情况。图1.11为遥感监测的卫星地图。
9.传感器在军事上的应用
现在的战场是信息化的战场，而信息化是绝对离不开传感器的。军事专家认为：一个国家军用传感器制造水平的高低，决定了该国武器制造水平的高低，决定了该国武器自动化程度的高低，最终决定了该国武器性能的优劣。当今，传感器在军事上的应用极为广泛，可以说无时不用、无处不用，大到星体、导弹、飞机、舰船、坦克、火炮等装备系统，小到单兵作战的武器；从参战的武器系统到后勤保障系统；从军事科学试验到军事装备工程；从战场作战到战略、战术指挥；从战争准备、战略决策到战争实施，遍及整个作战系统及战争的全过程，而且必将在未来的战争中使作战的时域和空域得到更大的扩展，影响和改变作战的方式和效率，大幅提高武器的威力、作战指挥及战场管理能力。传感器在军事上的应用实例如图1.12所示。图1.11 遥感监测的卫星地图图1.12 军用便携气象系统使用的超声波风速风向传感器1.3 传感器技术的发展趋势
1.采用系列高新技术设计开发新型传感器（1）微电子机械系统技术、纳米技术的高速发展，必将成为新一代微传感器、微系统的核心技术，是21世纪传感器技术领域中带有革命性变化的高新技术。（2）发现与利用新效应，如物理现象、化学效应和生物效应，发明新一代传感器。（3）加速开发新型敏感材料，微电子、光电子、生物化学、信息处理等学科、技术的互相渗透和综合利用，可望研制出一批先进的传感器。（4）空间技术、海洋开发、环境保护及地震预测等都要求检测技术满足观测研究宏观世界的要求，细胞生物学、遗传工程、光合作用、医学及微加工技术等又希望检测技术能跟上研究微观世界的步伐，它们对传感器的研发提出许多新的要求，其中重要的一点就是扩展检测范围，不断突破检测参数的极限。
2.传感器的微型化与微功耗
各种控制仪器设备的功能越来越强大，同时要求各个部件体积越小越好，传感器本身体积也是越小越好。微传感器的特征之一就是体积小。其敏感元件的尺寸一般为微米级，是由微机械加工技术制作而成的，包括光刻、腐蚀、淀积、键合和封装等工艺。利用各向异抗腐蚀、牺牲层技术和LIGA工艺，可以制造出层与层之间有很大差别的三维微结构。这些微结构、特殊用途的薄膜和高性能的集成电路相结合，已成功地用于制造各种微传感器乃至多功能的敏感元件阵列（如光电探测器等），实现了诸如压力、加速度、角速率、应力、应变、温度、流质、成像、磁场、温度、pH值、气体成分、离子/分子浓度及生物等传感器。目前形成产品的主要是微型压力传感器和微型加速度传感器等，它们的体积只有传统传感器的几十分之一乃至几百分之一，质量从几千克下降到了几十克乃至几克。
3.传感器的集成化与多功能化
传感器的集成化包含两方面的含义：其一是将传感器与其后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等制成一个组件，实现一体化，与一般传感器相比，集成化的传感器具有体积小、反应快、抗干扰、稳定性好等优点；其二是将同一类传感器集成于同一芯片上构成二维阵列式传感器，用于测量物体的表面状况。传感器的多功能化是与集成化相对应的一个概念，是指传感器能感知与转换两种以上的不同物理量。例如，使用特殊的陶瓷把温度敏感元件和湿度敏感元件集成在一起制成温湿度传感器；将检测几种不同气体的敏感元件用厚膜制造工艺制作在同一基片上，制成检测氧气、氨气、乙醇、乙烯等多种气体的多功能传感器；在同一硅片上制作应变计和温度敏感元件，制成可以同时测量压力和温度的多功能传感器，有的传感器还可以实现温度补偿。
4.传感器的智能化
智能传感器是测量技术、半导体技术、计算技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的产物。与一般的传感器相比，智能传感器具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、数值处理功能、双向通信功能、信息存储记忆和数字量输出功能等。随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它利用人工神经网络、人工智能和信息处理技术使传感器具有更高级的智能，具有分析、判断、自适应、自学习的功能，可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务；它可充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并对内部行为进行调节，使采集的数据最佳。
5.传感器的数字化
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的限制，其输出不再是单一的模拟信号，而是经过微处理器处理后的数字信号，有的自带控制功能，这就是所谓的数字传感器。随着计算机技术的飞速发展，以及微处理器的日益普及，世界进入了数字时代，人们在处理被测信号时首先想到的是计算机，具有便于计算机处理的输出信号的传感器就是数字传感器。数字传感器的特点如下：（1）将模拟信号转换成数字信号输出，提高了传感器输出信号的抗干扰能力，特别适合电磁干扰强、信号距离远的工作现场。（2）可利用软件对传感器进行线性修正及性能补偿，从而减小系统误差。（3）一致性与互换性好。
图1.13为数字传感器的结构框图。模拟传感器产生的信号经过放大、A/D转换、线性化处理后变成数字信号。该数字信号可根据要求以不同标准的接口形式（如RS-232、RS-422、RS-485、USB等）与微处理器相连，可以线性、无漂移地再现模拟信号，按照给定程序去控制某个对象（如电动机等）。图1.13 数字传感器的结构框图
6.传感器的网络化
传感器的网络化是指利用TCP/IP等协议，使现场的测控数据就近接入网络，并与网络上具有通信能力的节点直接进行通信，实现数据的实时发布和共享。随着传感器自动化和智能化水平的提高，多台传感器联网已被推广应用，虚拟仪器、三维多媒体等新技术开始实用化，因此，通过互联网，传感器与用户之间可异地交换信息，厂商能直接与异地用户交流，能及时完成诸如传感器故障诊断、软件升级等工作，传感器操作过程更加简化、方便。
图1.14为网络化传感器的基本结构。模拟信号经信号处理及A/D转换后，由网络处理装置根据程序的设定和网络协议（TCP/IP）将其封装成数据帧，并加以目的地址，通过网络接口传输到网络上。反过来，网络处理装置又能接收网络上其他节点传给自己的数据和命令，实现对本地节点的操作。这样传感器就成为测控网络中的一个独立节点，可以更加方便地在物联网中使用。图1.14 网络化传感器的基本结构1.4 传感器与物联网应用
2009年8月，温家宝总理在无锡考察时指出要积极创造条件，在无锡建立“感知中国”中心，加快推动物联网技术发展。2010年9月，物联网上升到了国家战略高度，作为新一代信息技术重要组成部分的物联网技术被列为国家重点培育的战略性新兴产业。2010年10月，《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》出台，指出战略性新兴产业是国家未来重点扶持的对象，而主要聚焦在下一代通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和高端软件等范畴的新一代信息技术产业将是未来扶持的重点。除此之外，中国已将物联网列入《国家中长期科学技术发展规划（2006-2020年）》和2050年国家产业路线图。《物联网“十二五”发展规划》将以下九个方面纳入重点发展的领域，如图1.15所示。图1.15 物联网重点发展的9个领域（1）智能工业：生产过程控制、生产环境监测、制造供应链跟踪、产品全生命周期监测、促进安全生产和节能减排。（2）智能农业：农业资源利用、农业生产精细化管理、生产养殖环境监控、农产品质量安全管理与产品溯源。（3）智能物流：建设库存监控、配送管理、安全追溯等现代流通应用系统，建设跨区域、行业、部门的物流公共服务平台，实现电子商务与物流配送一体化管理。（4）智能交通：交通状态感知与交换、交通诱导与智能化管控、车辆定位与调度、车辆远程监测与服务、车路协同控制，建设开放的综合智能交通平台。（5）智能电网：电力设施监测、智能变电站、配网自动化、智能用电、智能调度、远程抄表，建设安全、稳定、可靠的智能电力网络。（6）智能环保：污染源监控、水质监测、空气监测、生态监测，建立智能环保信息采集网络和信息平台。（7）智能安防：社会治安监控、危化品运输监控、食品安全监控，重要桥梁、建筑、轨道交通、水利设施、市政管网等基础设施安全监测、预警和应急联动。（8）智能医疗：药品流通和医院管理，以人体生理和医学参数采集及分析为切入点，面向家庭和社区开展远程医疗服务。（9）智能家居：家庭网络、家庭安防、家电智能控制、能源智能计量、节能低碳、远程教育等。
工业和信息化部《物联网发展规划（2016—2020年）》（以下简称“发展规划”）在报告中总结了“十二五”期间我国在物联网关键技术研发、应用示范推广、产业协调发展和政策环境建设等方面取得的成果。（1）产业体系初步建成。已形成包括芯片、元器件、设备、软件、系统集成、运营、应用服务在内的较为完整的物联网产业链。2015年物联网产业规模达到7500亿元，“十二五”期间年复合增长率为25%。公众网络机器到机器（M2M）连接数突破1亿，占全球总量的31%，成为全球最大市场。物联网产业已形成环渤海、长三角、泛珠三角及中西部地区四大区域聚集发展的格局，无锡、重庆、杭州、福州等新型工业化产业示范基地建设初见成效。物联网产业公共服务体系日渐完善，初步建成一批共性技术研发、检验检测、投融资、标识解析、成果转化、人才培训、信息服务等公共服务平台。（2）创新成果不断涌现。在芯片、传感器、智能终端、中间件、架构、标准制定等领域取得一大批研究成果。光纤传感器、红外线传感器技术达到国际先进水平，超高频智能卡、微波无源无线射频识别（RFID）、北斗芯片技术水平大幅提升，微机电系统（MEMS）传感器实现批量生产，物联网中间件平台、多功能便捷式智能终端研发取得突破。一批实验室、工程中心和大学科技园等创新载体已经建成并发挥良好的支撑作用。物联网标准体系加快建立，已完成200多项物联网基础共性和重点应用国家标准立项。我国主导完成多项物联网国际标准，国际标准制定话语权明显提升。（3）应用示范持续深化。在工业、农业、能源、物流等行业的提质增效、转型升级中作用明显，物联网与移动互联网融合推动家居、健康、养老、娱乐等民生应用创新空前活跃，在公共安全、城市交通、设施管理、管网监测等智慧城市领域的应用显著提升了城市管理智能化水平。物联网应用规模与水平不断提升，在智能交通、车联网、物流追溯、安全生产、医疗健康、能源管理等领域已形成一批成熟的运营服务平台和商业模式，高速公路电子不停车收费系统（ETC）实现全国联网，部分物联网应用达到了千万级用户规模。“发展规划”指出，我国物联网产业已拥有一定规模，设备制造、网络和应用服务具备较高水平，技术研发和标准制定取得突破，物联网与行业融合发展成效显著。但仍要看到我国物联网产业发展面临的瓶颈和深层次问题依然突出。一是产业生态竞争力不强，芯片、传感器、操作系统等核心基础能力依然薄弱，高端产品研发能力不强，原始创新能力与发达国家差距较大；二是产业链协同性不强，缺少整合产业链上下游资源、引领产业协调发展的龙头企业；三是标准体系仍不完善，一些重要标准的研制进度较慢，跨行业应用标准制定难度较大；四是物联网与行业融合发展有待进一步深化，仍然缺乏成熟的商业模式，部分行业存在管理分散、推动力度不够的问题，发展新技术新业态面临跨行业体制机制障碍；五是网络与信息安全形势依然严峻，设施安全、数据安全、个人信息安全等问题亟待解决。“发展规划”提出了我国物联网发展的6大任务，如图1.16所示。图1.16 我国物联网发展的6大任务
其中有3个任务提到了传感器的发展，分别是强化产业生态布局、完善技术创新体系和构建完善标准体系。
1.强化产业生态布局（1）加快构建具有核心竞争力的产业生态体系。以政府为引导、以企业为主体，集中力量，构建基础设施泛在安全、关键核心技术可控、产品服务先进、大中小企业梯次协同发展、物联网与移动互联网、云计算和大数据等新业态融合创新的生态体系，提升我国物联网产业的核心竞争力；推进物联网感知设施规划布局，加快升级通信网络基础设施，积极推进低功耗广域网技术的商用部署，支持5G技术研发和商用实验，促进5G与物联网垂直行业应用深度融合；建立安全可控的标识解析体系，构建泛在安全的物联网；突破操作系统、核心芯片、智能传感器、低功耗广域网、大数据等关键核心技术；在感知识别和网络通信设备制造、运营服务和信息处理等重要领域，发展先进产品和服务，打造一批优势品牌；鼓励企业开展商业模式探索，推广成熟的物联网商业模式，发展物联网、移动互联网、云计算和大数据等新业态融合创新；支持互联网、电信运营、芯片制造、设备制造等领域龙头企业以互联网平台化服务模式整合感知制造、应用服务等上下游产业链，形成完整解决方案并开展服务运营，推动相关技术、标准和产品加速迭代，解决方案不断成熟，成本不断下降，促进应用实现规模化发展；培育200家左右技术研发能力较强、产值超10亿元的骨干企业，大力扶持一批“专精特新”中小企业，构筑大中小企业协同发展产业生态体系，形成良性互动的发展格局。（2）推动物联网创业创新。完善物联网创业创新体制机制，加强政策协同与模式创新结合，营造良好的创业创新环境；总结复制推广优秀的物联网商业模式和解决方案，培育发展新业态新模式；加强创业创新服务平台建设，依托各类孵化器、创业创新基地、科技园区等建设物联网创客空间，提升物联网创业创新孵化、支撑服务能力；鼓励和支持有条件的大型企业发展第三方创业创新平台，建立基于开源软/硬件的开发社区，设立产业创投基金，通过开放平台、共享资源和投融资等方式，推动各类线上、线下资源的聚集、开放和共享，提供创业指导、团队建设、技术交流、项目融资等服务，带动产业上下游中小企业进行协同创新；引导社会资金支持创业创新，推动各类金融机构与物联网企业进行对接和合作，搭建产业新型融资平台，不断加大对创业创新企业的融资支持，促进创新成果产业化；鼓励开展物联网创客大赛，激发创新活力，拓宽创业渠道；引导各创业主体在设计、制造、检测、集成、服务等环节开展创意和创新实践，促进形成创新成果并加强推广，培养一批创新活力型企业快速发展。
2.完善技术创新体系（1）加快协同创新体系建设。以企业为主体，加快构建“政产学研用”结合的创新体系；统筹衔接物联网技术研发、成果转化、产品制造、应用部署等环节工作，充分调动各类创新资源，打造一批面向行业的创新中心、重点实验室等融合创新载体，加强研发布局和协同创新；继续支持各类物联网产业和技术联盟发展，引导联盟加强合作和资源共享，加强以技术转移和扩散为目的的知识产权管理处置，推进产需对接，有效整合产业链上下游协同创新；支持企业建设一批物联网研发机构和实验室，提升创新能力和水平；鼓励企业与高校、科技机构对接合作，畅通科研成果转化渠道；整合利用国际创新资源，支持和鼓励企业开展跨国兼并重组，与国外企业成立合资公司进行联合开发，引进高端人才，实现高水平高起点上的创新。（2）突破关键核心技术。研究低功耗微处理器技术和面向物联网应用的集成电路设计工艺，开展面向重点领域的高性能、低成本、集成化、微型化、低功耗智能传感器技术和产品研发，提升智能传感器设计、制造、封装与集成、多传感器集成与数据融合及可靠性领域技术水平；研究面向服务的物联网网络体系架构、通信技术及组网等智能传输技术，加快发展NB-IoT等低功耗广域网技术和网络虚拟化技术；研究物联网感知数据与知识表达、智能决策、跨平台和能力开放处理、开放式公共数据服务等智能信息处理技术，支持物联网操作系统、数据共享服务平台的研发和产业化，进一步完善基础功能组件、应用开发环境和外围模块；发展支持多应用、安全可控的标识管理体系；加强物联网与移动互联网、云计算、大数据等领域的集成创新，重点研发满足物联网服务需求的智能信息服务系统及其关键技术；强化各类知识产权的积累和布局。“发展规划”提出了4大关键技术突破工程，如图1.17所示。图1.17 4大关键技术突破工程
① 传感器技术。
核心敏感元件：试验生物材料、石墨烯、特种功能陶瓷等敏感材料，抢占前沿敏感材料领域先发优势；强化硅基类传感器敏感机理、结构、封装工艺的研究，加快各类敏感元器件的研发与产业化。
传感器集成化、微型化、低功耗：开展同类型和不同类型传感器、配套电路和敏感元件集成等技术及工艺研究；支持基于MEMS工艺、薄膜工艺技术形成不同类型的敏感芯片，开展各种不同结构形式的封装和封装工艺创新；支持具有外部能量自收集、掉电休眠自启动等能量存储与功率控制的模块化器件研发。
重点应用领域：支持研发高性能惯性、压力、磁力、加速度、光线、图像、温湿度、距离等传感器产品和应用技术，积极攻关新型传感器产品。
② 体系架构共性技术。持续跟踪研究物联网体系架构演进趋势，积极推进现有不同物联网网络架构之间的互联互通和标准化，重点支持可信任体系架构、体系架构在网络通信、数据共享等方面的互操作技术研究，加强资源抽象、资源访问、语义技术，以及物联网关键实体、接口协议、通用能力的组件技术研究。
③ 操作系统。
用户交互型操作系统：推进移动终端操作系统向物联网终端移植，重点支持面向智能家居、可穿戴设备等重点领域的物联网操作系统研发。
实时操作系统：重点支持面向工业控制、航空航天等重点领域的物联网操作系统研发，开展各类适应物联网特点的文件系统、网络协议栈等外围模块以及各类开发接口和工具研发，支持企业推出开源操作系统并开放内核开发文档，鼓励用户对操作系统进行二次开发。
④ 物联网与移动互联网、大数据融合关键技术。面向移动终端，重点支持适用于移动终端的人机交互、微型智能传感器、MEMS传感器集成、超高频或微波RFID、融合通信模组等技术研究；面向物联网融合应用，重点支持操作系统、数据共享服务平台等技术研究；突破数据采集交换关键技术，突破海量高频数据的压缩、索引、存储和多维查询关键技术，研发大数据流计算、实时内存计算等分布式基础软件平台；结合工业、智能交通、智慧城市等典型应用场景，突破物联网数据分析挖掘和可视化关键技术，形成专业化的应用软件产品和服务。
3.构建完善标准体系“发展规划”指出，需要构建完善的标准体系。（1）完善标准化顶层设计。建立健全物联网标准体系，发布物联网标准化建设指南；进一步促进物联网国家标准、行业标准、团体标准的协调发展，以企业为主体开展标准制定，积极将创新成果纳入国际标准，加快建设技术标准试验验证环境，完善标准化信息服务。（2）加强关键共性技术标准制定。加快制定传感器、仪器仪表、射频识别、多媒体采集、地理坐标定位等感知技术和设备标准；组织制定无线传感器网络、低功耗广域网、网络虚拟化和异构网络融合等网络技术标准；制定操作系统、中间件、数据管理与交换、数据分析与挖掘、服务支撑等信息处理标准；制定物联网标识与解析、网络与信息安全、参考模型与评估测试等基础共性标准。（3）推动行业应用标准研制。大力开展车联网、健康服务、智能家居等产业急需应用标准的制定，持续推进工业、农业、公共安全、交通、环保等应用领域的标准化工作；加强组织协调，建立标准制定、实验验证和应用推广联合工作机制，加强信息交流和共享，推动标准化组织联合制定跨行业标准，鼓励发展团体标准；支持联盟和龙头企业牵头制定行业应用标准。“发展规划”列出了6大重点领域应用示范工程，如图1.18所示。图1.18 6大重点领域应用示范工程（1）智能制造。面向供给侧结构性改革和制造业转型升级发展需求，发展信息物理系统和工业互联网，推动生产制造与经营管理向智能化、精细化、网络化转变；通过RFID等技术对相关生产资料进行电子化标识，实现生产过程及供应链的智能化管理，利用传感器等技术加强生产状态信息的实时采集和数据分析，提升效率和质量，促进安全生产和节能减排；通过在产品中预置传感、定位、标识等能力，实现产品的远程维护，促进制造业服务化转型。（2）智慧农业。面向农业生产智能化和农产品流通管理精细化需求，广泛开展农业物联网应用示范；实施基于物联网技术的设施农业和大田作物耕种精准化、园艺种植智能化、畜禽养殖高效化、农副产品质量安全追溯、粮食与经济作物储运监管、农资服务等应用示范工程，促进形成现代农业经营方式和组织形态，提升我国农业现代化水平。（3）智能家居。面向公众对家居安全性、舒适性、功能多样性等需求，开展智能养老、远程医疗和健康管理、儿童看护、家庭安防、水/电/气智能计量、家庭空气净化、家电智能控制、家务机器人等应用，提升人们的生活质量；通过示范对底层通信技术、设备互联及应用交互等方面进行规范，促进不同厂家产品的互通性，带动智能家居技术和产品整体突破。（4）智能交通和车联网。推动交通管理和服务智能化应用，开展智能航运服务、城市智能交通、汽车电子标识、电动自行车智能管理、客运交通和智能公交系统等应用示范，提升指挥调度、交通控制和信息服务能力；开展车联网新技术应用示范，包括自动驾驶、安全节能、紧急救援、防碰撞、非法车辆查缉、打击涉车犯罪等应用。（5）智慧医疗和健康养老。推动物联网、大数据等技术与现代医疗管理服务结合，开展物联网在药品流通和使用、病患看护、电子病历管理、远程诊断、远程医学教育、远程手术指导、电子健康档案等环节的应用示范；积极推广“社区医疗+三甲医院”的医疗模式；利用物联网技术，实现对医疗废物追溯，对问题药品进行快速跟踪和定位，降低监管成本；建立临床数据应用中心，开展基于物联网智能感知和大数据分析的精准医疗应用；开展智能可穿戴设备远程健康管理、老人看护等健康服务应用，推动健康大数据创新应用和服务发展。（6）智慧节能环保。推动物联网在污染源监控和生态环境监测领域的应用，开展废物监管、综合性环保治理、水质监测、空气质量监测、污染源治污设施工况监控、入境废物原料监控、林业资源安全监控等应用；推动物联网在电力、油气等能源生产、传输、存储、消费等环节的应用，提升能源管理智能化和精细化水平；建立城市级建筑能耗监测和服务平台，对公共建筑和大型楼宇进行能耗监测，实现建筑用能耗的智能控制和精细管理；鼓励建立能源管理平台，针对大型产业园区开展能源管理服务。1.5 小结
本节先介绍了传感器的作用、分类和特性，然后介绍了传感器的应用、传感器技术的发展与趋势，以及传感器在物联网中的应用，最后介绍了物联网的重点发展领域。1.6 思考与拓展（1）传感器的种类有哪些？（2）传感器有哪些应用？（3）应用到物联网中的传感器有哪些？第2章采集类传感器应用开发技术本章学习介绍采集类传感器的基本原理和应用开发，主要介绍光照度传感器、温湿度传感器、空气质量传感器、气压海拔传感器等采集类传感器。本章通过博物馆光照度采集的设计、仓库温湿度信息采集的设计、办公室空气质量检测的设计、小型飞行器海拔高度数据采集的设计，以及综合性项目—仓库环境监控系统的设计，详细介绍了CC2530和常用采集类传感器的应用，以及系统需求分析、逻辑功能分解和软/硬件架构设计的方法。通过理论学习和开发实践，读者可以掌握基于CC2530的采集类传感器应用开发技术，从而具备基本的开发能力。2.1 光照度传感器的应用开发
光敏传感器（光照度传感器的一类）是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光敏传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多、结构简单、形式灵活多样，因此光敏传感器在检测和控制中应用非常广泛。光敏传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，是把光信号（红外线、可见光及紫外线辐射）转变成为电信号的器件。
本节重点学习I2C总线以及光照度传感器的基本原理，掌握I2C总线的基本原理和协议，通过CC2530模拟I2C总线通信驱动光照度传感器，实现博物馆光照度采集设计。2.1.1 光敏传感器
1.光照度
光照度是指光照的强弱，以单位面积上所接收可见光的能量来量2度，单位为勒［克斯］（lx）。当光均匀照射到物体上时，在1 m面积上所得的光通量是1 lm时，它的光照度是1 lx。流明是光通量的单位，发光强度为1烛光的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1流明（1 lm）。烛光的概念最早是由英国人发明的，当时英国人以一磅的白蜡制造出一尺长的蜡烛所燃放出来的光来定义烛光单位。
在夏季阳光直接照射下，光照度可达60000～100000 lx，没有太阳的室外光照度为1000～10000 lx，日落时的光照度为300～400 lx，明朗的室内光照度为100～550 lx，室内日光灯的光照度为30～50 lx，夜里在明亮的月光下光照度为0.3～0.03 lx，阴暗的夜晚光照度为0.003～0.0007 lx。
2.光敏传感器的工作原理
光敏传感器是最常见的光照度传感器之一。它的工作原理是利用光电元件将光信号转换为电信号，敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光敏传感器不只局限于对光的探测，还可以作为探测元件组成其他传感器，用来对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光敏传感器就如同人的眼睛，能够对光线强度做出反应，感应到光线的明暗变化，输出微弱的电信号，并通过简单的电子线路进行放大处理，在自动控制、家用电器中得到了广泛的应用。例如，在电视机中进行亮度自动调节；在照相机中进行自动曝光；在路灯、航标等自动控制电路、卷带自停装置及防盗报警装置中也有广泛应用。
光敏传感器的种类繁多，主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、色彩传感器、CCD图像传感器和CMOS图像传感器等。光敏传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
最简单的光敏传感器是电阻式光敏传感器（光敏电阻），如图2.1所示。图2.1 电阻式光敏传感器
光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品的光自动控制。
3.光敏传感器的特性
光敏传感器的主要特性有光敏电阻特性、伏安特性、光电特性、光谱特性、响应时间特性、温度特性和频率特性。
1）光敏电阻特性
光敏电阻的工作基于内光电效应，根据所处环境光照度的不同，其电阻特性也不相同，总体而言可分为暗电阻和亮电阻两种。（1）暗电阻：光敏电阻置于室温、全暗条件下可测得稳定电阻值的称为暗电阻，流过暗电阻的电流为暗电流。（2）亮电阻：光敏电阻置于室温和一定光照条件下可测得稳定电阻值的称为亮电阻，流过亮电阻的电流为亮电流。
2）伏安特性
光敏传感器的光敏电阻两端所加的电压和流过的电流之间的关系称为伏安特性，如图2.2所示。从图中可知，在不同的电压下伏安特性有所不同，因此在测量时需要限定电压。图2.2 光敏传感器的伏安特性
3）光电特性
当光敏电阻两端间电压固定不变时，光照度与亮电流之间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，此时要获取精确的光照度，就需要光电特性曲线的辅助。
4）光谱特性
当入射波长不同时，光敏传感器的灵敏度也不同，入射光波长与光敏传感器灵敏度之间的关系称为光谱特性，可根据实际的应用场合选择不同材料制作的光敏传感器。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]