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无线传感器网络特点介绍


规模大


为了能够获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，一般情况下会达到上万个甚至更多，传感器网络的大规模性主要包括了两个方面的含义：一方面是传感器节点的部署非常密集，在面积狭小的空间内密集的部署了大量的传感器节点。另一方面，是传感器节点分布在区域很大的范围内，比如在原始的大森林中采用传感器网络进行森林防火的安全环境监测，这种在区域宽广的范围内需要部署大量的传感器节点。


可靠性


无线传感器节点非常适合部署在自然环境恶劣或者人类不宜居住的区域，这些节点可能工作在环境较恶劣的地方，遭受风吹、雨淋、日晒，还甚至遭到人或者动物的破坏，而这些传感器节点往往采用随机进行部署，部署的方式是利用飞机散播，或炮弹发射到*的区域进行部署，所以这些节点要非常坚固，不容易被损坏，可靠性很强。


自组织


在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点会被放置在没有基础结构的地方，其实传感器节点的相隔距离、精确位置不能预先确定。你可以想象，通过飞机散播或者炮弹发射大量传感器节点到面积广阔的森林、山谷之中，这样就必须要求传感器节点本身具有自组织的能力，能够进行自我管理和配置，通过网络协议和拓扑控制机制自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。


动态性


传感器网络的拓扑结构有可能会因为下列因素而发生改变：①环境的变化可能会造成无线通信链路带宽产生变化，有时甚至会时断时通；②电力资源出现故障或耗尽导致的传感器节点故障或者失效；③传感器网络的感知对象、传感器与观察者这三要素都可能具有移动性；④有新节点加入，通常这种情况就必须要求传感器网络系统要能适应这种变化，具有动态系统可重构性。


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无线传感器网络有哪些安全问题


安全路由


一般在无线传感器网络中，大量的传感器节点都密集分布在一个区域内，信息传输可能要经过很多节点才能到达目的地，而且传感器网络具有多跳结构和动态性，因此，需要去每个节点都应具备路由功能，


由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，这样就可能使网络不怎么安全，安全的路由算法会直接影响无线传感器的可用性和安全性，安全路由协议一般是采用认证和链路层加密，身份认证、多路径路由、双向连接认证和认证广播等机制，非常有效的提高了网络抵御外部攻击的能力，从而增强路由的安全性。

应变片式传感器工作原理及特性
1、电阻应变片工作原理


电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。


2、应变片的种类、材料及粘贴


金属电阻应变片的种类有丝式和箔式两种。


1）丝式：直径0．01～0．05mm，材料为胶膜、纸、玻璃纤维布等。



图1　金属电阻应变片的结构


2）箔式应变片：直径0．003~0．01mm





原理：它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；


优点：


1）敏感栅尺寸准确，线条均匀；


2）其弯头横向效应可以忽略；


3）可通过较大的电流；


4）散热性好，寿命长；


5）生产效率高；


3、电阻应变片的特性


（一）电阻应变片主要特性：


1）灵敏系数


2）横向效应


3）机械滞后，零漂及蠕变


4）温度效应


5）应变极限、疲劳寿命


6）动态响应特性


（二）应变片的温度误差及补偿


由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。


1）电阻温度系数的影响


敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：


Rt=R0（1+α0Δt）　　　　　　　ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt


2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。试件与电阻丝线膨胀系数不同时，产生附加电阻变化。





由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为：





可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,　α0,　βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。


通常温度误差补偿方法有两类：


1）线路补偿法







完全补偿：


①R3=R4;


②R1和RB相同;


③粘贴材料一样;


④同一温度场


2）应变片的自补偿法





则被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料,则达到温度自补偿的目的。


（三）应变片式电阻传感器的测量电路


直流电桥


直流电桥平衡条件


直流电桥电压灵敏度


电桥的非线性误差


直流电桥平衡条件：





交流电桥


交流电桥的平衡条件


交流应变电桥的输出特性及平衡调节


直流电桥输出电压很小，须放大但直流放大器易于产生零漂。





交流电桥平衡调节：





（四）电阻应变片的选择、粘贴技术


1）目测电阻应变片有无折痕．断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。


2）用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0．5欧姆．


3）试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。


4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。


5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。


6）用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。


7）应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮

科学家在柔性应变传感器研究方面取得进展




近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员费广涛课题组在柔性应变传感器的制备及力敏特性研究方面取得新进展，相关研究成果以Flexible strain sensor with high performance based on PANI/PDMS films 为题发表在Organic Electronics（47 (2019) 51-56）杂志上。


随着科学技术的快速发展，传感器在生物医学检测、智能机器人、柔性显示、可穿戴设备等领域得到了广泛的应用，这些领域往往需要传感器具有可弯曲、可拉伸的特点，能够满足贴附在各种不规则的表面上的需求。此外，一个好的应变传感器还应具有高灵敏度(GF)、低电阻值的特性。GF太低意味着传感器探测应变时由于变化量小容易出现信号误差，电阻值过大意味着需要配备高精密且昂贵的测试仪器。


目前研究的柔性应变传感器敏感材料通常有两类：一类是以银、碳管、石墨烯等导电材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备低的电阻值，同时GF也很低；另一类是以半导体材料为应变敏感材料的传感器，该类传感器具备高的GF，但是电阻也很高。这两类传感器在商业应用中都受到了一定的限制。因此，设计一种电阻低、GF高的柔性传感器迫在眉睫。


聚苯胺(PANI)是一种导电高分子材料，经质子酸掺杂后的电导率处于金属与半导体之间，并且可以随着酸掺杂浓度而改变，因此将聚苯胺与弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合有望达到电阻低、GF高的要求。基于此，课题组博士宫欣欣和副研究员方明等采用PANI为导电层，PDMS为弹性层制备了PANI/PDMS复合薄膜柔性应变传感器，并对该传感器的性能进行了研究。实验结果表明，PANI/PDMS复合薄膜传感器具备一定的柔性(图1)，可以拉伸至50%的应变量，GF值较高可以达到54，远**其它材料构筑的柔性应变传感器，同时具备优秀的循环稳定性(图2)，在监测人体活动中具备潜在的应用前景(图3)。