物联网关键技术————传感器技术

一、传感器概述

  物联网系统中的海量数据信息来源于终端设备，而终端设备数据来源可归根于传感器，传感器赋予了万物“感官”功能，如人类依靠视觉、听觉、嗅觉、触觉感知周围环境，同样物体通过各种传感器也能感知周围环境。且比人类感知更准确、感知范围更广。例如人类无法通过触觉准确感知某物体具体温度值，也无法感知上千高温，也不能辨别细微的温度变化。

  传感器定义为将物理、化学、生物等信息变化按照某些规律转换成电参量(电压、电流、频率、相位、电阻、电容、电感等)变化的一种器件或装置。

  传感器一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成。敏感元件是直接感知被测量的元件，将被测量变化转换成该敏感材料特性参数的变化。某些敏感元件为无源器件，无法直接输出电压或电流，所以需要通过转换元件特性参数的变化转换成电压或电流。基本电路将转换元件输出的信号进行放大、整形及编码输出。

  传感器种类繁多，按照被测量类型可分为温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、压力传感器、流量传感器等。按照传感器工作原理可分为物理性传感器(基于力、热、声、光、电、磁等效应)、化学性传感器（基于化学反应原理）和生物性传感器（基于霉、抗体、激素等分子识别）。以下将简述基于物理性的常见传感器工作原理。

二、传感器原理

1、电阻式传感器

  电阻式传感器基本原理是敏感元件电导率随外界环境变化而变化的传感器，大致可分为电位计式传感器与应变式传感器。

• 电位计式传感器
    将机械的线位移或角位移转变成电阻或电压输出。通过位移变化改变电阻器结构参数（一般是长度变化）从而使得电阻值发生相应变化。
  $$\Delta R(l)=\frac{\rho \Delta l}{s}$$

  应用举例：汽车中座椅位置检测(旋转或平移触点位置使有效电阻发生变化)。

• 应变式传感器

金属应变效应
  将一根固定长度的金属导线使用外力拉伸时，其导线长度会增加，横切面积减小（假定各部分变化均匀且温度恒定）则根据电阻的结构参数定义可得电阻会发生相应变化（应变效应）。变化规律为：
$$R=\frac{\rho l}{s}$$
$$dR=\frac{\partial R}{\partial l}dl+\frac{\partial R}{\partial s}ds=\frac{\rho }{s}dl-\frac{R}{s}ds$$
$$\frac{dR}{R}=\frac{dl}{l}-\frac{ds}{s}=\frac{dl}{l}-\frac{2dr}{r}=(1-\frac{2dr}{r}/\frac{dl}{l})\frac{dl}{l}$$
$$\mu =\frac{2dr}{r}/\frac{dl}{l}(泊松比)$$
$$\frac{dR}{R}=(1-\mu )dl/l$$

  利用该效应将机械形变(dl/l横向应变、dr/r纵向应变)直接转变为电阻值变化的传感器可检测位移、压力、加速度、扭矩等物理量，并且能在高温、强磁等恶劣环境下工作。一般在实际应用中采用多个应变片（紧贴被测物体)组成电桥电路将电阻变化转换成电压输出。

半导体应变效应
  半导体在受外力作用时，几何尺寸在微小的形变下，电阻值也能有较大变化（压阻效应）。利用半导体压阻效应可用来测量水位情况。

2、电容式传感器

  电容式传感器是将被测量变化转换成电容量变化的传感器，通过电路转换将电容量变化转换成电压或频率等信号输出。
  电容式传感器工作原理以平板电容为例，平板电容结构参数式为：

$$C=\frac{\epsilon S}{d}$$
$$\epsilon :介质介电常数；S极板有效面积；d极板间距$$

  通过改变面积、介电常数、间距等任意之一参数，均可改变电容量，选择变化的参数不同，其传感器特性也不同。

3、电感式传感器

  电感式传感器利用自感或互感系数的变化来检测非电量的变化。通过基本电路将自感或互感系数的变化转变成电压或频率信号输出。电感式传感器种类很多，常见的有自感式传感器，互感式传感器和电涡流式传感器三种。

• 自感式
    线圈中磁通量与线圈电流的比值为一个恒定值，即为自感系数，他与线圈匝数、磁芯材料等有关。通过改变磁芯材料或磁芯材料位置即可改变自感系数，然后通过转换电路将自感系数的变化转换为电信号的变化。
  

• 互感式
    互感式传感器工作原理类似于变压器（电-磁-电转换），两组线圈中的磁芯位置的变化将引起两组线圈耦合强度的变化，即互感系数的变化。
  

• 涡流式
     将金属块放置与变化的磁场中或在匀强磁场中运动时，会在金属块中行成闭合电流，这种现象称为涡流效应。产生的电流称为涡流。涡流式传感器基本结构为一个线圈，给线圈通高频电流时，当有金属块靠近线圈时，会在金属块中产生涡流（涡流的大小与导体磁导率、电阻率、励磁电流角频率、导体位置等有关），同时涡流产生的磁场会阻碍线圈磁场的变化，即线圈等效电感或等效阻抗会发生变化。通过检测参数的变化即可测量出金属块位移、厚度、材料类别等信息。
  

4、压电式传感器

   在某些晶体材料上施加外力而发生形变时，会在晶体相应表面上分布等量异种电荷这种现象称为正压电效应，相反在晶体极化方向上施加电场时，会使晶体发生形变称为逆压电效应。利用晶体这一特性可制作压力传感器、超声波传感器等。

5、磁敏传感器

  磁敏传感器是利用磁电转化原理，将磁场信号转换为电信号，主要用来检测磁场。典型的磁敏传感器为利用霍尔效应制成的霍尔式传感器。
  通有电流的金属片放置与磁场中时，在垂直于磁场与电流的方向将产生电动势，电动势大小正比于磁场与电流的乘积。这种现象称为霍尔效应。

  霍尔效应的本质原因是电子在磁场中运动时受到磁场力（洛伦兹力）的作用，即电子向金属表面运动，结果金属片将在表面分布等量异种电荷。

6、光电式传感器

  光电式传感器是利用光电效应将光信号转换成电信号的一种传感器。光电效应一般分为外光电效应、内光电效应。

• 外光电效应
    在光照情况下，电子获得能量溢出物体表面的现象。基于该效应的器件有光电二极管、光电倍增管等。
  
• 内光电效应
    光电导效应：在光照情况下，电子获得能量后从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电阻率的变化。基于这种效应的器件有光敏电阻。
  
    光伏效应：光照射半导体PN结时，在结区附近激发出电子-空穴对，形成持续电场。光电池就是利用这一原理。
  

7、热电偶与热电阻

  热电偶与热电阻常用来检测温度，热电偶基于热电效应，热电阻是利用金属导体电阻随温度变化原理实现检测温度。

• 热电偶
    将两种不同导体两端连接在一起组成闭合回路，并将两端置于不同的温度环境中，在闭合回路中将产生电动势并形成电流。
    电动势由温差电势与接触电势两部分组成。温差电动势的产生是由于温度不同，高温端的电子能量比低温端电子能量大，因而高温端电子跑到低温端电子数目要比低温端电子跑到高温端电子数目多，结果高温端失去电子而带正电，低温端得到多余电子而得负电，形成温差电动势。接触电势原因为不同材料在接触端由于自由电子密度不同，高密度电子向低密度电子扩散形，扩散运动稳定后形成接触电动势。
    将热电偶一端置于恒温环境，另一端置于被检测环境中，通过测量回路中电流大小即可检测环境温度。

• 热电阻
    热电阻利用导体或半导体电阻率随温度变化而变化的原理来感知温度。一般选取具有正温度系数的材料。

三、传感器数据处理

1、温度补偿

  传感器在实际应用中，温度的变化会引起传感器特性参数变化，从而会改变传感器静动态特性（大多数电子元器件材料为半导体，半导体导电性能温度起决定作用），所以温度是影响传感器精度的重要因素之一。

• 温度补偿方法
  假设被测量为x，传感器输出为y，环境温度为T，零点输出为Y0，传感器灵敏度为K，则线性传感器特性可表示为：
  $$y=Y_0(T)+K(T)x$$
    式中可以看出，传感器零点与灵敏度均受温度影响。则传感器温度灵敏度可表示为：
  $$S_T=\frac{\mathrm{d}\mathrm{y}}{\mathrm{d}T}=\frac{\mathrm{d}{\mathrm{Y}}_0(\mathrm{T})}{\mathrm{d}T}+\frac{\mathrm{d}\mathrm{K}(\mathrm{T})}{\mathrm{d}T}x$$
    温度补偿实质就是令ST=0即可。该式包括了对零点温度漂移补偿和灵敏度的补偿。实际应用中可采用传感器本身的特性满足温度补偿，例如，利用具有正负温度系数特性的电阻，使电阻随温度变化的增量相等，从而抵消温度对输出影响，或者利用电路结构上特性，使温度干扰信号转换为共模信号输入，然后做差分运算互相抵消。

2、非线性补偿

  传感器输入输出非线性主要体现在两方面，敏感元件在转换原理上非线性，例如热电偶热端温度与热电动势是非线性的关系，采用测量电路非线性，列如电桥测量电路，桥臂元件参数的变化使电桥失去平衡，导致输入输出关系非线性。
  非线性补偿方法有硬件法、和软件法，前者是增加非线性补偿环节，利用某些元器件非线性特性，组成各种、指数、对数、开方等运算。以实现对传感器输入输出非线性补偿。软件法补偿相比于硬件来说更简单，无需增加非线性环节，降低硬件复杂度。软件补偿主要有两种方法：
  查表法：有些传感器输入和输出高度非线性，输入和输出的关系很复杂，可能涉及到指数、对数、微积分等复杂运算，由于受处理器限制，无法快速完成这些运算，或者输入和输出根本无法建立数学模型，为解决这类问题，可采用查表法。查表法就是将具体输入与输出记录下来并建立一张关系表，实际应用时，通过查表来输出。
  计算法：当传感器输出与输入的关系有确定的数学表达式时，可以在程序中编制一段实现这个数学表达式的程序，被测量经过检测、AD采样、标度变化后进入计算机根据数学关系计算，计算后的值就是线性化处理后的输出。建立数学模型可采用数据拟合的方式实现，首先采集输入输出数据序列，然后通过线性插值或多项式插值方式找出数据模型。

• 线性插值
  假设输入输出特性为非线性关系，关系为y=f（x），当x=xi时，y=yi，x=xk时，y=yk，则当xn=xi+△x（xi $$y_n=y_i+\frac{y_k-y_i}{x_k-x_i}\Delta x$$
• 多项式插值
    多项式插值方式是设法用一个多项式p(x)去逼近传感器实际特性y=f(x),使得p（xn） =f（xn）。如图示，用p(x)近似替代传感器实际特性f(x)

3、标度变换

  数字传感器采集的数据并不定于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于被测参数的大小，必须把它转换成带有量纲的数值后才能显示应用，这种变换称为标度变换。
   如温度传感器监测-40℃ ~ 120℃温度时，传感器输出为0 ~ 5V电压，经过AD转换后得到0 ~ 255数字量，则0 ~ 255数字量则是对应-40 ~ 120℃温度信号。
  若被测物理量变化范围为A0 ~ Am，对应数字量为D0 ~ Dm，实际输入An对应数字量为Dn，则An可表示为：
$$A_n=A_0+\frac{D_n-D_0}{D_m-D_0}(A_m-A_0)$$