物联网关键之传感器技术

物联网关键之传感器技术

https://blog.csdn.net/u011800133/article/details/86504572

目录
一、传感器概述
二、传感器原理

  • 1、电阻式传感器

  • 2、电容式传感器

  • 3、电感式传感器

  • 4、压电式传感器

  • 5、磁敏传感器

  • 6、光电式传感器

  • 7、热电偶与热电阻

三、传感器数据处理

  • 1、温度补偿

  • 2、非线性补偿

  • 3、标度变换


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。
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)。
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。


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:

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 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。

分享资料:

链   接 : https://pan.baidu.com/s/1ihwAYjeMbq1RInmNKeRxqw

提取码: wwsc

  • 2020年脑机接口即将落地.pdf
  • 2030年科幻落地的前夜:人类如何应对机器觉醒.pdf
  • 3D深度视觉产业链全解读 TOF技术或成黑马.pdf
  • 5G技术将如何影响全球经济.pdf
  • AI三板斧_智东西出品.pdf
  • AI产业链解读:老美家大财厚 中国如何才能后发先至.pdf
  • AR红包技术层面全解读 引爆场景营销.pdf
  • CB Insights发布独角兽英雄榜 揭秘资本寒冬下的生存法则.pdf
  • CB Insights起底VC八杰 谁在做独角兽的幕后推手.pdf
  • CB Insight发布创业百强榜单 AI成功案例最强盘点.pdf
  • GfK 2017一季度VR零售市场报告 全面解读产业盈利模式.pdf
  • GFK中国VR零售市场调研报告 平价设备成主力军.pdf
  • GSMA移动经济发展态势全解读 亚太+5G成未来钥匙.pdf
  • IBM全面解读认知计算:IoT和AI并非全部 行业已经开始盈利.pdf
  • IDC:机器人3.0时代开启 细分市场兹待爆发.pdf
  • 联合国:2017全球投资报告.pdf
  • VR市场现状调研:启动期资金才是王道 2C应用五年内难有突破.pdf
  • VR开发者报告:不炒作!我们正经做生意.pdf
  • WEF 2017全球风险报告当平缓的经济撞上技术爆炸.pdf
  • 中国互联网单车租赁市场专题分析 资本驱动下的圈地战.pdf
  • 互联网迎来AI 时代,海外科技巨头争先布局.pdf
  • 产业链视角:怎样设计一款全面屏手机.pdf
  • 人工智能和工业4.0进行时 机器人创企50强都有谁?.pdf
  • 从苹果ARkit看AR未来的黄金五年.pdf
  • 企业AI转型价值详解:百亿资本催化的数字鸿沟.pdf
  • 企业数字化落地加速 下一波机遇在哪里?.pdf
  • 信通院物联网产业深度报告 平台化和数据服务即将爆发.pdf
  • 刘强东马云正面杠 新零售时代智慧物流平台战打响.pdf
  • 创业公司尸检报告:盈利模式错误 融资失败成致命打击.pdf
  • 剧透高通9150 C-V2X.pdf
  • 区块链+IPO靠谱吗?解密首次代币众筹的逻辑与隐忧.pdf
  • 区块链创投热潮力推技术转化 构建价值互联网.pdf
  • 千亿级智能安防市场解读:设备和技术都已经准备好了.pdf
  • 华为VR大数据:全面解读2C市场突破口和技术门槛.pdf
  • 国内AI技术发展快 资本寒冬不难挨.pdf
  • 埃森哲解读5G智慧城市 GDP狂增5000亿美元.pdf
  • 如何抓准新能源汽车蓝海的目标用户.pdf
  • 学院派发达国家是如何制定AI发展计划的?.pdf
  • 已有12+飞行器研发公司 NASA联手FAA推进航空商业化.pdf
  • 德勤技术趋势全面盘点:企业如何搭上现代化快车.pdf
  • 德勤物联网工业全解读:从“后知后觉”到“先见之明”.pdf
  • 战略解读:库克为何入局智能音箱.pdf
  • 截至2030年技术爆发点全面预测 3D打印和人工智能火力全开.pdf
  • 捷孚凯3C市场报告:手机大卖电脑回血消费走向中高端.pdf
  • 摩根大通智能汽车百亿市场深度调研 看23家中国零部件制造商如何突围.pdf
  • 数字时代北京深圳创业最强 川渝地区或成第四极经济圈.pdf
  • 数据大象流对网络架构发起挑战 MR才是产业的未来 .pdf
  • 新能源后补贴时代 自主品牌的“野化”路.pdf
  • 新能源浪潮的第二大风口:电能存储.pdf
  • 无人机基站——应急通信新方案.pdf
  • 普华永道全球科技行业IPO回顾 独角兽缺席导致的冷场.pdf
  • 普华永道蓝皮书 全面盘点中国汽车市场新常态.pdf
  • 普华永道:15.7万亿美元AI市场的八大入口.pdf
  • 新能源后补贴时代 自主品牌的“野化”路.pdf
  • 智慧医疗是如何成为AI规模最大,增长最快的领域的?.pdf
  • 智能传感器:未来机器的感官 百亿美元的市场.pdf
  • 智能语音生态盘点:科技巨头战略布局 两大场景率先爆发.pdf
  • 智能音箱市场分析:为什么大家都在抢这个两亿小蛋糕?.pdf
  • 毕马威17Q1风投报告:正常化下的VC生存法则.pdf
  • 毕马威电子商务深度调研:中国成手机端网购大户 引领社交平台的品牌宣传.pdf
  • 毕马威颠覆性技术调研 841名高管共寻突破.pdf
  • 毕马威:20个痛点对策看懂金融科技.pdf
  • 深度学习成最大爆点 巨头们如何构建AI生态.pdf
  • 深度解读白宫58页AI白皮书:全面盘点技术、产业和战略.pdf
  • 深度:从供需革命看智能手机的七大发展趋势.pdf
  • 特斯拉现有及Model3潜在国产产业链梳理.pdf
  • 电子消费市场总值缩水又怎样 17年移动互联和可穿戴照样赚个盆满钵.pdf
  • 白宫再推人工智能白皮书 技术过渡期应如何应对工种转型.pdf
  • 突围新零售电商时代:移动为先 社交互动.pdf
  • 维度提升 AR 开启视觉入口时代.pdf
  • 美国信息技术产业委员会:14条人工智能政策准则.pdf
  • 联合国点名表扬:中国数字支付生态系统是如何实现领先的.pdf
  • 致企业管理者:下一场工业革命的十大原则.pdf
  • 解密:NB-IoT商用元年的背后推手都有谁?.pdf
  • 让李彦宏梭哈的AI+医疗有何神通 产业链报告解读万亿市场.pdf
  • 诚实回答:AI产业界现在,究竟在做啥?.pdf
  • 谈谈你们都在怕的国内AI人才缺口.pdf
  • 谷歌壕无人性收购史:14家公司,260.5亿美元.pdf
  • 谷歌自曝无人驾驶核心技术!700亿估值Waymo炼成之谜.pdf
  • 软银世界大会:一文读懂孙正义眼中的不久和将来.pdf
  • 量子计算创业盘点:无敌是多么寂寞.pdf
  • 阿里云服务战略解读:马云如何布张新零售包围圈.pdf
  • 高盛史上最全面AI产业盘点 深度解析背后技术.pdf
  • 麦肯锡中国市场调研:AI是科技板块的狂欢 传统行业的两难.pdf
  • 麦肯锡市场深度观察:如何电动汽车的销售和盈利.pdf
  • 麦肯锡深度解读中国AI路的三座大山预言五大战略重点.pdf

 

你可能感兴趣的:(物联网关键之传感器技术)