- 物聯(lián)網關鍵之傳感器技術
- 來源：CSDN 發(fā)表于 2020/4/22
目錄
一、傳感器概述
二、傳感器原理
1、電阻式傳感器
2、電容式傳感器
3、電感式傳感器
4、壓電式傳感器
5、磁敏傳感器
6、光電式傳感器
7、熱電偶與熱電阻
三、傳感器數據處理
1、溫度補償
2、非線性補償
3、標度變換
一、傳感器概述
物聯(lián)網系統(tǒng)中的海量數據信息來源于終端設備，而終端設備數據來源可歸根于傳感器，傳感器賦予了萬物“感官”功能，如人類依靠視覺、聽覺、嗅覺、觸覺感知周圍環(huán)境，同樣物體通過各種傳感器也能感知周圍環(huán)境。且比人類感知更準確、感知范圍更廣。例如人類無法通過觸覺準確感知某物體具體溫度值，也無法感知上千高溫，也不能辨別細微的溫度變化。
傳感器定義為將物理、化學、生物等信息變化按照某些規(guī)律轉換成電參量(電壓、電流、頻率、相位、電阻、電容、電感等)變化的一種器件或裝置。
傳感器一般由敏感元件、轉換元件和基本電路組成。敏感元件是直接感知被測量的元件，將被測量變化轉換成該敏感材料特性參數的變化。某些敏感元件為無源器件，無法直接輸出電壓或電流，所以需要通過轉換元件特性參數的變化轉換成電壓或電流�；倦娐穼⑥D換元件輸出的信號進行放大、整形及編碼輸出。
傳感器種類繁多，按照被測量類型可分為溫度傳感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。按照傳感器工作原理可分為物理性傳感器(基于力、熱、聲、光、電、磁等效應)、化學性傳感器（基于化學反應原理）和生物性傳感器（基于霉、抗體、激素等分子識別）。以下將簡述基于物理性的常見傳感器工作原理。
二、傳感器原理
1、電阻式傳感器
電阻式傳感器基本原理是敏感元件電導率隨外界環(huán)境變化而變化的傳感器，大致可分為電位計式傳感器與應變式傳感器。
電位計式傳感器
將機械的線位移或角位移轉變成電阻或電壓輸出。通過位移變化改變電阻器結構參數（一般是長度變化）從而使得電阻值發(fā)生相應變化。
應用舉例：汽車中座椅位置檢測(旋轉或平移觸點位置使有效電阻發(fā)生變化)。
應變式傳感器
金屬應變效應
將一根固定長度的金屬導線使用外力拉伸時，其導線長度會增加，橫切面積減�。俣ǜ鞑糠肿兓鶆蚯覝囟群愣ǎ﹦t根據電阻的結構參數定義可得電阻會發(fā)生相應變化（應變效應）。
利用該效應將機械形變(dl/l橫向應變、dr/r縱向應變)直接轉變?yōu)殡娮柚底兓膫鞲衅骺蓹z測位移、壓力、加速度、扭矩等物理量，并且能在高溫、強磁等惡劣環(huán)境下工作。一般在實際應用中采用多個應變片（緊貼被測物體)組成電橋電路將電阻變化轉換成電壓輸出。
半導體應變效應
半導體在受外力作用時，幾何尺寸在微小的形變下，電阻值也能有較大變化（壓阻效應）。利用半導體壓阻效應可用來測量水位情況。
2、電容式傳感器
電容式傳感器是將被測量變化轉換成電容量變化的傳感器，通過電路轉換將電容量變化轉換成電壓或頻率等信號輸出。
3、電感式傳感器
電感式傳感器利用自感或互感系數的變化來檢測非電量的變化。通過基本電路將自感或互感系數的變化轉變成電壓或頻率信號輸出。電感式傳感器種類很多，常見的有自感式傳感器，互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。
自感式
線圈中磁通量與線圈電流的比值為一個恒定值，即為自感系數，他與線圈匝數、磁芯材料等有關。通過改變磁芯材料或磁芯材料位置即可改變自感系數，然后通過轉換電路將自感系數的變化轉換為電信號的變化。
互感式
互感式傳感器工作原理類似于變壓器（電-磁-電轉換），兩組線圈中的磁芯位置的變化將引起兩組線圈耦合強度的變化，即互感系數的變化。
渦流式
將金屬塊放置與變化的磁場中或在勻強磁場中運動時，會在金屬塊中行成閉合電流，這種現象稱為渦流效應。產生的電流稱為渦流。渦流式傳感器基本結構為一個線圈，給線圈通高頻電流時，當有金屬塊靠近線圈時，會在金屬塊中產生渦流（渦流的大小與導體磁導率、電阻率、勵磁電流角頻率、導體位置等有關），同時渦流產生的磁場會阻礙線圈磁場的變化，即線圈等效電感或等效阻抗會發(fā)生變化。通過檢測參數的變化即可測量出金屬塊位移、厚度、材料類別等信息。
4、壓電式傳感器
在某些晶體材料上施加外力而發(fā)生形變時，會在晶體相應表面上分布等量異種電荷這種現象稱為正壓電效應，相反在晶體極化方向上施加電場時，會使晶體發(fā)生形變稱為逆壓電效應。利用晶體這一特性可制作壓力傳感器、超聲波傳感器等。
5、磁敏傳感器
磁敏傳感器是利用磁電轉化原理，將磁場信號轉換為電信號，主要用來檢測磁場。典型的磁敏傳感器為利用霍爾效應制成的霍爾式傳感器。
通有電流的金屬片放置與磁場中時，在垂直于磁場與電流的方向將產生電動勢，電動勢大小正比于磁場與電流的乘積。這種現象稱為霍爾效應。
霍爾效應的本質原因是電子在磁場中運動時受到磁場力（洛倫茲力）的作用，即電子向金屬表面運動，結果金屬片將在表面分布等量異種電荷。
6、光電式傳感器
光電式傳感器是利用光電效應將光信號轉換成電信號的一種傳感器。光電效應一般分為外光電效應、內光電效應。
外光電效應
在光照情況下，電子獲得能量溢出物體表面的現象�；谠撔钠骷泄怆姸䴓O管、光電倍增管等。
內光電效應
光電導效應：在光照情況下，電子獲得能量后從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。基于這種效應的器件有光敏電阻。
光伏效應：光照射半導體PN結時，在結區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，形成持續(xù)電場。光電池就是利用這一原理。
7、熱電偶與熱電阻
熱電偶與熱電阻常用來檢測溫度，熱電偶基于熱電效應，熱電阻是利用金屬導體電阻隨溫度變化原理實現檢測溫度。
熱電偶
將兩種不同導體兩端連接在一起組成閉合回路，并將兩端置于不同的溫度環(huán)境中，在閉合回路中將產生電動勢并形成電流。
電動勢由溫差電勢與接觸電勢兩部分組成。溫差電動勢的產生是由于溫度不同，高溫端的電子能量比低溫端電子能量大，因而高溫端電子跑到低溫端電子數目要比低溫端電子跑到高溫端電子數目多，結果高溫端失去電子而帶正電，低溫端得到多余電子而得負電，形成溫差電動勢。接觸電勢原因為不同材料在接觸端由于自由電子密度不同，高密度電子向低密度電子擴散形，擴散運動穩(wěn)定后形成接觸電動勢。
將熱電偶一端置于恒溫環(huán)境，另一端置于被檢測環(huán)境中，通過測量回路中電流大小即可檢測環(huán)境溫度。
熱電阻
熱電阻利用導體或半導體電阻率隨溫度變化而變化的原理來感知溫度。一般選取具有正溫度系數的材料。
三、傳感器數據處理
1、溫度補償
傳感器在實際應用中，溫度的變化會引起傳感器特性參數變化，從而會改變傳感器靜動態(tài)特性（大多數電子元器件材料為半導體，半導體導電性能溫度起決定作用），所以溫度是影響傳感器精度的重要因素之一。
溫度補償方法
假設被測量為x，傳感器輸出為y，環(huán)境溫度為T，零點輸出為Y0，傳感器靈敏度為K，則線性傳感器特性可表示為：
y=Y
0
(T)+K(T)x
式中可以看出，傳感器零點與靈敏度均受溫度影響。則傳感器溫度靈敏度可表示為：
溫度補償實質就是令ST=0即可。該式包括了對零點溫度漂移補償和靈敏度的補償。實際應用中可采用傳感器本身的特性滿足溫度補償，例如，利用具有正負溫度系數特性的電阻，使電阻隨溫度變化的增量相等，從而抵消溫度對輸出影響，或者利用電路結構上特性，使溫度干擾信號轉換為共模信號輸入，然后做差分運算互相抵消。
2、非線性補償
傳感器輸入輸出非線性主要體現在兩方面，敏感元件在轉換原理上非線性，例如熱電偶熱端溫度與熱電動勢是非線性的關系，采用測量電路非線性，列如電橋測量電路，橋臂元件參數的變化使電橋失去平衡，導致輸入輸出關系非線性。
非線性補償方法有硬件法、和軟件法，前者是增加非線性補償環(huán)節(jié)，利用某些元器件非線性特性，組成各種、指數、對數、開方等運算。以實現對傳感器輸入輸出非線性補償。軟件法補償相比于硬件來說更簡單，無需增加非線性環(huán)節(jié)，降低硬件復雜度。軟件補償主要有兩種方法：
查表法：有些傳感器輸入和輸出高度非線性，輸入和輸出的關系很復雜，可能涉及到指數、對數、微積分等復雜運算，由于受處理器限制，無法快速完成這些運算，或者輸入和輸出根本無法建立數學模型，為解決這類問題，可采用查表法。查表法就是將具體輸入與輸出記錄下來并建立一張關系表，實際應用時，通過查表來輸出。
計算法：當傳感器輸出與輸入的關系有確定的數學表達式時，可以在程序中編制一段實現這個數學表達式的程序，被測量經過檢測、AD采樣、標度變化后進入計算機根據數學關系計算，計算后的值就是線性化處理后的輸出。建立數學模型可采用數據擬合的方式實現，首先采集輸入輸出數據序列，然后通過線性插值或多項式插值方式找出數據模型。
線性插值
假設輸入輸出特性為非線性關系，關系為y=f（x），當x=xi時，y=yi，x=xk時，y=yk，則當xn=xi+△x（xi<xn<xk）時，yn可表示為：
多項式插值
多項式插值方式是設法用一個多項式p(x)去逼近傳感器實際特性y=f(x),使得p（xn） =f（xn）。如圖示，用p(x)近似替代傳感器實際特性f(x)
3、標度變換
數字傳感器采集的數據并不定于原來帶有量綱的參數值，它僅僅對應于被測參數的大小，必須把它轉換成帶有量綱的數值后才能顯示應用，這種變換稱為標度變換。
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