传感器知识概述

物联网的概念“物联网”(InternetofThings),指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。物联网的原理网关设备高速数据网络因特网近距离通信二维码智能卡传感器技术跟踪定位条形码GPS物联网的关键领域物联网主要有四个关键性的应用技术：标签事物的RFID,感知事物的传感网络技术M2M（machinetomachine）技术两化融合传感网(WSN)络技术物联网是全局概念，传感器网（或者叫无线传感网WSN更合适）是其中的组成部分。传感器网络其实更像是物联网中的“感知层”，对于物体的运动和所处环境通过传感器网络进行搜集和整理。WSN通常分为WSN节点和组网技术两部分。无线传感网络(WSN)的发展随着微电子和微系统(MEMS)、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展，基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetworks)成为广泛关注的热点。WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环境监控（如气候、地理、污染变化的监控）、物理安全（如建筑和结构的）监控、交通监控、安全场所的视频监控等。传感网络(WSN)组成WSN节点是组成WSN网络的基本单元。它通常是由传感、计算、通信和电源等基本模块组成的，有的节点还有位置测量系统、移动装置或能量产生装置。WSN中传感器技术的应用不同种类的传感器将探测到的相应的物理量，经过模拟/数字转换后，送到处理单元。处理单元负责处理本节点和其他节点传来的数据，而传输单元则按照相应的无线传输协议与其他节点交换数据。选配的位置测量系统通常是由多普勒测距系统担纲，移动装置则赋予所在节点以移动功能，而能量产生装置通常是由太阳能、热电效应和振动发电等构成，从而实现长期供电的目的。什么是传感器传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置，用于满足系统信息传输、存储、显示、记录及控制等要求。眼：光、影、物体形状如摄像头耳：声音如麦克风鼻：气味如燃气传感器手和皮肤：温度、粗糙度、硬度传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。传感器的组成敏感元件(sensingelement)敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件(transductionelement)转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。测量电路(measuringcircuit)测量电路的作用是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。传感器在测量系统的应用传感器在控制系统的应用传感器的结构形式传感器的结构形式取决于传感器的设计思想：而传感器设计的一个重点是选择信号的方式，把选择出来的信号的某一方面性能在结构中予以具体化，以满足传感器的技术要求。固定信号方式的传感器直接结构固定信号方式是把被测量以外的变量固定或控制在某个定值上。选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形式，这种传感器是由一个独立的传感元件和其他环节构成，直接被测量转换为所需输出量，直接式传感器的构成方法如下图所示：补偿信号方式的传感器补偿结构设计某些传感器会面临两种变量，一种需要的被测量，另一种不希望出现的某种影响量，假设被测量与影响量都起作用时的变化关系是第一函数，仅仅由影响量起作用时的变化关系为第二函数。对于被测量来说，如果影响量作用效果是叠加的，则可取两函数之差；如果影响量作用效果是乘积递增，则可取两函数之商，即可消除影响量的影响，这种信号方式称为补偿方式，如下图所示：补偿信号方式的传感器补偿结构转换元件输入转换元件变换电路电源转换元件转换元件变换电路电源输出环境影响输入输出差动信号方式的传感器差动结构使被测量反向对称变化，影响量同向对称变化，然后取其差，就能有效地将被测量选择出来，这种就是差动方式，下图为差动式结构的构成方法。转换元件转换元件变换电路电源输入输出平均信号方式的传感器平均结构平均信号方式来源于误差分析理论中对随机误差的平均效应和信号的平均处理，在传感器结构中，利用n个相同的转换元件同时感受被测量，则传感器的输出为各元件输出之和，而随机误差则减少为单个元件的。采用平均结构的传感器不仅有效的采用平均信号方式，大幅度降低测试误差，而且可以弥补传感器制造工艺缺陷所带来的误差，还可以补偿某些非测量载荷的影响。平衡信号方式的传感器闭环结构闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈技术，极大的提高系统的静态特性、动态特性、稳定性、可靠性能。同开环传感器比较，在结构上增加了一个由反向传感器构成的反馈环节。采用环式传感器结构有效地解决开环中每一环节存在的误差。伺服电路传感器转换元件电量输出前向环节反向传感器被测量传感器的分类1•按传感器的工作机理，分为物理型、化学型、生物型等2•按构成原理，结构型与物性型两大类3•根据能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器4•按照物理原理分类：磁电式、压电式、光电式等十种5•按照传感器的用途分类：位移、压力、振动、温度传感器6•根据转换过程可逆与否：单向和双向7•根据传感器输出信号：模拟信号和数字信号8•根据传感器使用电源与否：有源传感器和无源传感器传感器的分类(按构成原理)结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。这类传感器的特点是其工作原理是基于以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。传感器的分类(按能量转换原理)能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。传感器的分类(按物理原理)电学式传感器：电阻式、电感式、电容式等；磁学式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；电势型传感器：利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理；电荷传感器：利用压电效应原理制成的传感器；热电式传感器：热电阻、热电偶等；射线式传感器：热辐射式、γ射线式；半导体式传感器：霍尔器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等。电化学式传感器：电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器和电解式传感器等。传感器的标定传感器标定就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，从而确立传感器输出量和输入量之间的对应关系。同时也确定不同使用条件下的误差关系。任何一种传感器在装配完后都必须按设计指标进行全面严格的性能鉴定。使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理，也必须对主要技术指标进行校准试验，以便确保传感器的各项性能指标达到要求。标定系统组成：一般由被测非电量的标准发生器，被测非电的标准测试系统，待标定传感器所配接的型号调节器和显示器、记录器等组成。传感器的静态标定主要用于检验测试传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。根据传感器的功能，静态标定首先需要建立静态标定系统，其次要选择与被标定传感器的精度相适应的一定等级的标定用仪器设备。传感器的静态指标系统一般由以下几部分组成：被测物理量标准发生器、被测物理量标准测试系统、被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等。传感器的动态标定一些传感器除了静态特性必须满足要求外，其动态特性也需要满足要求。因此在进行静态校准和标定后还需要进行动态标定，以便确定它们的动态灵敏度、固有频率和频响范围等。传感器进行动态标定时，需有一标准信号对它激励，常用的标准信号有二类：一是周期函数，如正弦波等；另一是瞬变函数，如阶跃波等。用标准信号激励后得到传感器的输出信号，经分析计算、数据处理、便可决定其频率特性，即幅频特性、阻尼和动态灵敏度等。传感器的校准传感器需要定期检测其基本性能参数，判定是否可以继续使用，如能继续使用，则应对其有变化的主要指标（如灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精准的过程，称为传感器的校准。校准与标定的内容基本相同。传感器的命名根据国标GB7666—87的规定，传感器的全称应由“主题词+四级修饰语”组成：一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语；二级修饰语——转换原理，一般可后缀以“式”字；三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其他必要的性能特征，一般可后缀以“型”字；四级修饰语——主要技术指标(如量程、精度、灵敏度等)。传感器的代号根据国标GB7666—87规定，传感器的代号应包括以下四部分：a——主称(传感器)；b——被测量；c——转换原理；d——序号，在被测量、转换原理、序号三部分代号之间需有连字符“—”连接。传感器的图形符号传感器的图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。1994年2月1日国家批准实施的GB/T14479—93《传感器图用图形符号》是与国际接轨的。按照此规定，传感器的图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成。如图所示：正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件。传感器的图形符号表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测量的限定符号应写进三角形内，如图1所示；当无须强调转换原理时，图形符号可以简化，如图2所示；对于传感器的电气引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三条边线垂直引出，如图3所示；图1图2图3传感器的图形符号几个典型传感器的图用图形符号ＰaP电容式压力传感器压电式加速度传感器电位器式压力传感器传感器发展趋势开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。提高与改善传感器的技术性能传感器的微型化与低功耗传感器的集成化与多功能化传感器的智能化与数字化传感器的网络化研发新型传感器传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。新型传感器包括：①采用新原理；②填补传感器空白；③仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。开发新材料①半导体敏感材料②陶瓷材料③磁性材料④智能材料传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。新工艺的采用例如利用半导体技术制造出压阻式传感器，利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器，日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头，制作出全硅谐振式压力传感器。在发展新型