智能组合

传感器

传感器

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传感技术与信息科学息息相关,在信息科学领域里,传感器被认为是生物体“五官”的工程模拟物。它是自动检测和自动转换技术的总称。


传感器是一种能够把特定的被测信号,按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置,以满足信息的传输、处理、纪录、显示和控制等要求。这里“可用信号”是指便于处理、传输的信号,一般为电信号,如电压、电流、电阻、电容、频率等。


传感器组成


传感器有两个基本元件组成:敏感元件和转换元件。


在完成非电量到点亮的转变过程中,并非所有的非电量参数都能一次转变为电量,往往是先变成一种易于变换成电量(如位移、应变等),然后再通过适当的方法变换成电量。把能够完成预变换的器件称为敏感元件。在传感器中,建立在力学结构分析上的各种类型的弹性元件(如梁、板等)统称为弹性敏感元件。而转换元件是能将感觉到被测非电量参数转换为电量的器件,如应变计、压电晶体、热电偶等。转换元件是传感器的核心部分,是利用各种物理、化学、生物效应等原理制成的。行动物理、化学、生物效应的发现常被用到新型传感器上,使其品种与功能日益增多,应用领域更加广泛。


并不是所有的传感器都包括敏感元件与转换元件,有一部分传感器不需要起预变换作用的敏感元件,如热敏电阻、光电器件等。


传感器分类
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传感器的分类方法很多,常见的有以下几种。


一、按输入量(被测对象)分类。可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中,物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等。这种分类方法给使用者提供的方便,容易根据被测对象来选择所需要的传感器。


二、按输出量分类。传感器按输出量不同,可分为模拟式传感器和数字式传感器两类。模拟式传感器指传感器的输出信号为模拟量。数字式传感器是指传感器的输出信号为数字量。   


三、按基本效应分类。根据传感技术所蕴含的基本效应,可以将传感器分为物理性、化学性、生物性。


四、按工作原理分类。传感器可按其工作原理命名,如应变式传感器、电容式传感器。电感式传感器、压电式传感器、热电式传感器等。这种分类方法通常在讨论传感器的工作原理是使用。


五、按能量变换关系进行分类。可分为能量变换型传感器和能量控制型传感器。


能量变换型传感器又称发电型或有源型传感器,其输出端的能量是由被测对象取出的能量转换而来的。这类传感器包括热电偶、光电池、压电式传感器、磁电感应式传感器、固体电解质气敏传感器等。


传感器作用
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在物联网中,传感器处于研究对象与检测系统的接口位置,是感知、获取与检测信息的窗口,它提供物联网系统赖以进行决策和处理所必须的原始数据。


1、传感器在工业自动化系统中的作用。在工业自动化生产过程中,以传感器-微型计算机为核心的自动检测与控制系统正在石油、电力、航天、冶金、机械制造、动力机械、化工、生物等领域得到广泛应用。


2、传感器在航天航空中的作用。飞机、火箭、宇宙飞船等飞行器上要使用传感器对飞行速度方向、飞行姿态进行检测。


3、传感器在资源探测与环境保护中的作用。传感器用于陆地、海洋、太空资源以及空间环境、气象等方面的测量以便于开发与利用,如测定农田土地状态、作物分布;掌握森林资源、渔业资源、海洋资源等。在环境保护方面,可用于对大气、水质污染、反射性、噪声的检测等。


4、传感器在医学领域中的作用。传感器在医学上可用于对人体温度、血压及腔内压力、血液就呼吸流量、心脑电波、脉搏及心音等进行高准确度的检测,还能实现对患者的自动检测和监护。


5、传感器在家用电子产品中的作用。传感器在家用电器中得到广泛的应用,如电冰箱、微波炉、洗衣机、影院、数码相机、液晶电视等都用到了各种不同的传感器。


6、传感器在军事领域的作用。利用红外线可以探测地形、地物和军事目标,红外雷达可以搜索、跟踪、测距,可以搜索到上千米以外的目标等。


常见传感器
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传感器种类很多,按照不同的分类方法,有不同的种类。


温度传感器


温度是表征物体冷热程度的物理量。在人类社会的生产、科研和日常生活中,温度的测量都占有重要地位。温度传感器用于家电产品中的空调、干燥器、电冰箱、微波炉等,还可以用来控制汽车发动机,如测定水温,吸气温度等,也广泛用于检测化工厂的溶液和气体的温度。但是温度不能直接测量,智能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。


温度传感器有各种类型,根据敏感元件与被测介质接触与否可分为接触式和非接触式两大类。按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。在选择温度传感器时,应考虑到诸多因素,如被测对象的湿度范围,传感器的灵敏度、精度和噪声、响应速度、使用环境、价格等。


湿度传感器


随着时代的发展,湿度及对湿度的测量和控制对人们的日常生活显的越来越重要。如气象、科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等部门,都需要采用湿度传感器来进行测量和控制,对湿度传感器的性能指标要求也越来越高,对环境温、湿度的控制以及对工业材料水分值的检测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。


超声波传感器


声波是一种机械波,是机械振动在介质中的传播过程。频率在20Hz~20kHz间能为人耳所闻的机械波称为可闻声波;低于16Hz的机械声波称为次声波;高于2×10(4次方)Hz的机械波称为超声波。


超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。


气敏传感器


人类的日常生活和生产活动与周围的环境密切相关,现代生活接触到的易燃、易爆、有毒等对人体有害的气体日益增多,如氢气、天然气、液化石油气、一氧化碳等。气敏传感器是能够感知环境中某种气体及浓度从而对环境进行检测、监控、报警的一种敏感器件。


气敏传感器是指将被测气体浓度转换为 与其成一定关系的电量输出的装置或器件。由于被测气体的种类繁多且性质各不相同,不可可能用一种传感器来检测所有气体,所以气敏传感器的种类也有很多。近年来,随着半导体材料和加工技术的迅速发展,世纪使用最多的是半导体气敏传感器。


智能传感器


传感网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮,业内专家认为,传感网一方面可以提高经济性,大大节约成本;另一方面可以为全球的经济复苏提供技术动力。而智能传感器作为传感网的基础和重要组成部分,其技术发展决定了传感网的整体性能。


微电子机械系统(MEMS)
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微电子机械系统(MEMS)概念与20世纪80年代末提出,一般泛指特征尺度在亚微米至亚毫米范围的装置。


MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域,相对于传统的机械系统,他们的尺度更小,最大的不超过1cm,甚至只有几微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用集成电路(IC)类似的生成技术可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。


完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理器和控制电路、通信接口和电源等部组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。


沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向可以预见:MEMS会给人类社会带来另一次技术革命,它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响,是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。



传感器节点
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传感器节点与传统传感器不同,不仅包括传感器部件,而且集成了微型处理器、无线通信芯片和供能装置,能够对感知的信息进行综合分析处理和网络传输。


传感器的种类有很多,根据基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等很多类。传感器与传感网有着不可分割的关系。一个传感器和一个传感网络节点的区别就在于能否植入一个通信模块。


传感器节点硬件平台基本特征。


1、传感器。随着传感器技术的发展,有许多传感器可供节点平台使用。


2、微处理器。微处理器是无线传感器节点中负责计算的核心。目前的微处理器芯片同时集成内存、闪存、模/数转换器、数字IO等。影像节点工作整体性能的几个处理器关键特性:功耗特性、唤醒时间、供电电压、运算速度、内存大小。


3、通信芯片。通信芯片是无线传感节点中重要组成部分。通信芯片的能耗有两大特点。其一,在一个无线传感节点的总能量消耗中,通信芯片耗能所占的比例最大。其二,低功耗的通信芯片在发送状态和接受状态小号的能量差不多。这意味着,只要通信芯片在开着的,不管他有没有在接收数据,他都在消耗着差不多的能量。


通信芯片的传输距离通常是我们在选择一个传感器节点时的重要指标。


4、供能装置。除了使用电池供电外,节点也可以使用可再生能源,如太阳能、风能等。


无线传感器网络技术
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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WAN)是由大量固定或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,在网络覆盖地理区域协作的感知、采集、处理和传输被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络的所有者。它是物联网的关键技术之一,处于物联网架构的感知层。


无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、温度、湿度、噪音、光强、土壤成分、速度和方向等周边环境中各种各样的现象。


无线传感网特征


多跳:每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。


自组织:如果一个系统不存在外部指令,系统将按照相互默契的某种规则,各尽其责而又协调的、自动的形成有序结构。一个系统自组织越强,其保持和产生新功能的能力也就越强。


鲁棒性:是指控制系统在一定(结构、大小)的参数摄动下,维持其他某些性能的特性。根据对性能的不同定义,鲁棒性可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计,得到的固定控制器称为鲁棒控制器。