一文介绍物联网传感器如何工作

技术研究
物联网世界
2020-10-12
[ 导读 ]   过去十几年,计算机、软件和计算技术在世界上发生了巨大的变化。作为一名工程师,在这个时代拥有部分强大的计算能力是十分有益的。最受欢迎的是个人电脑、笔记本电脑、智能手机和智能手表等手持设备。这无法想象我们的生活没有计算能力的帮助会是怎样的。令人激动的部分是,我们仍然在浏览隐藏在这样一个看似智能化的机器中的巨大计算潜力的表面。随着物联网的出现,计算技术达到了新的水平,重新定义了"智能"(智慧城市如何建立…

过去十几年,计算机、软件和计算技术在世界上发生了巨大的变化。作为一名工程师,在这个时代拥有部分强大的计算能力是十分有益的。最受欢迎的是个人电脑、笔记本电脑、智能手机和智能手表等手持设备。

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这无法想象我们的生活没有计算能力的帮助会是怎样的。令人激动的部分是,我们仍然在浏览隐藏在这样一个看似智能化的机器中的巨大计算潜力的表面。

随着物联网的出现,计算技术达到了新的水平,重新定义了"智能"(智慧城市如何建立一个更好的疫情后世界),公平地说,激动人心的时刻才刚刚开始。

本文旨在回答这样一个问题:"传感器是如何"感觉"的? "并专注于传感器工作的物理。

什么是物联网?

顾名思义,物联网是一个涵盖所有类型设备的保护伞。它们要么嵌入系统中,要么作为一个单独的实体存在。不管怎样,关键是他们通过互联网互相交流。每一个这样的设备都有一个嵌入式发送器和接收器,通过因特网实现通信过程。

然而,每一个物联网系统都是不一样的,不一定适合所有的应用。事实上,他们和我们人类很相似。每个人都擅长某件事。你不能指望演员驾驶飞机,飞行员在电影中表演。同样,你不能指望一个单一的物联网系统(和设备)来做所有的事情。因此,工程师设计不同的系统来执行不同的任务,以提供最好的结果。

在现代商业中,顾客是上帝,所有行业都是如此。因此,系统设计者总是设计、生产和运送物联网系统,以提供良好的用户体验。Vera Kozyr所著《如何做物联网硬件产品开发》从硬件产品的角度出发,重申所有利益相关者投入的时间和精力来创建端到端、即插即用式系统。

在探索物联网设备的内部之前,区分设备和系统是很重要的。

一个设备就像一个单独的成员,而系统就像一个包含个人的团队。因此,设备是系统的一部分,反之亦然。

物联网系统的组成部分

任何系统都由多个单独的组件(和子组件)组成,它们共同努力实现一个共同的目标。此外,作为一个系统(团队)的一部分可以确保更高的生产力和更好的结果。物联网系统的主要组成部分包括:

感应物理量的传感器

现场中央微控制器,控制传感器和其他部件执行的所有动作;

云端,数据分析和处理,对接收到的数据进行分析和处理;

发送器和接收器通过互联网在不同的传感器、传感器和微控制器与中央云服务器之间建立通信;

与用户通信并执行用户指示的任务的用户界面。

物联网传感器:通向现实世界的桥梁

物联网系统的一个很好的例子是智能手机,它通常包括:

用于确定位置的全球定位系统(GPS)模块;

感测环境温度的温度传感器;

一个麦克风可以感知用户的声音;

近距离传感器,用于感应用户与手机的距离,并在通话过程中锁定手机。

智能手机上的不同应用使用不同的传感器。例如,谷歌地图有一个用户界面(一个应用程序),可以与GPS模块交互并收集位置坐标。它通过互联网连接处理数据,帮助用户路由到目的地。

电池管理系统(BMS)是使用多个传感器的物联网系统的另一个例子。BMS是一种保护和管理电池操作的电子系统。简而言之,它是电池的个人看护人。

传感器就像是计算机世界和现实世界之间的网关。因此,传感器需要将它在现实世界中感知到的任何东西转换成计算机能够理解的特殊事物。

而这两个世界之间的共同联系就是电能。

因此,我们得出了传感器的技术定义——物联网系统中的传感器感知所需的物理量,并将其转换为电信号,直接或通过现场微控制器传输到基于云的中央服务器。

物联网传感器是物联网系统中使用的传感器。

微机电系统(MEMS)与物联网传感器的传感机理

微机电系统(MEMS)是一种微系统技术(MST),它由半导体材料(如硅)组成,其尺寸在微米范围内。

大多数探测机械能的传感器都以某种方式使用MEMS技术。加速度计是一个非常典型的例子。这主要是由于快速增长和对计算机的巨大依赖。

由于MEMS技术的制造材料是半导体,其主要优点是可以嵌入集成电路(IC)。集成电路包括对从传感器接收到的数据起作用的其他计算组件(也由半导体材料构成)。

事实上,小尺寸和芯片集成大大降低了成本。你可以花不到250英镑(3.34美元)买到一个基于MEMS的加速计。此外,基于MEMS的传感器具有高灵敏度和检测微小变化的优点,这是前人无法想象的。

传感机构类型及工作原理

根据应用,系统可以包括一个或多个传感器,感测不同的物理量,从而具有独特的感测机制。MEMS技术中将物理变化转换为电信号的两种最流行的传感机制是:

1、基于电阻的传感

2、电容式传感

这两种类型的传感机制都采用了一个简单的原理——物理量的任何变化都是通过传感器所用材料的电阻或电容的变化来捕捉的。因此,物理量的较大变化表明材料的电阻或电容变化较大,反之亦然。

这两种类型的主要区别在于这两种机制的工作原理。基于电阻的传感系统使用电阻,而基于电容的传感系统使用电容。

基于电阻的传感机制(使用MEMS技术)

一个多世纪以来,我们一直使用电阻电阻来测量、分析、控制和观察各种物理量。如前所述,当一个物理量(如压力)发生变化时,电阻的变化量决定了这个量的变化量。

电阻的变化受物理原理的控制,如光导效应、半导体的热阻效应和压阻效应[1]。

通过物理几何结构的变化进行传感–材料的电阻取决于材料的几何结构、长度和横截面积。长度或/和横截面积的任何变化都将直接影响材料的阻力。

压阻效应-压阻材料是一种特殊的材料,当材料经历诸如推、拉或挤压等机械变形时,其电阻会发生变化。因此,压力、振动和加速度测量物联网传感器通常使用压阻材料。

物联网传感器中使用的其他基于电阻的传感机制

尽管基于MEMS的物联网传感器对机械量、物理量非常有效,但电阻式传感器检测非机械量(如光和温度)的操作是不一样的。因此,传感机制发生变化。

光感应-为了检测光,需要一种特殊的感光材料。植物通过被称为光感受器的特殊分子来探测光。类似地,任何光传感传感器都使用光刻胶,这种材料的电阻随着光强度的增加而降低。光敏电阻或俗称LDR是一种非常流行的用于检测光的物联网传感器。

温度传感-与光传感类似,温度传感也需要能够接受环境温度变化的材料。大多数温度传感器由热敏电阻组成,热敏电阻是一种电阻随温度升高而降低的材料。例如,防止现代锂离子电池过度充电的一个参数就是在热敏电阻的帮助下检测电池温度。

化学传感器-这些传感器用于检测特定的化学物质。该传感器包含一个由一种材料制成的传感层,只要与化学物质发生反应,其电阻就会发生变化。例如,许多物联网系统使用MQ系列(MQ9、MQ2、MQ7等)气体传感器。它能检测出一氧化碳、液化石油气和甲烷等各种气体的存在。


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图1——基于电阻的传感器

转换为电信号

可以说,第二个最流行的科学方程式,欧姆定律(V=IR)建立了电流、电压和电阻之间的直接关系。这个定律的妙处在于,电阻的任何微小变化都可以在瞬间转换成电信号(电压或电流)。

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图2——电阻传感物理变化到电信号的转换


因此,每种基于电阻的物联网传感器(包括MEMS技术)都直接或间接地使用欧姆定律。

物联网传感器中基于电容的传感机制

基于电容的传感机制通过改变材料的电容来捕捉物理量的变化,就像电阻一样,取决于材料的物理几何结构。

然而,几乎所有基于电容的传感系统主要依赖于物理几何结构的变化——面积、距离和材料的电容能力(由其可存储的电荷量来描述)。

触摸传感器是物联网系统中最常见的电容式传感器之一。智能手机使用由许多触摸传感器组成的触摸屏。本质上,它是一个压力传感器,可以检测来自身体接触的压力/力。

当屏幕受到物理触摸刺激时,施加的压力会改变屏幕的面积或距离,从而触发屏幕下方电容值的变化。

这种电容的变化就像一个电子开关,将电信号驱动到下一级。图3示出了触摸传感器的工作原理。


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图3–电容式触摸传感器的2D和3D工作

与使用欧姆定律的基于电阻的传感系统类似,基于电容的系统有自己独特的关系,将电容的变化映射到电压和电流。

电容式与电阻式传感

在电阻传感中,一些物理量,如光和温度,需要一种特殊类型的材料。其中存在利弊,一方面,电阻的变化对被测量是唯一的。但另一方面,这种独特性需要完全不同的测量/传感程序。

相反,大多数基于电容的传感系统保持统一的传感过程,因为这种变化主要是由于物理几何的变化。此外,与电阻式传感器相比,它们相对较新,目前仅限于使用MEMS技术的传感机械系统。

结论

此外,物联网只是传感器设计的一部分。系统必须有效地处理接收到的数据,并根据用户需求提供以应用程序为中心的结果。

目前,物联网传感器已经渗透到制造业,自动化了大多数人工操作,形成了一个全新的分支,叫做工业物联网(IIOT)。

与个人电脑和智能手机不同的是,物联网技术还没有在我们的生活中带来巨大的变革。在此之前,整个物联网生态系统需要继续发展。

参考文献

[1] W. Y. Du, S. W. Yelich, "Resistive and Capacitive Based Sensing Technologies", Sensors and Transducers Journal, April, 2008

[2] P&S Technologies, "P&S OPC271 Opto-Potentiometer", TNT Audio, June, 2009

[3] Wikimedia Common Contributors, "Photoresistor 2.jpg", Wikimedia Commons, The Free Media Repository, November, 2018

[4] "NTC Thermistor.jpg," Wikimedia Commons, The Free Media Repository, September 2019

[5] Wikimedia Common Contributors, "R against T for a thermistor.png," Wikimedia Commons, The Free Media Repository, July 2020

[6] Wikimedia Common Contributors, "PeizoAccelThoery.gif," Wikimedia Commons, The Free Media Repository, July 2008

[7] Indiamart, "Standard MQ 9 Combustible Gas Sensor"

[8] D. Fischer, "Capacitive Touch Sensors," Fujitsu Microelectronics Europe GmbH, Jan 2021


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