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连接一切的不是微信,而是传感器

时间:2015-06-14 10:56 来源:网络 作者:网络 阅读:

传感器物联网智能硬件的翅膀

 

  讲传感器,不是为了说明她多基础,而是为了说明她多重要—这是一个充满各种智能硬件物联网社会。

  提起智能硬件,绕不开的一定是谷歌眼镜,她可以称为智能硬件的鼻祖了,谷歌眼镜有一大特色,使用者仅需眨眨眼睛就可以完成拍照,这主要是因为内置了红外传感器和距离传感器。此外,还内置了陀螺仪传感器、加速度传感器、磁力传感器、线性加速等多达10余种传感器。

  同样,传感器在我们的日常生活中随处可见,如家用电器中都使用了传感器:电冰箱、电饭煲中的温度传感器,空调中的温度和湿度传感器,洗衣机中的液位传感器,煤气灶中的煤气泄漏传感器,照相机中的光传感器,汽车中燃料计和速度计等。

 

  传感器的前世今生

 

  1、传感器的原理、结构及分类

 

  传感器是物联网的基础技术之一,处于物联网构架的感知层,是获取与检测信息的窗口,提供物联网所必需的原始数据,能把特定的被测信号按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。从某种意义上讲,传感器就是外部世界和物联网系统的接口。

  传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成,有时还需要加辅助电源,如图1所示。

  图1.传感器原理框图

  敏感元件:将不能够直接变换为电量的非电量转换为可直接变换为电量的非电量元件;

  转换元件:将感受到的非电量直接转换为电量的器件,如压电晶体、热电偶等;

  测量电路:将转换元件输出的电量变成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。

  书本上的描述比较拗口,打个比方,就像单片机的A/D模块,只要控制好,采集、转换、输出,一条龙服务。

  目前对传感器尚无统一的分类方法,老王选了一个比较合理的分类表格,如图2所示,表格包含两层意义:按传感器的被测量量分类,可分为物理、化学、生物等传感器;按传感器测量原理分类,可分为力、热、光、磁、电等传感器。

  图2.传感器分类

2、传感器的技术指标:

 

  实际的物联网系统中,需要对各种参数进行检测和控制,而要达到比较优良的控制性能,则必须要求传感器能够实时感知被测量量的变化,并不失真地将其转换为相应的电量,这种要求主要取决于传感器的基本特性,通常把传感器的特性分为两种:静态特性和动态特性。

 

  1) 传感器的静态特性

  静态特性是指输入不随时间而变化的特性,它表示传感器在被测量量处于稳定状态下输入输出的关系。

  我们肯定特别希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系,而且最好呈线性关系,但现实没有这么美好,一般情况下,输入输出不会完全符合所要求的线性关系,因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素,以及受外界条件的各种影响。传感器静态特性的主要指标有:线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等,这些技术参数决定着传感器的合理选型,之后会做详细介绍。

  2) 传感器的动态特性

  动态特性是指输入随时间而变化的特性,它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。

  也很多传感器要在动态条件下测量,被测量量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数,则其输出量也将是时间的函数,其关系要用动特性来说明。设计传感器时,要根据其动态性能要求和使用条件来选择合理的方案以及确定合适的参数;使用传感器时,要根据其动态特性和使用条件确定合适的使用方法,同时要对给定条件下的传感器动态误差进行估计。总的来说,传感器的动态特性取决于传感器本身,也与被测量的形式有关。

 

  传感器选用哪家强?

 

  当进行一个具体的测量工作时,我们首先要考虑采用何种传感器,这自然需要分析多方面的因素之后。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,要根据被测量量的特点和传感器的使用条件考虑一些具体问题:量程的大小,被测位置对传感器体积的要求,测量方式为接触式还是非接触式,信号的引出方法,有线或是非接触测量,传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,抑或是自行研制等诸如此类。

  考虑上述问题之后一般就能确定选用何种类型的传感器,之后再考虑的就是传感器的具体性能指标。

  1. 灵敏度的选择

  通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,对应的输出信号的值才更大,有利于信号处理。还有一点需要注意,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。

  此外,传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度较小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

  2. 频率响应特性

  传感器的频率响应特性决定了被测量量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有一定的延迟,我们希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高,可测的信号频率范围就越宽。

  在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过大的误差。

  3. 线性范围

  传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后,我们首先要看其量程是否满足要求。

  但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。

  4. 稳定性

  传感器使用一段时间后,其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。

  在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。

  传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。

  在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。

  5. 精度

  精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜的。

  如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。

  对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器,自制传感器的性能要能满足使用要求。

 

资深工程师传感器的设计心得

 

  好的传感器的设计是经验加技术的结晶。一般理解传感器是将一种物理量经过电路转换成另外一种直观可表达的物理量(如电流或电压),再显示出来。因此需要注意几点:

  1、一般所测得的物理量是非常小的,通常还带有作为传感器物理转换元件固有的转换噪声。比如传感器在1被放大倍率下的信号强度为0.1~1uV,此时的背景噪声信号也有这么大的水平,甚至于将其湮灭。如何将有用信号尽量取出并且压低噪声是传感器设计的首要解决的问题。

  2、传感器电路一定要简单精炼。设想具有3级放大电路的、2级有源滤波器的放大回路,放大了信号的同时也将噪声放大了,如果噪声不是明显偏离有用信号频谱,则无论怎样滤波两者同时放大,结果信噪比没有提高。因此传感器电路一定要精炼简约。能省1只电阻或电容就一定要将它去掉,这是许多设计传感器的工程师们容易忽略的问题。已知的情况是,传感器电路随着噪声的问题困扰,电路越修改越复杂,成为怪圈。

  3功耗问题。传感器通常在后续电路的前端,有可能需要较长的引线连接。当传感器功耗较大时,引线的连接会将所有的无谓噪声及电源噪声引入使得后续电路愈发难以设计。在够用的情况小如何降低功耗也是一个不小的考验。

  4、元器件的选用和电源回路。元器件的选用一定要够用为好,只要器件指标在需要的范围之内就可以了,余下的就是电路设计问题。电源是传感器电路设计过程一定要遇到的难题,不要追求无法达到的电源指标,而选择一款带有较好的共模抑制比的运放,采用差分放大电路设计,可能最普通的开关电源及器件就能满足你的要求。电源的退耦一定要设计可靠,并且遵循器件手册的要求,宁多勿少。

  后记

  必须得说,传感器包含的东西太多太广,很难写得比较精彩,只好暂且介绍这些基础知识,读到这里,若大家对传感器有基本的了解,则老王讲堂的目的便已达到。下期开始讲讲那些更为大家需要的电子知识,电阻、电容、电感、二极管、三极管、放大器、存储器、单片机……

 

(责任编辑:admin)

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