第3章　傳感器原理及應用實例

3.1　概述

在研究自然現象時，僅僅依靠人的五官獲取外界信息是遠遠不夠的，因此人們發明了能代替或補充人體五官功能的傳感器。最早的傳感器出現在1861年，目前傳感器已經滲透到了人們日常生活中，如熱水器的溫控器、空調的溫濕度傳感器等。此外，傳感器也被廣泛應用于工農業、醫療衛生、軍事國防、環境保護等領域，極大地提高了人類認識世界和改造世界的能力。隨著對物理世界的建設與完善、對未知領域與空間的拓展，人們需要信息來源的種類、數量也在不斷地增加，這也對信息的獲取方式提出了更高的要求。

3.1.1　傳感器的定義與分類

1.傳感器的定義

國家標準（GB/T 7665—2005）對傳感器（Sensor）的定義是：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件和裝置。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成。敏感元件指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，轉換元件指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適合傳輸或檢測的電信號的部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱，因此需要配置信號調理與轉換電路對其進行放大、運算、調制等。隨著半導體器件與集成技術在傳感器中的應用，目前傳感器的信號調理與轉換電路可以封裝在傳感器內或者與敏感元件一起集成在同一芯片上。

從傳感器的輸入端來看，傳感器要能夠感受到指定的被測量，傳感器的輸出信號應該是適合處理和傳輸的電信號。因此傳感器處于感知與識別系統的最前端，用來獲取檢測信息。傳感器的性能直接影響整個測試系統的性能，對測量精度起著決定性作用。

作為信息獲取的重要手段，傳感器與通信技術、計算機技術共同構成了信息技術的三大支柱。隨著現代科技的進步，特別是微電子機械系統（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）、超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated Circuits，VLSI）等技術的發展，使得現代傳感器走上微型化、智能化和網絡化的發展方向，其典型的代表就是無線傳感器節點。

2.傳感器的分類

傳感器是物聯網信息采集的第一道環節，也是決定整個物聯網性能的關鍵環節之一。要想正確選用傳感器，首先要明確所設計的物聯網需要什么樣的傳感器，其次要挑選滿足要求的性價比高的傳感器。傳感器的種類繁多，往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，如壓力可用電容式、電阻式、光纖式等傳感器來進行測量。而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，如電阻式傳感器可以測量位移、溫度、壓力及加速度等物理量。因此，可根據傳感器的轉換原理、功能、工作原理、用途、輸出信號等對其進行分類。

（1）根據轉換原理分類。根據傳感器轉換原理可將其分為物理傳感器和化學傳感器兩大類，生物傳感器屬于一類特殊的化學傳感器。這種分類方法便于從原理上認識輸入與輸出之間的轉換關系，有利于專業人員從原理、設計及應用上進行歸納性的分析與研究。

①物理傳感器是應用壓電、熱電、光電、磁電等物理效應，將被測量的微小變化轉換成電信號。根據被測量類型的不同，物理傳感器可以進一步分為力傳感器、熱傳感器、聲傳感器、光傳感器、電傳感器、磁傳感器與射線傳感器等。物理傳感器特點是可靠性好、應用廣泛。

②化學傳感器是將化學吸附、電化學反應等過程中被測量的微小變化轉換成電信號的傳感器。按傳感方式的不同，化學傳感器可分為接觸式與非接觸式兩種類型；按結構形式的不同可分為分離型傳感器與組裝一體化傳感器；按檢測對象的不同可以分為氣體傳感器、離子傳感器、濕度傳感器等。化學傳感器其特點是其內部結構相對復雜，精度受外界因素影響較大，價格偏高。

③生物傳感器是由生物敏感元件和信號傳導器組成的。生物敏感元件可以是生物體、組織、細胞、酶、核酸或有機物分子，它利用的是不同的生物敏感元件對于光照度、熱量、聲強度、壓力不同的感應特性。例如，對光照度敏感的生物敏感元件能夠將它感受到的光照度轉化為與之成比例的電信號；對熱敏感的生物敏感元件能夠將它感受到的熱量轉化為與之成比例的電信號；對聲強度敏感的生物敏感元件能夠將它感受到的聲強度轉化為與之成比例的電信號。生物傳感器應用的是生物機理，與傳統的化學傳感器和分析設備相比具有無可比擬的優勢，這些優勢表現在高選擇性、高靈敏度、高穩定性、低成本，能夠在復雜環境中進行在線、快速、連續的檢測。

生物計量識別技術是通過比較生物特征來識別不同生物個體的技術，其研究的生物特征，包括臉、指紋、虹膜、語音、體型和個體習慣（如簽字）等。其中虹膜是位于眼睛的白色與黑色瞳孔之間的圓環狀部分，總體上呈現一種由內向外的放射狀結構，由相當復雜的纖維組織構成。虹膜包含了最豐富的紋理信息，包括很多類似于冠狀、水晶體、細絲、斑點、射線皺紋和條紋等細節特征結構，這些特征由遺傳基因決定，并終生不變。研究表明，沒有任何兩個虹膜是一樣的，虹膜識別是當前應用最為方便和精確的一種識別方法。

（2）根據傳感器功能分類。從功能角度可將傳感器分為光敏傳感器、聲敏傳感器、氣敏傳感器、壓敏傳感器、溫敏傳感器、流體傳感器等，這種分類方法非常直觀。

（3）根據用途分類。傳感器按照其用途可分為溫度傳感器、壓力傳感器、力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、速度傳感器、射線傳感器、振動傳感器、濕敏傳感器、氣敏傳感器等。這種分類方法給使用者提供了方便，容易根據測量對象來選擇傳感器。

（4）根據被測量分類。按照被測量的不同，傳感器分為溫度、濕度、位移、速度、壓力、流量、化學成分等傳感器。

（5）根據工作原理分類。按照工作原理傳感器可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

（6）根據輸出信號分類。傳感器按照其輸出信號的標準可分為模擬式傳感器和數字式傳感器。

（7）根據應用材料分類。按照傳感器應用的材料可分成如下三類：

●　按材料的類別分類有金屬聚合物和陶瓷混合物傳感器。

●　按材料的物理性質分類有導體、半導體、絕緣體和磁性材料傳感器。

●　按材料的晶體結構分類有單晶、多晶和非晶材料傳感器。

另外，還有其他的一些分類方法，如按檢測原理分類、按被測對象分類、按輸入與輸出是否為線性關系分類，以及按能量傳遞形式分類等。

3.傳感器的選用原則

傳感器在原理與結構上千差萬別，在品種與型號上名目繁多。在選擇傳感器時，要遵守以下三條原則：

（1）整體需要原則。傳感器的技術指標是作為單元產品或部件給出的，不是檢測系統整體目標和實際應用需求的指標。因此，應當遵循整體需要原則，按實際檢測系統的整體設計要求來選擇傳感器，使所選的傳感器和檢測方法適合具體應用場合。

（2）高可靠性原則。在有多種傳感器滿足基本技術指標要求的情況下，可將可靠性列為首要選擇，盡可能采用元件少的方案，提高系統的可靠性。

（3）高性價比原則。在符合性能要求的同時應注重經濟性，除了傳感器造價低，維護成本也要低。

在實際選用傳感器時，可根據被測量的特點，以及傳感器的使用條件（如量程、體積、檢測方式、輸出信號、來源和價格等）來選用傳感器。

在WSN中，傳感器的選擇除了要考慮基本的靈敏度、線性范圍穩定性及精度等靜態特性，還要考慮應用方面、綜合功耗、可靠性、可維護性、外形尺寸和成本等因素。

3.1.2　傳感器的基本性能

傳感器的主要性能指標包括如下幾個方面：

（1）靈敏度。靈敏度高意味著傳感器能感受到被測量的微弱變化量，即被測量有微小的變化時，傳感器就會有較大的輸出。當靈敏度提高時，傳感器輸出信號隨被測量的變化加大，有利于信號處理。但混入被測量中的干擾信號也會被放大，從而影響測量精度。因此要求傳感器應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化與輸入量變化的比值，當傳感器的輸出量和輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度越高，測量范圍越窄，穩定性也往往越差。

（2）線性度。傳感器的線性范圍（模擬量）是指輸出與輸入成比例的范圍，在線性范圍內它的輸出與輸入是線性關系。線性范圍越寬，表明傳感器的工作量程越大。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地表示實際的特性曲線，特性曲線的線性度（非線性誤差）就是衡量這個近似程度的一個性能指標。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后，首先要看其量程是否滿足要求。線性傳感器的校準曲線的斜率就是靜態靈敏度，對于非線性傳感器的靈敏度，它的數值是由最小二乘法求出的擬合直線的斜率。

（3）精度。精度是傳感器的一個重要性能指標，關系到整個系統的檢測精度。傳感器精度越高，價格往往越昂貴。

（4）穩定性。傳感器的性能不隨使用時間而變化的性能稱為穩定性。傳感器的結構和使用環境是影響傳感器穩定性的主要因素，應根據具體的使用環境選擇具有較強環境適應能力的傳感器，也可以采取適當措施減小環境的影響。

（5）頻率響應特性。傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，傳感器的頻率響應特性越好，可測的信號頻率范圍就越大。在實際應用中傳感器的頻率響應總有一定的延時，延時越短越好。

（6）漂移。漂移是指在傳感器輸入量不變的情況下，輸出量隨著時間變化的現象。當輸入量為零時的漂移稱為零點漂移。產生漂移的原因有傳感器自身結構參數和周圍環境（如溫度、濕度等）兩個方面的因素。

3.1.3　傳感器的組成與結構

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和轉換電路三部分組成，如圖3.1所示。敏感元件是直接感受被測量，并且輸出與被測量具有確定關系的元件。轉換元件的功能是將敏感元件的輸出轉換為電參量。轉換電路是將電參量轉換成便于測量的電信號，如電壓、電流等。實際中的傳感器有些很簡單，有些則較復雜，大多數是開環系統，也有些是帶反饋的閉環系統。

傳感器接口技術是非常實用和重要的技術，傳感器將各種被測量變成電信號，經過諸如放大、濾波干擾抑制、多路轉換等信號檢測和預處理電路，將模擬的電信號送A/D轉換器后變成數字量，供微處理器處理。多傳感器采集接口的原理框圖如圖3.2所示，如果是單個傳感器檢測，則可以去掉多路轉換開關等相關部分。