1.5 物體狀態與特性的識別

1.5.1 物聯網中的信息獲取與管理

傳感網是物聯網的重要技術支撐，它是由各種傳感器組成的信息獲取的網絡，是物聯網感知和獲取信息的主要手段。作為物聯網中獲取信息的感知層，是物聯網的最底層，它與其他兩層的關系如圖1-7所示，圖中橢圓虛線內為通常所說的感知層。其功能是完成對相關信息的采集、轉換和收集。中間層為傳輸層，主要完成有線和無線的入網的接入，實現信息的分發與傳送；最上一層為應用層，是將收集到的各種信息處理后，由應用平臺控制指令發送到控制器，供用戶使用。故通常稱為應用層。

1.5.2 傳感器

傳感器是一種能把被測量信息按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。應當指出，這里所謂的“可用信號”是指便于處理、傳輸的信號，一般為電信號，如電壓、電流、電阻、電容、頻率等。社會進步到今天，人們周圍使用著各種各樣的傳感器：電冰箱、微波爐、空調機有溫度傳感器；電視機有紅外傳感器；錄像機和攝像機有濕度傳感器、光傳感器；液化氣灶有氣體傳感器；汽車有速度、壓力、濕度、流量、氧氣等多種傳感器，這些傳感器的共同特點是利用各種物理、化學、生物效應等實現對被檢測量的測量?？梢姡趥鞲衅髦邪鴥蓚€必不可少的概念：一是檢測信號；二是能把檢測的信息變換成一種與被測量有確定函數關系的而且便于傳輸和處理的量。例如，傳聲器（話筒）就是這種傳感器，它感受聲音的強弱，并轉換成相應的電信號；氣體傳感器感受空氣環境中氣體濃度的變化；電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它們轉換成相應的電信號。傳感器的一般分類方法如圖1-8所示。

在國家標準GB/T 7665—1987《傳感器通用術語》中，傳感器被定義為：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分?！痹瓩C械工業部在其制定的《過程檢測控制儀表術語》中對傳感器的定義是：“借助于檢測元件接收物理量形式的信息，并按一定規律將它轉換成同樣或別種物理量形式的信息儀表?！薄缎马f氏大詞典》中的定義是：“傳感器是從一個系統接收功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件?！?/p>

傳感器常見的分類方法對不同領域、不同行業對傳感器的分類有可能不同，因為成百上千種傳感器進行分類本身就是一門科學。但對傳感器進行分類將有助于從總體上認識和掌握傳感器，而且對傳感器的開發與應用都是很有意義的。由于傳感器的種類繁多，一種被測量，可以用不同的傳感器來測量，而且傳感器應用的原理又各種各樣，同一原理的傳感器，又可以測量多種被測量。因此，對傳感器的分類是仁者見仁，智者見智。

1.5.3 性能評價與選用原則

（1）傳感器的性能及其評價方法

理論直線法通常取零點作為理論直線的零點，滿量程輸出作為終點，這兩點的連線即為理論直線。所以理論直線與實際測試點無關。端點直線法是將傳感器標定數據的零點輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的直線作為擬合直線，這是一條特殊形式的理論直線。

最佳直線法是指使實際輸出特性相對于所選擬合直線的最大正偏差等于最大負偏差的一條直線作為擬合直線。最小二乘法直線法是按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準數據的殘差平方和最小。靈敏度S是指傳感器在穩態下輸出量增量與被測輸入量增量之比，即

顯然，線性傳感器的靈敏度是擬合直線的斜率；非線性傳感器的靈敏度，通常也是用擬合直線的斜率表示的，非線性特別明顯的傳感器靈敏度可以用dy/dz表示，或用某一?。ㄝ斎肓浚﹨^間內擬合直線的斜率表示。

遲滯（滯后）特性是反映傳感器正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程過程中，輸出—輸入曲線的不重合程度，也就是說，對應同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號的大小卻不相等，這就是遲滯現象。產生這種現象的主要原因是傳感器機械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動、材料的內摩擦、積塵等。實際評價用正反行程輸出的最大偏差 max（ΔR）與滿量程輸出YFS的百分比來表示，即

重復性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續工作多次變動時，所得特性曲線間一致程度的指標。各條特性曲線越靠近，重復性就越好。重復性的好壞與許多隨機因素有關，具有隨機誤差，要按統計規律來確定，用標定曲線間最大偏差max（ΔH）與滿量程輸出的百分比表示，即

分辨力是指傳感器在規定測量范圍內所能檢測出被測輸入量的最小變化量。有時對該值用滿量程輸入值的百分數表示，稱為分辨率。

閾值是指能使傳感器的輸出端產生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。有的傳感器在零位附近有嚴重的非線性，形成所謂“死區”，則將“死區”的大小作為閾值；更多情況下，閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。

穩定性又稱長期穩定性，即傳感器在相當長時間內仍保持其原性能的能力。用室溫條件下傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效值來表示。

漂移是指在一定時間間隔內，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移又分為時間漂移和溫度漂移，即時漂和溫漂。溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化。

相間干擾只存在于（兩相或三相等）傳感器中，一般地說若給其中一相加載，其他各相的輸出應為零，但實際上其他相的輸出端仍有信號輸出，二者比值的百分數就是相間干擾。

靜態誤差是評價傳感器靜態特性的綜合指標，指傳感器在滿量程內，任意一點輸出值相對其理論值的可能偏離（逼近）程度。

（2）傳感器的動態特性及其評價

動態特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。傳感器的動態響應特性可以分為穩態響應特性和瞬態響應特性。

穩態響應特性是指傳感器在振幅穩定不變的正弦形式非電量的作用下的響應特性。穩態響應的重要性，在于工程上所遇到的各種非電量變化曲線都可以展成傅里葉級數或進行傅里葉變換，即用一系列正弦曲線的疊加來表示原曲線。瞬態響應特性是指傳感器在瞬變的非周期非電量作用下的響應特性。瞬變的波形多種多樣，一般只選幾種比較典型的規則波形，對傳感器進行瞬態響應的分析。

截止頻率和通頻帶是指當傳感器的對數幅頻特性曲線下降到零頻率值以下3dB時，對應的頻率為截止頻率。傳感器的幅值衰減-3dB時，對應的頻率范圍稱為傳感器的通頻帶。

諧振頻率和固有頻率是指幅頻特性曲線在某一頻率處具有峰值，這個工作頻率就是諧振頻率，固有頻率是指在無阻尼時，傳感器的自由振蕩頻率。

傳感器標定原則：為了達到標定的目標，標定的基準必須要有長期穩定而且精度高的基準。精度的傳遞對傳感器進行標定，是根據試驗數據確定傳感器的各項性能指標，實際上也是確定傳感器的測量精度。在標定傳感器時，必須要有比被標定的傳感器精度高的標準器，該標準的精度還必須要由比它更高精度的標準器進行定期的標定，而這個標準器則需要更高一級的標準器來標定。

互換性有些時候傳感器的標定并不容易進行，作為經常使用的替換方法是對經過一定時間工作的傳感器進行更換。

動態標定用于確定傳感器的動態性能指標，對傳感器進行動態標定有兩個目的：一是了解傳感器的動態響應特性，確定其性能指標，改進或更換傳感器或對傳感器進行動態補償，采用能夠對動態誤差修正的技術對測試結果進行處理；二是當傳感器的靜態靈敏度與動態靈敏度不同，或者傳感器沒有靜態響應（如壓電傳感器）時，對傳感器進行靈敏度標定。

傳感器種類繁多，動態標定方法各異。下面介紹幾種常用的標定方法。

1）沖擊響應法具有所需設備少、操作簡便、力值調整及波形控制方便的特點，因此被廣泛采用。

2）頻率響應法比較直觀，精度比較高。但是需要性能優良的參考傳感器，非電量正弦發生器的工作頻率有限，實驗時間長。

3）階躍信號響應法。階躍信號響應法的原理是，當傳感器受到階躍壓力信號作用時，測得其響應，用基于機理分析的估計方法或實驗建模方法求出傳感器的頻率特性、特征參數和性能指標。

（3）傳感器的選用原則

傳感器的選擇方法：現代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據具體的測量目的、測量對象以及測量環境合理地選用傳感器，是在進行某個量測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。

測試條件與目的：主要考慮被測量的選擇、測量范圍、過載的發生頻度、測量要求精度、測量時間和輸入信號的頻帶等。

傳感器的性能：主要考慮精度、穩定性、響應速度、輸出信號類型（模擬或數字）、靜態特性、動態特性和環境特性，傳感器的工作壽命或循環壽命、標定周期、信噪比等。

傳感器應用中的注意事項：每一個傳感器都有自己的性能和使用條件，因此對于特定傳感器的適應性很大程度取決于傳感器的使用方法。傳感器的種類繁多，應用場合也各種各樣，不可能將各種傳感器的使用方法及注意事項一一列舉。用戶在使用傳感器之前應特別閱讀，消化說明書中的各項內容。其中主要的使用方法和注意事項如下。

1）正確地選擇安裝點和正確安裝傳感器都是非常重要的環節。若安裝環節失誤，輕者影響測量精度，重者會影響傳感器的使用壽命，甚至損壞傳感器。安裝固定傳感器的方式要簡單可靠。傳感器和測量儀表必須可靠連接，系統應有良好的接地，遠離強電場、強磁場，傳感器和儀表應遠離強腐蝕性物體和易燃易爆物品。

2）傳感器通過插頭與供電電源和二次儀表連接時，應注意引線號不能接錯、顛倒；連接傳感器與測量儀表之間的連接電纜必須符合傳感器及使用條件的要求。儀器輸入端與輸出端必須保持干燥和清潔，傳感器不用時，應保持傳感器插頭和插座的清潔。

3）精度較高的傳感器都需要定期校準，一般來說，需要3～6周校準一次。各種傳感器都有一定的過載能力，但使用時應盡量不要超量程。在插拔儀表與外部設備連接線前，必須先切斷儀表及相應設備電源。

4）傳感器不使用時，應存放在溫度為10～35℃，相對濕度不大于85%，無酸、無堿和無腐蝕性氣體的房間內。