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物联网传感器结构类型及工作原理介绍
来源: | 作者:中海德 | 发布时间: 2020-10-15 | 4507 次浏览 | 分享到:

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(MQ9MQ2MQ7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。

基于电阻的传感器.jpg

          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)。

电阻传感物理变化到电信号的转换.jpg

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。

电容式触摸传感器的2D和3D工作.jpg

3–电容式触摸传感器的2D3D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(