2.1 传感器的原理与分类

传感器行业具有多学科交叉、知识和技术密集的特点。传感器的种类繁多，其分类方法有多种，主要有按照工作原理分类、按被测量与用途分类、按敏感材料分类、按能量关系分类、按照智能化和网络化程度分类等。本章主要介绍与智能电网应用相关的部分传感器。

2.1.1 传感器在智能电网不同环节的应用

智能电网由发电、输电、变电、配电和用电等多个环节组成，每个环节都会用到大量的传感器（见图2-1），实现对发电设备工况、输电线路状态、变电、配电设备关键工作参数和环境参数等的全面监测，保障电网的安全、高效、可靠运行。

按智能电网的不同组成环节，可将智能电网传感器分为电能供应感知传感器、传输容量感知传感器和电能需求感知传感器等，如图2-2所示。因为智能电网的一个主要目的是实现电网的供需平衡，提高能源的利用效率，减少电力的巨大浪费，所以智能电网的感知，不仅需要实现发电侧和输电环节的感知，还需要实现用电环节的感知，并通过双向通信，实现电网的供需平衡。发电侧传感器的主要应用需求是实现发电机组的状态监测，减小发电机组的故障时间，提高发电机组的工作效率；输电侧传感器的主要应用需求是实现输电线网输电能力的监测，便于线网调度；用电侧传感器的感知主要是利用智能电表技术等实现用电的计量，采用智能电表技术，可以准确地测量用户在一天24h内的用电分布，因而可以根据需要将部分高耗电需求应用安排在夜晚等用电波谷的时间段内。

2.1.2 按传感器的工作原理分类

按照传感器的工作原理，可将传感器分为电参量型、磁电式、压电式和光电式等多种类型。

1.电参量型传感器

电参量型传感器包括电阻式、电感式、电容式三种基本形式。电参量型传感器的基本工作原理是将被测量信息转换为电阻、电感或电容的变化量，具体传感器包括电阻应变片、电容加速度传感器、电感式位移传感器等。

2.磁电式传感器

磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入的运动速度变换成感应电动势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能将被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器，有时也称为电动式或感应式传感器。磁电式传感器零点及性能稳定，工作频带一般为10～1000Hz，具有较大的输出功率，所以信号调理电路较简单。磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力发生器或电磁激振器等。

3.压电式传感器

压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有自发电和可逆性，因此压电器件是一种典型的双向有源传感器件。

4.光电式传感器

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可以用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快及性能可靠等特点，在工业自动化和机器人等领域获得广泛应用。光电式传感器通常由光源、光通路、光电器件和测量电路四部分组成。

5.气电式传感器

气电式传感器是利用气动测量的原理，将被测量（如尺寸等）转换成气信号，再进一步转换成电信号的传感器，一般包括气动测头与气电转换部件两部分。气电式传感器采用非接触测量，测量精度高，但响应时间较长（约为0.2～1s）,限制了检测效率，此外需要净化的恒压气源。气电式传感器主要用在大批量生产中工件尺寸的检测。

6.热电式传感器

热电式传感器是利用转换元件的电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的传感器。其中，将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器，将温度变化转化为热电势变化的称为热电偶传感器。

7.射线式传感器

射线式传感器也称核辐射检测装置，它是利用放射性同位素，根据被测物质对放射线的吸收、反射、散射或射线对被测物质的电离激发而进行工作的。

8.半导体式传感器

半导体式传感器是典型的物性型传感器，它是利用某些材料的电特性的物性变化来实现信息的直接转换的。半导体材料的导电能力取决于内部载流子的数目，使半导体内载流子数目增加的方法很多，如利用光照使半导体的电导率增加。有些半导体与气体接触时性质会发生变化，以及吸湿后离子电导率发生变化等，于是就构成了以半导体材料作为敏感器件的各种传感器，例如气敏、湿敏、磁敏、离子敏和色敏传感器等。

2.1.3 按传感器的用途分类

如果按照传感器的用途来分类，可将传感器分为振动传感器、电压传感器、电流传感器和温度传感器等。

振动监测是智能电网状态监测中十分重要的内容，它不仅包括旋转电机的机械振动，还包括静电力或电磁力作用引起的振动，例如气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchger,GIS）中带电微粒在电场作用下对壳体的撞击，变压器内部局部放电引起的微弱振动等。振动的强弱范围很广，测量振动有三个参数，即位移、速度、加速度，可根据振动的频率来确定测量哪个量。振动的速度增加时，位移减小而加速度增加，故随频率的上升可分别选用位移传感器、速度传感器和加速度传感器。

在智能电网中监测电压通常采用电压互感器，在测量精度要求不高的场合，还可利用电场传感器。电场传感器的原理基于普克尔（Pockels）效应或称电光效应，即，电光晶体在外电场作用下，当线性偏振光射入晶体后，出射光变成椭圆偏振光。利用偏振镜即可测量偏振特性的变化，因为这一特性变化与外加电场成正比，故可测量外电场强度。晶体上直接加上电压，即可测定外加电压。这种传感器线性关系好，在-15～70℃范围内误差小于±3%，其频响特性也好，可以测量从直流到脉冲的各种波形电压，且传感器的尺寸较小，对被测电场的影响也很小。

互感器型电流传感器是智能电网中常用的电流传感器，可用于测量变压器、电机、电缆等设备的局部放电，也可用于测量电容型设备的介质损耗。监测时将传感器的圆形或方形磁心套在待测设备的接地线或其他导线上，磁性材料根据使用频率进行选择，当测量高频或脉冲电流（例如测量局部放电信号）时选用铁氧体，锰锌铁氧体的最高使用频率为3MHz，相对磁导率为2000。测量50Hz低频电流时选用坡莫合金，其相对磁导率为105，但价格较贵。近年来发展较快的微晶磁心相对磁导率大于104，灵敏度高且加工成形方便，价格介于上述两者之间，使用频率为40Hz～500kHz，完全适用于各种频率电流的监测。

温度是表征智能电网设备工作状态的一个重要参量，温度传感器不仅广泛用于电力设备的测量，还用于监测控制系统本身的温度。常用的测量温度的传感器有热电偶型、热敏电阻型、温敏二极管和晶体管型以及光纤型等。集成电路温度传感器是将作为温敏器件的温敏晶体管，及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器，其最大的特点是小型化、使用方便和成本低廉。光纤型温度传感器的特点是体积小、抗电磁干扰能力强。由于光纤绝缘性能优良，所以光纤温度传感器特别适于测量高电位处或设备内部的温度。如果光纤不作为敏感元件，而只是作为光信号传输之用，则称为传光型光纤温度传感器，如果利用光纤本身的温敏特性（如利用光在光纤中的拉曼散射效应），则称为功能型光纤温度传感器。

2.1.4 按照传感器的智能化与网络化程度分类

根据传感器的智能化与网络化程度的不同，可以将传感器分为传统传感器、智能传感器和网络传感器。

传统传感器的系统组成框图如图2-3所示，传感单元首先将被测物理参数转化为电参量，信号调理单元将电参量转化为电压，最后模拟输出单元根据被测物理参数的类型，将电压标定到相应的工程单位。

智能传感器的系统组成框图如图2-4所示，它在传统传感器组成单元的基础上，增加了模-数转换单元（A-D）、传感器标识单元（ID）、标定单元、微处理器单元和存储显示单元等，所以智能传感器首先是数字式传感器，其次它还能实现被测参数的存储显示以及在线标定等功能。

智能传感器通过在传统传感器内部嵌入微处理芯片，具有将模拟信号转换成数字信号、加工处理原始感知数据等功能，并能通过标准接口与外界进行信息交换。

与传统传感器相比，智能传感器具有以下优点：

1）具有逻辑思维与判断、信息处理功能，可对感知数据进行分析、修正和误差补偿，提高了测量精度。

2）具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性。

3）具有组态功能，可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测与使用范围。

4）具有存储功能，可随时存取检测数据。

5）具有数据通信功能，能与计算机直接联机并相互交换信息，实现对传感器的初始化、校正和配置等操作。

随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，智能传感器也顺应这一发展趋势，在新需求的推动下，逐步与网络相结合，出现了网络化的智能传感器，称之为智能网络传感器，其组成框图及其与智能传感器的关系如图2-5所示。

智能网络传感器是在智能传感器的基础上增加了网络接口单元，采用因特网进行双向通信，既可以将传感器探测到的物理参数传输到很远的地方，又可以接收来自很远地方的传感器控制指令。

智能网络传感器遵从某种网络协议，在测试现场将测得的数据发送到网络上，使其能够在一定范围内实时发布和共享。

智能传感器输出的数字信号，由网络处理装置根据通信协议加以封装并附上地址，然后通过网络接口发送上网。反过来，网络处理装置又能接收网络上其他节点的数据和命令，并将其传送给智能传感器，从而实现对它的操作与控制。因此，智能网络传感器是测试网络中的一个独立节点，能够独立地完成测试任务。

智能网络传感器的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具有微体积、低功耗、可靠性高、抗干扰能力强等特点，带有高速的Flash数据存储模块，片内可集成多个通道的A-D转换模块，可以实现模拟量与数字量之间的转换，完成被测信号的采集、处理（如数字滤波、非线性补偿、零点漂移与温度补偿、自诊断与自保护等）和数据输出（包括数据通信和控制量输出）。因此，传感器的线性度和测量精度大大提高。同时，由于传感器进行了大量的信息预处理，不但减少了测控系统中主控站的负担，而且减小了系统的信息传输量，可以使系统的可靠性和实时性大大提高。

智能网络传感器使传感器由单一功能、单点检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从现场测量向远程实时在线测控发展。网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测量设备间无需点对点连接，大大简化了连接线路，节省了成本，并且易于进行系统维护，也使系统更易于扩展与升级。

根据应用需求和系统现场运行的实际情况，智能网络传感器可以分为有线智能网络传感器和无线智能网络传感器。无线智能网络传感器的数据传输可采用电磁波、红外线等无线传播介质，电磁波具有很强的抗干扰、抗噪声和抗衰减能力，使用的频段主要是工业科学医疗频段（Industrial Scientific and Medical, ISM），如433MHz、915MHz和2.4GHz等，而红外线适合开阔无障碍的应用环境。

1.有线智能网络传感器

目前，有线智能网络传感器主要有基于现场总线的智能网络传感器和基于以太网的智能网络传感器两大类。这两类传感器技术各有特点和适用范围，在应用上还存在一定的互补性。两者最大的区别在于信号的传输方式和网络通信策略，也体现在后者独特的TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议）功能上。

（1）基于现场总线的智能网络传感器 现场总线是在现场仪表智能化和全数字控制系统的需求下产生的，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网，其关键标志是支持全数字通信、主要特点是高可靠性。它可以把所有现场设备（仪表、传感器与执行器）与控制器通过一根线缆相连，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可实现现场状态监测、控制、远程传输等功能。传感器等仪表智能化的目标是实现信息处理的现场化，这也正是现场总线技术的目标，是现场总线不同于其他计算机通信技术的标志。

基于现场总线技术的智能网络传感器目前还面临着一些问题，主要是多种现场总线标准并存而致。例如，目前智能网络传感器有基于基金会现场总线FF标准的，也有基于ProfiBus标准的，我国对基于RS485总线的智能网络传感器研究较多。由于现存的数十种现场总线标准互不兼容，不同厂家的智能网络传感器采用各自的总线标准。

为了解决这一问题，IEEE和NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家安全技术局）联合发起制订了一个简化控制网络和智能传感器连接的标准，即智能传感器接口标准（Smart Sensor Interface Standard）IEEE 1451。标准采用通用的A-D或D-A转换装置作为传感器的I/O接口，将应用的各种传感器的模拟量转换为标准规定格式的数据，连同一个小存储器——传感器电子数据表（Transducer Electronic Data Sheet，TEDS）与标准规定的处理器目标模型——网络适配器（Network Capable Application Process，NCAP）连接，这样，数据可以按网络规定的协议接入网络。

该标准从面向对象的角度定义了智能网络传感器的有关接口，可以把硬件和软件模块相结合，以实现各类网络应用系统的功能。它为智能传感器和现有的各种现场总线提供了通用的接口标准，将有利于现场总线式智能网络传感器的发展与应用。表2-1列出了IEEE 1451智能网络传感器标准体系各成员的名称、描述和当前状态。

（2）基于以太网的智能网络传感器 随着计算机网络技术的快速发展，将以太网直接引入测控现场已成为一种新的趋势。以太网技术由于其开放性好、通信速度高和价格低廉等优势已得到了广泛应用。基于TCP/IP的智能传感器通过网络介质可以直接接入因特网或内部网（Intranet），还可以做到“即插即用”。传感器中嵌入TCP/IP，使传感器具有因特网/内部网功能，相当于因特网上的一个节点。各种现场信号均可在网上实时发布和共享，任何网络授权用户均可通过浏览器进行实时浏览，并可在网络上的任意位置根据实际情况对传感器进行在线控制、编程序和组态等。任何一个智能网络传感器可以就近接入网络，而信息可以在整个网络覆盖的范围内传输。

由于采用统一的网络协议，不同厂家的产品可以互换，互相兼容。但是，以太网直接用于工业现场在技术上还受到一些限制，其主要缺点在于通信实时性差，网络安全性与可靠性较低。与现场总线相比，还不能实现总线供电，通信的不确定性使其无法满足某些现场级的要求。

目前的趋势是将现场总线与以太网整合，如LXI（Lan eXtension for Instrumentation，局域网的仪器扩展）总线。对于其他总线，目前的主要做法是在各类总线的基础上，通过接口技术将智能传感器接入以太网，从而使现场总线具有标准以太网连线、使用标准以太网连接设备、采用IEEE 802.3物理层和数据链路层网络协议标准及TCP/IP协议组等特点。

2.无线智能网络传感器

在大多数测控环境下，传感器采用有线方式接入检测系统，而在无人区、偏远地区、战场等特殊的测控环境下使用有线电缆传输传感器信息是不方便的，不能满足现实需要。随着无线技术的发展，无线接入方式在很多场合都得到应用，以取代原有的有线接入方式。

无线智能网络传感器将成为传感器发展的一个重要方向，将使人们的生活进入真正的信息世界，给人们的生活带来巨大的变化。无线智能网络传感器是新一代的传感器系统，较有线智能网络传感器有以下优势：

1）易于部署。传感器随机部署在感兴趣的地方而无需事先规划，降低安装成本并增加了部署灵活性。

2）范围扩展。许多分布的小型无线传感器覆盖的范围超过一个有线传感器网络的覆盖范围。

3）容错能力。单个传感器节点的故障不会影响网络的性能。

4）移动性节点。可进行任意不脱离中心的移动。

人们开发了多种无线通信方式的智能网络传感器，目前比较常用的无线通信技术有蓝牙技术（Bluetooth，IEEE 802.15.1）、ZigBee技术（IEEE 802.15.4）、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）无线技术、射频（RF）技术等。

（1）基于蓝牙的无线智能网络传感器 蓝牙是一种无线数据与语音通信开放性全球规范，是由爱立信（Ericsson）、国际商业机器（IBM）、英特尔（Intel）、诺基亚（Nokia）和东芝（Toshiba）等公司于1998年联合开发的一项短距离无线通信技术。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，其实质是建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使不同厂家生产的设备在没有电缆相互连接的情况下，能在近距离（0.1～100m）范围内使用，将各种移动或固定通信设备、计算机及其终端设备连接起来，具有互操作的性能，在小范围内实现无缝的资源共享，最大传输速率为54Mbit/s（Bluetooth v3.0 + HS）。蓝牙设备工作在全球通用免申请的2.4GHz工业、科学和医学（ISM）频段。无需许可证，给厂商生产、销售蓝牙设备以极大的便利条件。

整个蓝牙无线系统按功能可分为四个模块：无线射频单元、链路控制单元、链路管理单元和软件配置单元。无线射频单元主要负责射频处理和基带调制的功能。链路控制单元主要完成底层通信协议（如物理层、介质存取层，即MAC层）的功能。链路管理单元主要负责基带连接的设定及管理、基带数据的分段及重组、多路利用及确定服务质量等功能。软件单元实现的功能包括配置及诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿真、与外设通信、语音通信及呼叫控制等。

与传统的以电缆和红外方式传输测控数据相比，基于蓝牙技术的无线智能网络传感器的主要优点如下：

1）抗干扰能力强。采集智能电网现场数据经常会遇到大量的电磁干扰，而蓝牙技术因采用了跳频扩频技术，可以有效地提高数据传输的安全性和抗干扰能力。

2）无需敷设电缆线，降低了环境改造成本，方便了数据采集人员的工作。

3）没有方向上的限制，可以从各个角度进行测控数据的传输。

4）可以实现多种测控设备间的联网，便于进行集中测量与控制。

5）工作频段全球通用，使用方便、安全，兼容性好，尺寸小，功耗低。

蓝牙技术规范（Specification）包括协议（Protocol）和应用规范（Profile）两个部分。协议定义了各功能元素[如串口仿真（Radio Frequency COMMunication，RFCOMM）协议、逻辑链路控制与适配协议（Logical Link Controland Adaptation Protocol，L2CAP）等]的工作方式，而应用规范则阐述了怎样建立特定的应用模型（Usage Model），以及各层协议之间的运转协同机制。蓝牙的协议栈如图2-6所示。

蓝牙无线智能网络传感器主要包括两大模块：传感器模块（Sensor Module）和蓝牙无线模块（Bluetooth Module）。前者主要进行现场信号的采集，将现场信号的模拟量转变为数字量，并完成数字量的处理与存储；后者运行蓝牙无线通信协议，使得传感器设备满足无线通信协议规范，并将现场总线数据通过无线的方式传送到其他蓝牙设备中，两设备间的任务调度、相互通信以及同上位机通信的流程由控制程序控制完成。控制程序包含一种调度机制，并通过消息传递的方式完成模块间的数据传递以及同其他蓝牙设备的通信，从而完成整个蓝牙无线系统的功能。

（2）基于ZigBee技术的无线智能网络传感器 ZigBee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本的双向无线传感通信技术。ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE 802.15.4（无线个人局域网）协议标准，相对IEEE 1451.2标准和蓝牙技术结合的方案，智能网络传感器无线化的设计与开发难度大大降低了。其网络层、应用会聚层和应用层规范（API）由ZigBee联盟制订，整个协议架构如图2-7所示。

ZigBee依据IEEE 802.15.4标准，可以在数以千计的微小传感器之间实现通信，这些传感器以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的单级无线通信距离较短，可以大大降低无线电波的发射功率，从而降低了整个智能无线网络传感器系统的功耗。

基于ZigBee的无线智能网络传感器的主要技术特点包括低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高安全。ZigBee可采用星状和网状网络结构，由一个主节点管理若干个子节点，最多一个主节点可以管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网络。

（3）基于超宽带（Ultra Wide Band,UWB）技术的无线智能网络传感器 UWB技术起源于20世纪50年代末，以前主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用。美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）于2002年2月准许该技术进入民用领域，用户不必申请即可使用。在无线个人局域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）应用领域中，FCC已将3.1～10.6GHz频带向UWB通信开放。与其他短距离无线通信技术相比，UWB的不同之处在于不使用载波，而是利用纳秒左右宽度的超短脉冲来传输数据，通过调制脉冲的位置、幅度来代表不同的信号，UWB通信技术的主要特点如下：

1）频带宽。UWB的绝对带宽达到数吉赫。

2）耗电低，无载波。通过脉冲电波，直接将信号“0”或“1”脉冲信号发送出去，大大减小了耗电量。

3）成本低。不需要复杂的射频转换电路和调制电路。

4）传输速率高。UWB以非常宽的频带来实现高的数据传输，并且不单独占用现有的频率资源，而是共享其他无线技术的频带。

5）空间容量大。UWB无线通信技术的单位区域内通信容量可超过每平方米1000kbit/s，而IEEE 802.11b仅为每平方米1kbit/s，蓝牙技术为每平方米30kbit/s，IEEE 802.11a也只有每平方米83kbit/s。

6）多径分辨能力强。由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号，其持续时间远大于多径传播时间，所以多径传播效应限制了通信质量和数据通信速率。由于UWB无线电发射的是持续时间极短的单脉冲，且占空比较低，多径信号在时间上是可分享的。

7）穿透能力强。由于UWB的带宽很宽，因此具有很强的穿透障碍物的能力，有希望解决常规超短波信号在复杂障碍物环境不能有效传播的问题。

8）定位精确。超短脉冲具有很高的定位精度，采用UWB无线通信技术可以很容易地将定位与通信合一，而常规无线电通信技术难以实现。

9）隐蔽性好、安全性高。UWB无线通信所需要的平均功率很小，信号的能量弥散在极宽的频带内，对一般的通信系统而言，UWB信号相当于白噪声，并且多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。

2.1.5 传感器的其他分类方法

传感器除了分成前面所述的几类外，还可以按照其他的方法进行分类，例如按构成原理不同，传感器可分为结构型与物性型两大类。

结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程的形式给出的。对于传感器来说，这些方程式也就是许多传感器在工作时的数学模型，这类传感器的特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系。

物性型传感器是利用物质定律构成的，如胡克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出的。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能，因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。比如，所有的半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。

根据传感器的能量转换情况，传感器可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器。

能量控制型传感器在信息转换的过程中，需要由电源供给能量，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于能量控制型传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于能量控制型传感器。

能量转换型传感器主要由能量转换元件构成，它不需要外加电源，如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于能量转换型传感器。