3.1.2 传感器技术

在物联网的前端技术中，获取物的实时信息，如温度、湿度、运动状态及其他物理、化学变化等信息需要使用传感器。在信息时代，即实现物物相连的今天，传感器技术已经成为物联网技术中必不可少的关键技术之一。

1.传感器的基本原理

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受和检出功能，并按照一定规律转换成可用输出信号的元件或装置。传感器是测试和自动控制系统的首要环节，它的作用是将外界的各种各样的信号转换成电信号。假如没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换还是信息处理，或者是最佳数据的显示和控制都没有办法实现。传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成，通常也将基本转换电路及辅助电路作为其组成部分。传感器的组成结构如图3-2所示。

传感器的基本特性可以分为静态特性和动态特性两类。

1）传感器的静态特性

与静态特性相关的主要因素有灵敏度与信噪比、线性度、时滞、环境特性、稳定性和精度等。对传感器的静态特性的基本要求是：输入为0时，输出也应为0；输出相对于输入应保持一定的对应关系。

2）传感器的动态特性

由于传感器检测的输入信号是随时间而变化的，传感器的特性应能跟踪输入信号的变化，这样可以获得准确的输出信号。如果外界环境的变化太大，传感器就可能跟踪不上这样的变化。这种现象就是响应特性，即传感器的动态特性。

设计传感器时要根据其动态特性要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数。使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差做出估计。

2.传感器的分类与工作方式

信息收集、计量测试、产品制造或销售中所需的计量等都需要通过测量来获得准确的定量数据。对于某种特定的要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换为数据。对系统或装置的运行状态进行监测，当发现异常情况时发出警告信号并启动保护电路工作，这样就可以使系统或装置正常运行并实现安全管理。判断人体各部位的异常诊断等需要由专用测量设备来完成。传感器可以提供上述感知或控制信息的采集，检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态或跟踪系统变化的目标值。

传感器种类及品种繁多，其原理也各种各样。可以根据工作原理、被测量、能量关系、作用形式、输出信号形式、传感器的特殊性等方式，对传感器进行分类。

1）按工作原理分类

传感器按照其工作原理一般可以分为物理型、化学型和生物型三大类。

（1）物理型传感器。物理型传感器是利用敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。例如，利用金属材料在被测量作用下引起的电阻值变化的应变效应的应变式传感器；利用半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的压阻效应的压阻式传感器。

（2）化学型传感器。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。化学型传感器的核心部分是离子选择性敏感膜。膜可以分为固体膜和液体膜。玻璃膜、单晶膜和多晶膜属于固体膜；带正、负电荷载体膜和中性载体膜为液体膜。化学型传感器广泛用于化学分析、化学化工的在线检测和环保检测等应用场景中。

（3）生物型传感器。生物型传感器是近年来发展很快的一类传感器。它是一种利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别能力；利用这种单一的识别能力来判定某种物质是否存在，其浓度是多少，进而利用电化学的方法进行电信号的转换。生物型传感器的最大特点是能在分子水平上识别被测物质，在化学工业的监测、医学诊断、环保监测等方面都有广泛的应用前景。

2）按被测量分类

按传感器的被测量分类，传感器可以分为温度传感器、压力传感器、流量传感器、物位传感器、加速度传感器、速度传感器、位移传感器、转速传感器、力矩传感器、湿度传感器、黏度传感器、浓度传感器等。

事实上，根据制作材料或制作方式的不同，传感器仍可以有更加细分的类别。温度传感器中就包括用不同材料和方法制成的各种传感器，如热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、金属热电阻传感器、P-N结二极管温度传感器、红外温度传感器。通常，对传感器的命名就是将其工作原理和被测参数结合在一起，先是工作原理，后是被测参数。

针对传感器的分类，不同的被测量可以采用相同的测量原理，同一个被测量可以采用不同的测量原理。因此，必须掌握在不同的测量原理之间测量不同的被测量时各自所具有的特性。

3）按能量关系分类

（1）能量转换型传感器直接由被测对象输入能量使其工作，如热电偶、光电池等，这种类型的传感器又称有源传感器。

（2）能量控制型传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化，如电阻式传感器、电感式传感器等。这种类型的传感器必须由外部提供激励源（电源等），因此又称无源传感器。

4）按作用形式分类

（1）主动型传感器有作用型传感器和反作用型传感器。这类传感器能对被测对象提供一定的探测信号，能检测探测信号在被测对象中所产生的变化，或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号。检测探测信号变化方式的称为作用型传感器，检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型传感器。雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例。

（2）被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

5）按输出信号形式分类

输出为模拟信号的传感器的输出为连续的模拟信号。输出周期性信号的传感器实质上也是模拟信号传感器，但周期信号容易变为脉冲信号，可作为准数字信号使用，因此可以称为准数字信号传感器。例如，利用振动的传感器就是这种类型的传感器。

输出为数字信号的传感器是输出1和0两种信号的传感器。这两种信号可由电路的通断、信号的有无、绝对值的大小、极性的正负等实现。例如，双金属温度开关等就是这类传感器。

数字传感器是一种获得代码信号输出的传感器，敏感元件本身为数字量的极少，一般与编码器组合而成。例如，旋转编码器能检测旋转角，线性编码器能检测位置、距离等。感知的物理量一般要经模数转换为数字信号。

6）按传感器的特殊性分类

在实际应用中往往也有按照传感器自身的特殊性来划分类别的，主要有以下几种类型。

（1）按转换现象的范围可以分为电化学传感器、电磁传感器、力学传感器、光应用传感器等。

（2）按材料可分为陶瓷传感器、有机高分子材料传感器、半导体传感器、气体传感器等。

（3）按用途可分为工业传感器、民用传感器、科研传感器、医疗传感器、农用传感器、军用传感器等，以及汽车传感器、宇宙飞船传感器、防灾传感器等。

（4）按功能可分为计测传感器、监视传感器、检查传感器、诊断传感器、控制传感器、分析传感器等。

3.传感网

传感网是指将各种信息传感设备，如RFID装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等与互联网结合起来而形成的一个网络系统。

传感网主要是让各类物品都能够被远程感知和控制，并与现有的网络连接在一起，形成一个更加智慧的信息服务体系。传感网综合应用了传感器技术、嵌入式计算技术、网络通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时感知各种环境或检测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现泛在计算的理念。

传感网具有很广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个研究领域。传感网技术涉及计算机、电子学、传感器技术、机械、生物学、航天、医疗卫生、农业、军事国防等众多领域。该技术的广泛应用也是一种必然的趋势，它的发展必定会给人类社会带来极大的变革，将会影响我们工作与生活的方方面面。

值得注意的是，由于传感器往往是遍布在一个区域的，这个区域有时是人们不可达的，所以传感器的末端接入通常采用无线通信方式。因此，目前在传感器技术领域中，人们重点研究的是无线传感网。