万物互联时代,物联网传感器是如何工作的?( 二 )


两种类型的主要区别在于两种机制的工作原理 , 即电阻和电容和差别 。
基于电阻的传感

  • 基于电阻的传感(使用MEMS技术)
一个多世纪以来 , 工程师一直在使用电阻器来测量、分析、控制和观察各种物理量 。 如前所述 , 每当一个物理量(如压力)发生变化时 , 电阻的变化量就决定了这个物理量的变化程度 。
电阻的变化受物理学原理的支配 , 如光导效应、半导体的热阻效应和压阻效应 。
通过物理几何形状的变化进行感应:材料的电阻取决于材料的几何形状、长度和横截面积 。 长度或/和横截面积的任何变化将直接影响材料的电阻 。
压阻效应(Piezoresistive Effect):压阻材料是一种特殊的材料 , 当材料经历机械变形 , 如推、拉或挤压时 , 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 。
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  • 其他电阻式传感机制
虽然基于MEMS的物联网传感器对机械、物理量非常有效 , 但电阻式传感器检测光、温度等非机械量的工作原理是不一样的 。 因此 , 传感机制发生了变化 。
光线感应:要检测光 , 需要一种特殊的感光材料 。 在自然界中 , 动物借助称为光感受器(Photoreceptor)的神经细胞来探测光 。 同样 , 任何光感传感器都会使用光敏电阻——一种其电阻值会随着光线强度的增加而减小的材料 。 光依赖性电阻器(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:与光线感应类似 , 温度传感也需要对环境温度变化具有接受能力的材料 。 大多数温度传感器由热敏电阻组成——-一种电阻随温度升高而减小的材料 。 例如 , 用于防止现代锂离子电池过度充电的参数之一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 。 传感器包含一个由材料组成的传感层 , 每当它与化学物质发生反应时 , 其电阻就会发生变化 。 例如 , 许多物联网系统使用MQ系列(MQ9、MQ2、MQ7等)气体传感器 。 它可以检测各种类型的气体 , 如一氧化碳、液化石油气和甲烷的存在 。
  • 转换为电信号
根据欧姆定律(V=IR) , 电流、电压和电阻之间存在直接的关系 。 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化为电信号(电压或电流) 。
因此 , 每一个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 。
基于电容的传感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 , 并且与电阻一样 , 取决于材料的物理几何形状 。
然而 , 几乎所有基于电容的传感系统都主要依赖于物理几何形状的变化 , 如面积、距离 , 以及由材料所能存储的电荷量描述的材料的电容能力 。
触摸传感器是物联网系统中最常见的基于电容的传感器 。 智能手机的触摸屏就是由众多触摸传感器组成 。 从本质上说 , 它是一个压力传感器 , 可以检测物理触摸的压力/力 。
当屏幕受到物理触摸的刺激时 , 施加的压力会改变面积或/和距离 , 从而引发屏幕下方电容值的变化 。 这种电容的变化就像一个电开关 , 驱动电信号进入下一阶段 。
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与使用欧姆定律的基于电阻的传感系统类似 , 基于电容的系统也有自己独特的关系 , 将电容量的变化映射为电压和电流 。
在电阻传感中 , 一些物理量如光和温度 , 需要一种特殊的材料 。 这既有好处也有不足 , 一方面 , 电阻变化是唯一的被测量的量 , 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了统一的传感程序 , 因为变化主要是由于物理几何形状的变化 。 此外 , 与电阻式传感相比 , 它们相对较新 , 目前仅限于使用MEMS技术的传感机械系统 。
总结以上就是一些物联网系统中常用的传感器的工作原理 。 此外 , 传感器的设计制作只是物联网的一部分 。 系统要对接收到的数据进行有效处理 , 并通过迎合用户需求 , 提供以应用为中心的结果 。
目前来看 , 物联网传感器已经渗透到制造业 , 并将大部分人工操作自动化 , 从而形成了一个全新的分支 , 即工业物联网(IIOT) 。
与个人电脑和智能手机不同 , 物联网技术还没有给我们的生活带来巨大的变化 。 而在变革发生之前 , 整个物联网生态系统需要继续发展 。