物联网开发

传感器是如果工作的

  在过去的几十年中,计算机,软件和计算技术范畴发作了天翻地覆的变化。作为一名工程师,成为具有宏大计算才能的时期的一局部十分令人入迷。最受欢送的是个人计算机,笔记本电脑,智能手机和智能手表等手持设备。


  没有计算才能的协助,就无法想象和过着生活。最好的局部是,我们仍在阅读这些看似智能的机器中处于休眠状态的宏大计算潜力。


传感器是如果工作的


  随着物联网(IoT)的呈现,将计算技术带入了一个新的高度,并重新定义了“智能”(smart)一词(智能城市如何协助树立一个更好的后众多世界),这很公平兴奋才刚刚开端。


  本文旨在答复以下问题:“传感器如何感应?” 并专注于传感器工作的物理原理。


  一、什么是物联网(IoT)?


  工程师和科学家倾向于命名(为某物命名),以便新发明的术语不言自明。物联网这个术语没有什么不同。


  望文生义,物联网是涵盖一切类型设备的维护伞。它们要么嵌入到系统中,要么作为单个实体存在。无论哪种方式,关键是它们经过Internet彼此通讯(或交谈)。每个这样的设备都有一个嵌入式的发送器和接纳器,能够完成运用互联网的通讯过程。


  但是,每个物联网系统都不相同,不一定合适一切应用程序。实践上,它们相似于我们人类。每个人都擅长某事。您不能希望演员会驾驶飞机而飞行员会在电影中扮演。同样,您不能希冀单个物联网系统(和设备)能够完成一切任务。因而,工程师设计不同的系统来执行不同的任务,以提供最佳的结果。


  在现代企业中,客户为王,一切行业都是如此。因而,系统设计师总是设计,消费和托付物联网系统,以提供无缝的用户体验。物联网硬件产品开发: Vera Kozyr的操作办法,重申了一切利益相关者投入的时间和精神,从硬件产品的角度来创立端到端的即插即用款式系统。


  在探究IoT设备的内部之前,辨别设备和系统十分重要。


  设备就像个人成员,而系统就像是触及个人的团队。因而,设备是系统的一局部,反之亦然。


  二、物联网系统的组成


  任何系统都包含多个单独的组件(和子组件),它们共同为完成一个共同的目的而努力。此外,成为系统(团队)的一员可确保更高的消费率并取得更好的结果。物联网系统的主要组件是:


  感测物理量的传感器


  现场中央微控制器,控制传感器和其他组件执行的一切动作


  云数据剖析和处置以剖析和处置接纳到的数据


  发送器和接纳器经过互联网树立不同传感器,传感器和微控制器与中央云效劳器之间的通讯


  用户界面,可与用户交流并执行用户指示的任务


  物联网传感器:通向理想世界的桥梁


  物联网系统的一个很好的例子是智能手机,通常包括:


  用于肯定位置的全球定位系统(GPS)模块


  温度传感器感应环境温度


  麦克风能够感应运用者的声音,


  接近传感器可感测用户与电话的间隔并在通话过程中将其锁定。


  智能手机上的不同应用程序运用不同的传感器。例如,Google Maps具有一个用户界面(一个应用程序),可与GPS模块停止交互并搜集位置坐标。它经过互联网衔接处置数据,以协助用户路由到他/她的目的地。


  电池管理系统(BMS)是运用多个传感器的IoT系统的另一个示例。BMS是维护和管理电池运转的电子系统。简而言之,它是电池的个人看守人。我曾经在energyio.tech的文章“智能手机中的电池管理系统”中解释了智能手机BMS的功用。


  传感器的作用就像计算世界和理想世界之间的网关。因而,传感器需求将其在理想世界中感测到的一切转换成计算机能够了解的特殊内容。


  侥幸的是,两个世界之间的共同纽带是电能!


  因而,我们得出了传感器的技术定义–物联网系统中的传感器会感应到所需的物理量,并将其转换为直接或经过现场微控制器传输到中央云效劳器的电信号。


  IoT传感器是IoT系统中运用的传感器。


  三、微机电系统(MEMS) 和 IoT传感器的传感机制


  微机电系统(MEMS)是一种微系统技术(MST),它由由半导体资料(如硅)组成的微小组件组成,其尺寸在微米范围内。


  假如不是全部,大多数检测机械能的传感器都会以一种或另一种方式运用MEMS技术。加速度计是一个十分受欢送的例子。这主要是由于快速增长和对计算机的普遍依赖。


  由于MEMS技术的制造资料是半导体,因而主要优点是能够将其嵌入到集成电路(IC)中。IC包括其他计算组件(也由半导体资料组成),它们作用于从传感器接纳的数据。


  实践上,小尺寸和芯片集成极大地降低了本钱。您能够以不到?250($ 3.34)的价钱购置基于MEMS的加速度计。此外,基于MEMS的传感用具有很高的灵活度并能够检测微小的变化,这是以前的产品无法想象的。


  四、感应机制的类型和工作原理


  依据应用,系统能够包括一个或多个传感器,感测不同的物理量,从而具有共同的感测机制。MEMS技术中将物理变化转换为电信号的两种最盛行的传感机制是:


  基于电阻的传感


  电容式感应


  两品种型的传感机制都采用简单的原理-物理量的任何变化都能够经过传感器中所用资料的电阻或电容的变化来捕获。因而,物理量的较大变化表示资料的电阻或电容的较大变化,反之亦然。


  两品种型之间的主要区别在于两种机制的工作方式。基于电阻的传感系统很好地运用电阻,而基于电容的传感系统则运用电容器。


  假如您在本文之前没有听说过电阻器和电容器,请不要担忧。您能够阅读它们之间的区别。能够将这两个组件视为两个具有本人共同特征的人。


  五、基于电阻的传感机制(运用MEMS技术)


  一个多世纪以来,我们不断运用电阻电阻器来丈量,剖析,控制和察看各种物理量。如前所述,每当物理量(如压力)发作变化时,电阻的变化量就决议了该变化量。


  电阻的变化受光导效应,半导体的热阻效应和压阻效应等物理原理控制[1]。


  经过物理几何外形的变化停止感应–资料的电阻取决于资料的几何外形,长度和横截面积。长度或横截面积的任何变化都将直接影响资料的电阻。


  压阻效应–压阻资料是一种特殊的资料,当该资料发作机械变形(如推,拉或挤压)时,其电阻会发作变化。因而,压力,振动和加速度丈量IoT传感器通常运用压阻资料。


  六、物联网传感器中运用的其他基于电阻的传感机制


  虽然基于MEMS的IoT传感器关于机械,物理量十分有效,但电阻式传感器检测非机械量(如光和温度)的操作却不相同。因而,感测机制改动。


  光感测–要检测光,需求特殊的光敏资料。植物借助称为感光体的特殊分子来检测光。同样,任何光敏传感器都运用光敏电阻-一种电阻资料,其电阻随着光强度的增加而降低。光敏电阻或俗称LDR是一种十分盛行的IoT传感器,用于检测光。


  温度感测–与光感测类似,温度感测还需求可以顺应环境温度变化的资料。大多数温度传感器由热敏电阻组成,该资料的电阻会随着温度的升高而降低。例如,用于避免现代锂离子电池过度充电的参数之一是在热敏电阻的协助下检测电池温度。


  化学传感器–这些传感器用于检测特定的化学物质。该传感器包含一个传感层,该传感层由一种资料制成,只需它与化学物质发作反响,其电阻就会改动。例如,许多物联网系统运用MQ系列(MQ9,MQ2,MQ7等)气体传感器。它能够检测到各品种型的气体,例如一氧化碳,液化石油气和甲烷。


  转换为电信号


  能够说,第二受欢送的科学方程式是欧姆定律(V = IR),在电流,电压和电阻之间树立了直接关系。该规律的优点在于,电阻的任何微小变化都能够霎时转换为电信号(电压或电流)。


  因而,每个基于电阻的物联网传感器(包括MEMS技术)都直接或间接运用欧姆定律。


  七、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经过改动资料的电容来捕获物理量的变化,并且像电阻一样,也取决于资料的物理几何外形。


  但是,简直一切基于电容的传感系统都主要依赖于物理几何外形的变化-面积,间隔以及资料的电容才能,这些电容由其能够存储的电荷量来描绘。


  触摸传感器是物联网系统中最常见的基于电容的传感器之一。智能手机运用由众多触摸传感器组成的触摸屏。从实质上讲,它是一种压力传感器,可检测物理触摸产生的压力/力。


  当屏幕遭到物理触摸刺激时,施加的压力会改动面积或/和间隔,从而触发屏幕下方的电容值变化。


  电容的这种变化就像电开关一样,将电信号驱动到下一级。图3示出了触摸传感器的工作。


  与运用欧姆定律的基于电阻的传感系统相似,基于电容的系统具有其本身的共同关系,该关系将电容的变化映射到电压和电流。不幸的是,数学方程式超出了本文的范围。


  电容与电阻感测


  在电阻感测中,某些物理量(例如光和温度)需求特殊类型的资料。这是一个福音,一个祸根!一方面,电阻变化关于所丈量的量是独一的。但另一方面,这种共同性请求完整不同的丈量/传感程序。


  取而代之的是,大多数基于电容的传感系统都坚持统一的传感程序,由于变化主要是由于物理几何外形的变化。此外,与电阻式电阻相比,它们相对较新,并且目前仅限于运用MEMS技术感测机械系统。


  结论


  我希望我可以解释物联网系统中一些常用传感器的工作原理。此外,传感器设计制造只是物联网的一局部。该系统必需有效处置接纳到的数据,并经过满足用户需求提供以应用程序为中心的结果。


  就目前而言,物联网传感器已浸透到制造业并完成了大多数手动操作的自动化,从而构成了一个全新的分支,称为工业物联网(IIOT)。


  与个人计算机和智能手机不同,物联网技术尚未在我们的生活中完成宏大的转变。在此之前,整个物联网生态系统需求继续开展。


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