您现在的位置:e-works > 百味书屋 > 书籍列表 > 无线传感器网络及其在物流中的应用 > 无线传感器网络中的传感器

第四章 基于无线传感器网络的智能物流关键技术

第一节 无线传感器网络中的传感器

感知功能是构建无线传感器网络系统的基础,而传感器处于观测对象和测控系统的接口位置,是感知、获取和监测信息的窗口。如果说计算机是人类大脑的扩展,那么传感器就是人类五官的延伸,当集成电路、计算机技术飞速发展时,人们才逐步认识到信息摄取装置——传感器必须跟上信息技术的发展。
  传感器技术是半导体技术、测量技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型的前沿研究之一,是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一,也是当代科学技术发展的一个重要标志,它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。世界各国都十分重视传感器技术的研究与开发,美国和日本等国家将其列为国家重点开发关键技术之一。正是由于各国的普遍重视,传感器发展十分迅速,在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10%以上。
  目前,传感器已广泛应用于各个学科领域,如现代化工农业生产、交通运输、航空航天技术、军事工程、资源探测、海洋开发、环境监控、安全保护、医疗诊断、生物工程、家用电器等。无论是从简单的生成过程到各种复杂的工程系统,都离不开各式各样的传感器,而且传感器的应用促进了上述各领域的发展。
  2.1.1传感器概述
  根据GB/T 7665—2005,传感器的定义为:能感受被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。简单地说,传感器是获取和转换信息的装置。
  1.传感器的定义与组成
  传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成,有时还可以加上辅助电源,如图2-1所示。
  敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分,即将被测量(一般为非电量)通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的其他量。

 1

图2-1 一般传感器的组成框图

  转换元件(或称为传感元件、变换器)则是传感器的重要组成部分,其作用是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合传输或测量的电参量。它既可以直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量,也可不直接感受被测量,而只感受与被测量成确定关系的其他非电量。应该注意的是,有些敏感元件可以直接输出电参量,也就是说,它同时兼为转换元件。
  转换电路(或称为测量电路)的作用是将转换元件输出的电参量经过处理(比如放大、调制等)转换成电压、电流或频率等可测电量,以便进行显示、记录、控制和处理的部分。转换电路中较多使用电桥电路,也使用其他特殊电路,如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路等。
  实际上,传感器可以做得很简单,也可以做得很复杂,可以是带反馈的闭环系统,也可以是不带反馈的开环系统。因此,传感器的组成将依不同的情况而有所差异。比如,最简单的传感器可以仅由一个敏感元件(兼转换元件)组成,如热电偶;传感器也可以没有转换电路,如压电式加速度传感器;也可以有多个转换元件,如数字温度传感器。
  2.传感器的分类
  传感器的种类繁多,可以按照不同的标准对其进行分类。
  (1)根据外界输入信号转换为电信号时采用的效应分类
  根据外界输入信号转换为电信号时采用的效应分类,传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
  物理传感器利用物理效应(如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应),将被测物理量转化成为便于处理的能量信号。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
  化学传感器具有对被测化学物质的形状或分子结构进行俘获的功能(如化学吸附、电化学反应等),同时能将被俘获的化学量有效转化为电信号。
  生物传感器是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行监测的仪器,是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。
  (2)根据输出信号分类
  传感器根据其输出信号,可分为模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器和开关传感器。该分类方式以输出信号的类型来命名。
  模拟传感器是将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
  数字传感器是将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。
  数字传感器是将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。
  开关传感器是当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
  (3)根据输入量分类
  传感器根据其输入量,可分为温度传感器、湿度传感器、压力传感器、气体成分传感器、加速度传感器、能耗传感器、放射线传感器和位移传感器等。该分类方式是以被测量类型来命名,包括物理量、化学量和生物量等。
  (4)根据工作原理分类
  传感器根据其工作原理,可分为电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、霍尔式传感器、光电式传感器和热敏式传感器等。
  (5)根据能量关系分类
  传感器根据其能量关系,可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。
  能量转换型传感器也称为无源传感器,直接由被测对象输入能量使其工作。
  能量控制型传感器也称为有源传感器,从外部供给能量使传感器工作,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。
  (6)根据材料分类
  在外界因素的作用下,所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料,即那些具有功能特性的材料,被用来制作传感器的敏感元件。传感器按照所用材料的类别,可分为金属传感器、聚合物传感器、陶瓷传感器和混合物传感器;传感器按材料的物理性质,可分为导体传感器、绝缘体传感器、半导体传感器和磁性材料传感器;传感器按材料的晶体结构,可分为单晶传感器、多晶传感器和非晶材料传感器。
  3.传感器的发展
  科学技术的发展和社会进步的需求,推动着传感器技术的迅速发展。目前。国内外传感器技术的发展主要有以下几个方面。
  (1)开发传感器新材料
  随着材料科学的发展,新的材料不断涌现,用各种复杂材料来制造性能更加良好的传感器已成为传感器技术的发展方向。陶瓷、磁性、高分子、生物、智能材料等新型材料的开发与应用,不仅扩充了传感器的种类,而且改善了传感器的性能,拓宽了传感器的应用领域,如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、诊断传感器、智能传感器、基因传感器及模糊传感器等。
  (2)微结构和传感器的微型化
  微电子工艺、微机械加工和超精密加工等先进制造技术在各类传感器的开发和生产中的不断普及,使传感器正在从传统的结构设计向以微机械加工技术为基础、仿真程序为工具的微结构技术方向发展。如采用微机械加工技术制作的MEMS产品(微传感器和微系统),具有划时代的微小体积、低成本、高可靠性等独特的优点。
  (3)传感器的多功能化
  传感器的多功能体现在传感器能测量不同性质的参数,实现综合监测。即把多个功能不同的传感元件集成在一起,除了可以实现多种参数测量外,还可以对这些参数的测量结果进行综合处理和评价,以反映被测系统的整体状态,使传感器由单一功能、单一监测向多功能和多点监测发展。例如:集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等不同功能敏感元件的传感器,能同时监测外界环境的物理特性或化学特性,进而实现对环境的多参数综合监测。
  (4)传感器的集成化
  传感器的集成化不仅包含同一功能的多元件并列化,即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列;也包含多功能一体化,即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化,组装成一个器件。
  (5)传感器的智能化
  智能化传感器是一种带微处理器的传感器,是微型计算机和传感器技术相结合的产物,它兼有监测、判断和信息处理等功能,与传统的传感器相比有很多优点:具有判断和信息处理功能,能对测量值进行修正、误差补偿,因而提高测量精度;能实现多传感器多参数测量;有自诊断和自校准功能,提高可靠性;测量数据可存取,使用方便;有数据通信接口,能与微型计算机直接通信。近年来,智能化传感器发展开始同人工智能相结合,创造出各种基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器,称为软传感器技术,它已经在家用电器方面得到利用,相信未来将会更加成熟。
  (6)传感器的网络化
  随着科学技术的发展,数字化、智能化和网络化已成为时代发展的趋势:计算机技术和通信技术结合进而产生了计算机网络技术;计算机技术和传感器技术结合产生了智能传感器技术;将三者融为一体(计算机网络技术与智能传感技术结合)便产生了网络化智能传感技术。网络化智能传感技术已成为人们关注的热点。网络化智能传感器是以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器具备自检、自校、自诊断及网络通信功能,从而实现信息的采集、处理和传输真正统一协调的新型智能传感器。网络化智能传感器与其他类型的传感器相比,既具有智能传感功能,又具有网络通信功能。网络传感器的开发,使测控系统主动进行信息处理以及远距离实时在线测量成为可能。
  2.1.2 传感器的特性和选型
  1.传感器的特性
  传感器所测量的物理量经常会发生各种各样的变动,如测量某辆车辆的加速度,其在一段时间内可能十分稳定,而在另一段时间内可能有缓慢起伏变化。如何反映被测物理量的变动性,这就需要通过传感器的特性来体现。传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系,有静态特性和动态特性之分。
  传感器的静态特性是指在被测量处于稳定状态时,传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。因为此时输入量和输出量都和时间无关,所以传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。一般情况下,静态特性呈现非线性关系,但在工程应用中,则希望其尽可能呈线性。
  衡量传感器静态特性的重要参数指标有量程、线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨力和漂移。
  (1)量程
  在允许误差限内,用测量上限(即传感器所能测量的最大被测量的数值)和测量下限(即传感器所能测量的最小被测量的数值)表示的测量区间称为测量范围。量程即测量上限和测量下限的代数差。如一个力传感器测量范围为0~5N,则其量程为5N。
 (2)线性度
  线性度是指传感器输出随输入变化的线性程度,它用输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。
  实际应用中,几乎所有的传感器都存在非线性,因此在使用时必须对传感器的输出特性进行线性处理。
  (3)灵敏度
  灵敏度是指传感器在稳态时输出量和输入量之比,或输出量的增量和输入量的增量之比。线性传感器的灵敏度为一常数,而非线性传感器的灵敏度是随输入变化的量。
  (4)重复性
  重复性是指传感器在同一工作条件下,输入量按同一方向作全量程连续多次变动所得特性曲线的不一致程度。对于传感器而言,多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合,说明其重复性越好,误差也越小。传感器输出特性产生重复性误差的原因主要是由传感器内机械缺陷引起的,如材料内摩擦、间隙、积尘、电路老化等。
  (5)迟滞
  迟滞特性是指传感器在同一工作条件下,正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出—输入曲线的不重合度。迟滞特性是由传感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因产生的。
  (6)分辨力
  传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。分辨力用绝对值表示,但常用与满量程的百分数表示。
  (7)漂移
  传感器的漂移是指在外界干扰下,输出量发生与输入量无关、不需要的变化。漂移包括零点漂移和温度漂移。
  传感器无输入时,输出值随时间而偏移,偏移零值的偏移量称为零点漂移。温度漂移表示温度变化时,传感器输出值的漂移程度,通常以变化温度1℃时,输出最大偏差与满量程值之比表示。
  所谓动态特性,是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。研究动态特性的标准输入形式有三种,即正弦、阶跃和线性,最常用为阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
  2.传感器的选型
  现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选型是否合理。
  目前,传感器的选型标准有以下几个方面。
  (1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
  要进行一个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。
  在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。
  (2)灵敏度
  通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。
  传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其他方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
  (3)线性范围
  传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
  但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看做线性的,这会给测量带来极大的方便。
  (4)稳定性
  传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。
  在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。
  传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。
  在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验
  (5)精度 
  精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择性价比高和简单的传感器。
  如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。
  2.1.3 常见传感器的类型介绍
  1.温度传感器
  温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多,按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
  2.加速度传感器
  加速度计是以加速度的观点来测量物体运动的传感器。加速度计所测量的加速度包括一般性物体的移动速度变化(直线加速度)、物体的低频晃动、高频振动等。因此,从检测重力等静态加速度的加速计到10kHz高频响应加速度计,加速度计的种类繁多。
  加速度计的种类主要包括压电式加速度计、集成电路式压电加速度计、压阻式加速度计和变电容式加速度计。
  压电式加速度计运用了压电元件,在加速度增加时压电元件所发出的电荷直接由电缆导出。由于输出信号微弱到微微级(兆分之一),所以加速度计的输出电缆使用的是低噪声同轴电缆(Low Noise Cable)。压电式加速度计的特点是,体积较小、重量较轻、使用温度范围广、比集成电路式压电加速度计要坚固,因此一般用于特殊环境(超低温、超高温等)的测量。
  集成电路式压电加速度计使用了压电元件,内部具有电荷(pC)—电压(mV)的转换回路,因此被称为集成电路式压电加速度计。与使用信号电缆的加速度计不同,此类加速度计需要提供恒定电流,同时还需要转换器将mV单位的输出增幅到任意电压。通过在加速度计内部安装转换器回路,在小型化的基础上又实现了高灵敏度化。根据用途在内部回路中安装滤波器,就可以设定频率的响应,还可以抑制加速度的共振。
  集成电路式压电加速度计不需要像压电式加速度计那样的低噪声同轴电缆,即使信号电缆很长也不会导致灵敏度降低或噪声增大;另外,由于阻抗很低,在潮湿和污浊环境中受影响也很小。
  压阻式加速度计内部具有半导体感应元件,在半导体元件上形成可变电阻。通过可变电阻在全桥或半桥状态形成惠斯顿电桥,针对施加在电桥上的电压,观测一方输出电压的变动来测量加速度。压阻式加速度计具有DC响应特性(从0Hz开始的响应),因此适用于测量车辆振动、汽车碰撞试验、爆炸试验等产生的冲击程度。
  变电容式加速度计中各个感应元件用晶体硅通过小型精密技术制成,具有平行板状容量的设计引起静电争持,其结果产生了DC响应特性(从0 Hz开始的响应),生产出具有优良耐冲击特性的坚固的加速度计。内部电子回路可以在很广的温度范围内非常稳定地高额输出。
  3.烟雾传感器
  烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的。烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感器。 
  烟雾传感器的种类主要包括离子式烟雾传感器、光电式烟雾传感器和气敏式烟雾传感器。
  离子式烟雾传感器是一种技术先进、工作稳定可靠的传感器,被广泛运用到各消防报警系统中,性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。在内外电离室里面有放射源镅241,电离产生的正、负离子,在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下,内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室,干扰了带电粒子的正常运动,电流、电压就会有所改变,破坏了内外电离室之间的平衡,于是无线发射器发出无线报警信号,通知远方的接收主机,将报警信息传递出去。
  光电式烟雾传感器内有一个光学迷宫,安装有红外对管,无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光,当烟尘进入光学迷宫时,通过折射、反射,接收管接收到红外光,智能报警电路判断是否超过阈值,如果超过发出警报。
  气敏式烟雾传感器一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用得最多的是半导体气敏传感器,它的应用主要有一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等。
  4.位移传感器
  位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件,接通电源后,在开关的感应面将产生一个交变磁场,当金属物体接近此感应面时,金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量,使振荡器的输出幅度线性衰减,然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
  5.超声波传感器
  超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生,它具有频率高、波长短、绕射现象小,、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应,因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
  6.湿度传感器
  常见的湿度传感器包括氯化锂湿度传感器、碳湿敏元件、氧化铝湿度计和陶瓷湿度传感器。
  氯化锂湿度传感器可分为电阻式氯化锂湿度计和露点式氯化锂湿度计。电阻式氯化锂湿度计具有较高的精度,同时结构简单、价廉,适用于常温常湿的测控等一系列优点。露点式氯化锂湿度计是由美国的 Forboro 公司首先研制出来的,这种湿度计和电阻式氯化锂湿度计形式相似,是利用氯化锂饱和水溶液的饱和水汽压随温度变化而进行工作的。
  碳湿敏元件是美国的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出来的,具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点,因之令人瞩目。我国气象部门于20世纪70年代初开展碳湿敏元件的研制,并取得了积极的成果,其测量不确定度不超过±5%RH ,时间常数在正温时为2~3s,滞差一般在7%左右,比阻稳定性亦较好。
  氧化铝湿度计的突出优点是体积可以非常小(例如用于探空仪的湿敏元件仅90μm厚、12mg重),灵敏度高(测量下限达-110℃露点),响应速度快(一般在0.3~3s之间),测量信号直接以电参量的形式输出,大大简化了数据处理程序,等等。另外,它还适用于测量液体中的水分。
  陶瓷湿度传感器由金属氧化物陶瓷构成,分离子型和电子型两类。离子型湿敏元件是由绝缘材料制成的多孔陶瓷元件。陶瓷湿度传感器在低湿段电阻随湿度阻值变化较大,在40%~80%RH范围内,线性度比较好,高湿段则变化过小,可见陶瓷湿度传感器在常湿状态下具有较好的特性曲线,而在高湿段、低湿段曲线发生畸变,非线性比较明显。陶瓷湿敏元件的感湿特性还受到温度变化的影响,温度补偿对测量精度是重要的。电子型湿度传感器主要有氧化铝—氧化镁合成陶瓷湿度传感器,该元件利用分子在氧化物表面上的化学吸附导致元件电导率改变进行湿度测量。