https://blog.csdn.net/u011800133/article/details/86504572
目录 一、传感器概述 二、传感器原理
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1、电阻式传感器
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2.电容式传感器
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3.电感传感器
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4.压电传感器
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5.磁敏传感器
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6.光电传感器
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7.热电偶和热电阻
三、传感器数据处理
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1、温度补偿
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二、非线性补偿
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3、标度变换
一、传感器概述 物联网系统中的大量数据信息来自终端设备，而终端设备的数据来源可以归因于传感器。传感器赋予一切感官功能。例如，人类依靠视觉、听觉、嗅觉和触觉来感知周围环境。同样，物体也可以通过各种传感器感知周围环境。而且比人类感知更准确，感知范围更广。例如，人类不能通过触觉准确地感知物体的具体温度值，也不能感知数千个高温，也不能区分微妙的温度变化。 传感器被定义为将物理、化学、生物和其他信息变化按照某些规律转换为电参数（电压、电流、频率、相位、电阻、电容、电感等）的装置或装置。 传感器通常由敏感元件、转换元件和基本电路组成。敏感元件是直接感知测量元件，将测量变化转换为敏感材料特性参数的变化。有些敏感元件是无源元件，不能直接输出电压或电流，因此需要通过转换元件特性参数的变化转换为电压或电流。基本电路放大、塑料和编码输出转换元件输出的信号。 传感器种类繁多，可分为温度传感器、湿度传感器、位移传感器、加速度传感器、压力传感器、流量传感器等。根据传感器的工作原理，可分为物理传感器（基于力、热、声、光、电、磁效应）、化学传感器（基于化学反应原理）和生物传感器（基于霉菌、抗体、激素等分子识别）。以下简要介绍了基于物理性的常见传感器工作原理。
二、传感器原理 1.电阻传感器 电阻传感器的基本原理是敏感元件电导率随外部环境变化的传感器，大致可分为电位计传感器和应变传感器。 电位计式传感器 将机械线的位移或角位移转换为电阻或电压输出。电阻值通过位移变化而相应变化。 例如：检测汽车座椅位置（旋转或平移触点位置会改变有效电阻）。 应变传感器
金属应变效应 使用外力拉伸固定长度的金属导线时，导线长度会增加，横截面积会减小(假设各部分变化均匀，温度恒定)，电阻会根据电阻的结构参数发生相应变化(应变效应)。 利用这种效应使机械变形(dl/l横向应变、dr/r纵向应变）直接转换为电阻值变化的传感器可以检测位移、压力、加速度、扭矩等物理量，并可以在高温、强磁性等恶劣环境中工作。一般来说，在实际应用中，多个应变片（靠近被测对象）形成电桥电路，将电阻变化转换为电压输出。
半导体应变效应 当半导体受到外力作用时，几何尺寸在小变形下，电阻值也会发生很大变化（电阻效应）。可用于测量水位。
2.电容式传感器 电容式传感器是将被测量变化转换成电容量变化的传感器，通过电路转换将电容量变化转换成电压或频率等信号输出。
3.电感传感器 电感传感器利用自感或互感系数的变化来检测非电量的变化。自感或互感系数的变化通过基本电路转换为电压或频率信号输出。电感传感器有很多种，包括自感传感器、互感传感器和涡流传感器。 自感式 磁通量与线圈电流的比值为恒定值，即自感系数，与线圈匝数、磁芯材料等有关。自感系数可以通过改变磁芯材料或磁芯材料的位置来改变，然后自感系数的变化可以通过转换电路转换为电信号。 互感式 互感传感器的工作原理与变压器（电磁电转换）相似。两组线圈中磁芯位置的变化会导致两组线圈耦合强度的变化，即互感系数的变化。 涡流式 将金属块放置在变化的磁场中或在均匀的磁场中移动时，在金属块中形成闭合电流，称为涡流效应。电流称为涡流。涡流传感器的基本结构是线圈。当线圈通过高频电流时，当金属块靠近线圈时，会在金属块中产生涡流（涡流的大小与导体磁导率、电阻率、励磁电流角频率、导体位置等有关）。同时，涡流产生的磁场会阻碍线圈磁场的变化，即线圈等效电感或等效阻抗。金属块的位移、厚度、材料类别等信息可以通过检测参数的变化来测量。 4.压电传感器 当在某些晶体材料上施加外力并发生变形时，等量异种电荷将分布在晶体的相应表面，称为正压电效应。相反，当在晶体极化方向上施加电场时，晶体变形称为反压电效应。压力传感器、超声波传感器等可以利用晶体的这一特性来制造。 5.磁敏传感器 磁敏传感器利用磁电转换原理将磁场信号转换为电信号，主要用于检测磁场。典型的磁敏传感器是霍尔效应制成的霍尔传感器。 当有电流的金属板放置在磁场中时，垂直于磁场和电流的方向会产生电势，与磁场和电流的乘积成正比。这种现象被称为霍尔效应。 霍尔效应的根本原因是电子在磁场中运动时受到磁场力（洛伦兹力）的影响，即电子向金属表面运动，金属板在表面分布种电荷分布在表面。 6.光电传感器 光电式传感器是利用光电效应将光信号转换成电信号的一种传感器。光电效应一般分为外光电效应、内光电效应。 外光电效应 在光照下，电子获得能量溢出物体表面。基于此效应的设备包括光电二极管、光电倍增管等。 内光电效应 光电导电效应：在光照条件下，电子从键合状态过渡到自由状态，导致材料电阻率的变化。基于此效应的设备具有光敏电阻。 光伏效应：光照半导体PN结时，电子空穴对刺激结区附近，形成连续电场。光电池就是利用这个原理。 7、热电偶与热电阻 热电偶和热电阻通常用于检测温度。基于热电效应，热电阻利用金属导体电阻随温度变化的原理来检测温度。 热电偶 将两个不同导体的两端连接在一起形成闭合电路，并将两端放置在不同的温度环境中，在闭合电路中产生电势并形成电流。 电势由温差电势和接触电势组成。温差电动势的产生是由于温度不同，高温电子能量大于低温电子能量，因此高温电子运行到低温电子数量大于低温电子运行到高温电子数量，高温失去电子和正电，低温多余电子和负电，形成温差电动势。由于接触端自由电子密度不同，高密度电子向低密度电子扩散，扩散运动稳定后形成接触电势。 将热电偶的一端放置在恒温环境中，另一端放置在被检测环境中，通过测量电路中的电流来检测环境温度。 热电阻 热阻利用导体或半导体电阻率随温度变化的原理来感知温度。一般选用具有正温度系数的材料。
三、传感器数据处理 1、温度补偿 在实际应用中，温度的变化会导致传感器特性参数的变化，从而改变传感器的静态动态特性（大多数电子元件材料是半导体，半导体导电温度起决定性作用），因此温度是影响传感器精度的重要因素之一。 温度补偿方法 假设测量为x，传感器输出为y，环境温度为T，零点输出为Y传感器灵敏度为0K，线性传感器的特性可以表示为： y=Y 0 (T) K(T)x 可以看出，传感器的零点和灵敏度都受温度的影响。传感器的温度灵敏度可以表示为： 温度补偿的本质是令ST=0可以。该公式包括对零点温度漂移和灵敏度的补偿。在实际应用中，传感器本身的特性可以用来满足温度补偿。例如，使用具有正负温度系数特性的电阻，使电阻等于温度变化的增量，从而抵消温度对输出的影响，或利用电路结构的特性将温度干扰信号转换为共模信号输入，然后进行差分操作，相互抵消。 二、非线性补偿 传感器输入输出非线性主要体现在两个方面，敏感元件在转换原理上非线性，如热偶热端温度与热电势非线性关系，采用测量电路非线性，如桥测量电路、桥臂元件参数变化使桥失去平衡，导致输入输出关系非线性。 非线性补偿方法包括硬件法和软件法。前者是增加非线性补偿环节，利用某些组件的非线性特性，形成各种、指数、对数、开方等操作。实现传感器输入输出的非线性补偿。与硬件相比，软件法补偿更简单，无需增加非线性链接，降低硬件复杂性。软件补偿主要有两种方法： 检查方法：部分传感器输入输出高度非线性，输入输出关系非常复杂，可能涉及指数、对数、微积分等复杂操作，由于处理器的限制，不能快速完成这些操作，或输入输出不能建立数学模型，为了解决这些问题，可以使用检查方法。检查方法是记录具体的输入和输出，并建立一个关系表在实际应用中，通过检查表输出。 计算方法：当传感器输出与输入有关时定的数学表达式时，可以在程序中编制一段实现这个数学表达式的程序，被测量经过检测、AD采样、标度变化后进入计算机根据数学关系计算，计算后的值就是线性化处理后的输出。建立数学模型可采用数据拟合的方式实现，首先采集输入输出数据序列，然后通过线性插值或多项式插值方式找出数据模型。 线性插值 假设输入输出特性为非线性关系，关系为y=f（x），当x=xi时，y=yi，x=xk时，y=yk，则当xn=xi+△x（xi<xn<xk）时，yn可表示为： 多项式插值 多项式插值方式是设法用一个多项式p(x)去逼近传感器实际特性y=f(x),使得p（xn） =f（xn）。如图示，用p(x)近似替代传感器实际特性f(x) 3、标度变换 数字传感器采集的数据并不定于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于被测参数的大小，必须把它转换成带有量纲的数值后才能显示应用，这种变换称为标度变换。
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