[物联网] 3.4 采集信息--传感器

传感器是什么 传感器是一种装置，它的用途在于检测周边环境的物理变化，将感受到的信息转换成电子信号的形式输出。人类用五种感官来感知环境的变化，设备则用传感器来感知。 如表 3.4 所示，传感器有很多种类。 每种传感器都包含各种各样的应用方式，“用哪个传感器”对所有从事设备开发的人来说都是一件令他们头疼的事。虽然没有绝对正确的方法，但是如果不了解传感器的机制和特性，就不可能做出设备。 感测技术在日益进化。不少新设备的创意都是从“能用这个方法测量这种东西了”这样的一步步的技术革新中诞生出来的。这里非常重要的一点是，传感器的知识不仅对技术人员而言很重要，从产品设计和经营战略的角度上来看，学习传感器知识也是非常重要的。 接下来就让我们一边了解传感器最普遍且最基本的测算手法，一边来加深对传感器的理解。 表 3.4 具有代表性的传感器

传感器的机制 下面将为大家介绍两种感测方法。 ①利用物理特性的传感器 ②利用几何变异的传感器 利用物理特性的传感器 每种传感器根据其用途而内置有不同的检测元件（图 3.26）。检测元件这种物质的电子特性会根据周围环境的变化而变化。 检测的方法大体上分为两种。 第一种方法是用输出电压的变化来表示环境的变化。例如，力觉传感器就是依靠一个叫作应变仪的金属力觉元件来发挥作用的（图 3.27）。 对传感器施加力，应变仪就会产生微小的变形。因为金属的阻值（输出电压）会根据形变而变化——这是金属的性质——所以只要让一定量的电流流过应变仪，那么根据欧姆定律（电压＝电阻 × 电流），输出电压的值就会变化。例如，把应变仪安装在桥梁和高层建筑物的支柱上，就能感测到细微的变形。只要通过网络把采集到的这些数据汇集到服务器，就能持续监测基础设施了。

从广义上来说，这些传感器与变阻器（通过调节刻度盘来增减阻值的一种电阻）没有什么差别。同样利用这种特性的还有 CdS（光学传感器）和温度传感器等。

第二种方法是用输出电流的变化来表示环境的变化。例如会对光产生反应的光电二极管，只要一照射到光，这种半导体元件就会像太阳能电池那样在两个端子间产生电动势和电流（图 3.28）。变异是作为电流变化输出的，但实际上是用一种叫运算放大器的 IC 把电流变化转换成电压变化的。就结果而言，跟刚才第一种方法情况相同，也是用电压的变化体现环境的变化。 比起前面介绍的 CdS，光电二极管能更快感应到光的变化，也就是说它有“响应迅速”这个特征。因为它需要电流电压转换电路，所以结构偏大。不过在需要进行精确测量的情况下，人们大多会采用光电二极管。

虽然在平时使用传感器的时候很少会注意到，但从微观上来看，传感器巧妙地利用了物质的性质这点是显而易见的。正确理解传感器的特性并选择匹配的传感器，对开发者来说是非常重要的。 利用几何变异的传感器 测距传感器利用与障碍物间的几何学关系来测算距离。下面以红外线测距传感器为例为大家说明。 红外线测距传感器包括照射激光的部分和光接收元件。光接收元件负责接收从障碍物反射过来的光，不仅能测算 ON/OFF 信息，即有没有照到光，还能测算光照到了光接收元件的哪里。然后利用图 3.30 所示的几何学关系，通过测算得到的值来测量距离。

实际上，测距传感器上有 INPUT、 GND、 OUT 这 3 个端子。把NPUT 和 GND 分别接上电源，距离的测量结果就会以电压变化的形式反映在 OUT 的端子上。每个传感器上都事先准备有电压值和距离的对应关系图，对照关系图就会得出实际的测量结果（图 3.30）。

传感器的利用过程 前文已经为大家介绍了传感器的机制，接下来看看如何才能把这些传感器装入设备以及如何使用。 前面已经介绍过，微控制器负责接收传感器输出的信息及控制设备。那么具体要如何用微控制器处理电子信号呢？ 要想知道答案，就需要理解传感器输出的电子信号的特性。所有的传感器都普遍具有以下特性。 ● 毫伏级的微弱信号 ● 输出的是含有一定噪声的模拟信号 针对上述这种情况，从传感器信号中获取所需信息时，就需要进行一种叫作“信号处理”的预处理，流程如图 3.31 所示。

放大传感器的信号 为了利用传感器的微弱信号，需要将其放大到微控制器等设备可以读取的强度，这就需要用到放大电路了。 放大电路的核心是一个叫作运算放大器（ operational amplifier）的C 芯片。其实它就是由晶体管（控制电流的元件）等组成的一个复杂电路，除了放大信号外，也用于模拟运算。 举个简单的例子，大家看图 3.32，这个电路叫作非反相放大电路，它在保持输入信号的极性的同时将其放大输出。可以看出，图中三角形处就是运算放大器，它的各个端子连接着电阻等元件。

连接在运算放大器上的电阻之比表示的是要将信号放大多大程度。调节放大的倍率也就相当于调节“灵敏度”，倍率越大越能检测出细微的变化。而另一方面，如果把倍率调节得太大，就会检测出一些我们不想去检测的微弱信号（如噪声等），因此需要设定一个合适的倍率。若使用变阻器（通过调节刻度盘来增减阻值的一种电阻），就能在组装好电路后调节灵敏度了。想检测出微弱的变化时，用这种方法进行微调就好。 以下这些方法也同样用到了运算放大器，使信号放大为各种各样的形式。 ● 反相放大电路：反转极性（把正负极反过来）并输出放大的值 ● 差分放大电路：把两个输入电压的差值放大并输出 建议大家根据传感器和所要获取的信息的类型来安装和使用合适的放大电路。

把模拟信号转换成数字信号 把传感器获取的测量值用连续的电子信号表示出来，就是模拟信号。想用 PC 处理模拟信号，就需要进行模拟 / 数字（ A/D）转换，把模拟信号转换成离散值，即数字信号。A/D 转换操作分成以下 3 个步骤。 ● 采样（sampling）   用某个频率来区分模拟输入信号，获取值 ● 量化 把采样后的值近似表现为离散值 ● 编码（coding）   把量化后的数值编码成二进制代码 下面用图示来简单说明一下（图 3.33）。

选择微控制器的时候，一个重要的出发点就是 A/D 转换器的性能。虽然指标各不相同，但首先应该检查采样频率和分辨率。 采样频率是一个指标，它决定了每次采样应该隔多长时间。如果对输入信号的频率应用了过低的采样频率，就会出现如图 3.34 所示的情况，即出现一个与本来的波形完全不同的波形，这个波形是冒充测算波形的假波形，这样的假波形叫作混叠。具体来说，采样频率必须在输入信号最高频率的两倍及两倍以上，这样才能预防出现混叠。

而分辨率也是一个指标，它表示的是能把模拟信号分割到多细，表现形式为“最多能分到多细”。例如 8 bit 的 A/D 转换器就能分成 28 ＝56，这就是分辨率（图 3.35）。打个比方，微波炉用这台 8 bit 的 A/D换器处理 10 V 区间的信号时，就无法测出低于 39 mV 的电压差。 建议大家充分考虑传感器的特性，选择频率和分辨率合适的 A/D 转换器。

传感器的校准 校准是一项分析和调整的工作，目的在于通过比较要测量的状态量与传感器的输出数值之间的关系，来得出正确的测量结果。 就像大家在前文看到的那样，传感器把测量好的结果用电子信号（电压）的形式输出。因为我们无法直接从电子信号中获取想测量的参数，所以就需要一个公式，来把测算的数值转换成参数。例如，在使用红外线测距传感器的情况下，就需要输出电压和距离的关系图。 在市面上出售的传感器中，也有一些传感器提供了详细的数据表。 表上也有上述这种关系图，请大家在使用传感器前检查一下传感器是否附带了这种数据表。 话虽如此，实际上传感器还是存在着个体差异的。此外，很多传感器的测量值会受电路板温度等因素的影响。校准就是针对这种误差因素而进行的，目的是保证感测的稳定性。一旦涉及校准，传感器的再现性 A 禁不禁得住考验这点就显得重要起来了。这里我们就以电位器为例，来一起思考一下（图 3.36）。

电位器属于一种变阻器。旋转机体上的旋钮，各个端子之间的电阻值就会产生变化。如果能求出输出电压和旋钮角度的关系式，那么就能用这个传感器求出杠杆的倾斜度，或是机器人身上关节的角度。这种情况下则按照以下顺序进行校准（图 3.37）。 ① 尽可能多地定义标准值（这里为角度），把此时的输出电压和旋转角度的关系用点的形式标注到关系图上。 ② 画一条曲线，令曲线通过这些点的中心，求出这条曲线的近似等式。 这样一来，就能在尽量排除个体差异和再现性误差的情况下得到关系式了。另外，刚才我们也提过电路板温度带来的影响，例如电路板在多少摄氏度的时候会产生多大程度的偏移。当这个影响程度为一定值时，能够跟温度传感器一起来修正其影响。如果能刻意去改变电路板的温度，记录下输出电压是如何迁移的，那么就能把电路板温度带来的影响作为修正项加到前面求出的关系式里。

为了用传感器进行精确的测量，需要事先细致地做一些准备。测量精度会因是否进行过校准而天差地别。 大多数情况下，进行校准是需要相应的工具和环境的。像刚才使用电位器那种情况，如果真的想精确测量，就需要另外准备一台高精确度的传感器来测算测量的标准，也就是旋钮的旋转角度。要怎么才能尽量省事地得到精确的标准值呢？这很大程度上取决于开发者下的工夫。请大家去试着摸索一些适合传感器的校准方法。 如何选择传感器 明确目的和条件 在设计设备时应该考虑到方方面面，如果是深入人们日常生活中的那些物联网设备，例如可穿戴设备和需要根据环境配置的设备等，就需要将其结构小型化和简单化。为此，在设计设备的阶段就要预想到以下这几点。 ●  通过利用设备要实现一个什么样的状态 ●  为了实现这个状态需要测算哪些物理量 ●  这台设备是用在什么样的环境中，要怎么使用 就硬件开发而言，一旦做出了产品，再想修正就很耗费时间和精力。因此，开发者需要事先充分模拟设备的使用条件，明确需求规格和使用条件。对目标用户和顾客进行情景应用也是一种有效的手段（图.38）。

明确手段 明确了目的和使用条件后，就该把准备好的传感器拿出来了。为此，大家除了要理解 3.4.2 节提到的传感器的基本原理，还要掌握有关传感器性能指标的正确知识，重要的是能够对比和研究。通常使用的性能指标如表 3.5 和图 3.39 所示。

每个传感器都有一个数据表，表中包含了它们各自的特性。大多数情况下，这些数据表会公开在开发方的 Web 网站上，我们可以在网站上确认这些指标。根据提前分析过的使用目的和条件，来选择一个符合这些目的和条件的传感器。