物联网传感器如何工作的？

在过去的几十年中，计算机，软件和计算技术领域发生了翻天覆地的变化。作为一名工程师，成为拥有巨大计算能力的时代的一部分非常令人着迷。最受欢迎的是个人计算机，笔记本电脑，智能手机和智能手表等手持设备。

没有计算能力的帮助，就无法想象和过着生活。最好的部分是，我们仍在浏览这些看似智能的机器中处于休眠状态的巨大计算潜力。

随着物联网（IoT）的出现，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（智能城市如何帮助建立一个更好的后泛滥世界），这很公平兴奋才刚刚开始。

本文旨在回答以下问题：“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），以便新创造的术语不言自明。物联网这个术语没有什么不同。

顾名思义，物联网是涵盖所有类型设备的保护伞。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，关键是它们通过Internet彼此通信（或交谈）。每个这样的设备都有一个嵌入式的发送器和接收器，可以实现使用互联网的通信过程。

但是，每个物联网系统都不相同，不一定适合所有应用程序。实际上，它们类似于我们人类。每个人都擅长某事。您不能指望演员会驾驶飞机而飞行员会在电影中表演。同样，您不能期望单个物联网系统（和设备）可以完成所有任务。因此，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，所有行业都是如此。因此，系统设计师总是设计，生产和交付物联网系统，以提供无缝的用户体验。物联网硬件产品开发： Vera Kozyr的操作方法，重申了所有利益相关者投入的时间和精力，从硬件产品的角度来创建端到端的即插即用样式系统。

在探索IoT设备的内部之前，区分设备和系统非常重要。

设备就像个人成员，而系统就像是涉及个人的团队。因此，设备是系统的一部分，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），它们共同为实现一个共同的目标而努力。此外，成为系统（团队）的一员可确保更高的生产率并获得更好的结果。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所有动作

云数据分析和处理以分析和处理接收到的数据

发送器和接收器通过互联网建立不同传感器，传感器和微控制器与中央云服务器之间的通信

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：通向现实世界的桥梁

物联网系统的一个很好的例子是智能手机，通常包括：

用于确定位置的全球定位系统（GPS）模块

温度传感器感应环境温度

麦克风可以感应使用者的声音，

接近传感器可感测用户与电话的距离并在通话过程中将其锁定。

智能手机上的不同应用程序使用不同的传感器。例如，Google Maps具有一个用户界面（一个应用程序），可与GPS模块进行交互并收集位置坐标。它通过互联网连接处理数据，以帮助用户路由到他/她的目的地。

电池管理系统（BMS）是使用多个传感器的IoT系统的另一个示例。BMS是保护和管理电池运行的电子系统。简而言之，它是电池的个人看管人。我已经在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的功能。

传感器的作用就像计算世界和现实世界之间的网关。因此，传感器需要将其在现实世界中感测到的一切转换成计算机可以理解的特殊内容。

幸运的是，两个世界之间的共同纽带是电能！

因此，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通过现场微控制器传输到中央云服务器的电信号。

IoT传感器是IoT系统中使用的传感器。

 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），它由由半导体材料（如硅）组成的微小组件组成，其尺寸在微米范围内。

如果不是全部，大多数检测机械能的传感器都会以一种或另一种方式使用MEMS技术。加速度计是一个非常受欢迎的例子。这主要是由于快速增长和对计算机的广泛依赖。

由于MEMS技术的制造材料是半导体，因此主要优点是可以将其嵌入到集成电路（IC）中。IC包括其他计算组件（也由半导体材料组成），它们作用于从传感器接收的数据。

实际上，小尺寸和芯片集成极大地降低了成本。您可以以不到₹250（$ 3.34）的价格购买基于MEMS的加速度计。此外，基于MEMS的传感器具有很高的灵敏度并可以检测微小的变化，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

根据应用，系统可以包括一个或多个传感器，感测不同的物理量，从而具有独特的感测机制。MEMS技术中将物理变化转换为电信号的两种最流行的传感机制是：

基于电阻的传感

电容式感应

两种类型的传感机制都采用简单的原理-物理量的任何变化都可以通过传感器中所用材料的电阻或电容的变化来捕获。因此，物理量的较大变化表示材料的电阻或电容的较大变化，反之亦然。

两种类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使用电阻，而基于电容的传感系统则使用电容器。

如果您在本文之前没有听说过电阻器和电容器，请不要担心。您可以阅读它们之间的区别。可以将这两个组件视为两个具有自己独特特征的人。

 五、基于电阻的传感机制（使用MEMS技术）

一个多世纪以来，我们一直使用电阻电阻器来测量，分析，控制和观察各种物理量。如前所述，每当物理量（如压力）发生变化时，电阻的变化量就决定了该变化量。

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]。

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。长度或横截面积的任何变化都将直接影响材料的电阻。

压阻效应–压阻材料是一种特殊的材料，当该材料发生机械变形（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IoT传感器通常使用压阻材料。

 六、物联网传感器中使用的其他基于电阻的传感机制

尽管基于MEMS的IoT传感器对于机械，物理量非常有效，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。因此，感测机制改变。

光感测–要检测光，需要特殊的光敏材料。植物借助称为感光体的特殊分子来检测光。同样，任何光敏传感器都使用光敏电阻-一种电阻材料，其电阻随着光强度的增加而降低。光敏电阻或俗称LDR是一种非常流行的IoT传感器，用于检测光。

温度感测–与光感测相似，温度感测还需要能够适应环境温度变化的材料。大多数温度传感器由热敏电阻组成，该材料的电阻会随着温度的升高而降低。例如，用于防止现代锂离子电池过度充电的参数之一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。该传感器包含一个传感层，该传感层由一种材料制成，只要它与化学物质发生反应，其电阻就会改变。例如，许多物联网系统使用MQ系列（MQ9，MQ2，MQ7等）气体传感器。它可以检测到各种类型的气体，例如一氧化碳，液化石油气和甲烷。

图1 –基于电阻的传感器

转换为电信号

可以说，第二受欢迎的科学方程式是欧姆定律（V = IR），在电流，电压和电阻之间建立了直接关系。该法则的优点在于，电阻的任何微小变化都可以瞬间转换为电信号（电压或电流）。

图2 –电阻感测中的物理变化到电信号的转换

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

 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通过改变材料的电容来捕获物理量的变化，并且像电阻一样，也取决于材料的物理几何形状。

但是，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-面积，距离以及材料的电容能力，这些电容由其可以存储的电荷量来描述。

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。智能手机使用由众多触摸传感器组成的触摸屏。从本质上讲，它是一种压力传感器，可检测物理触摸产生的压力/力。

当屏幕受到物理触摸刺激时，施加的压力会改变面积或/和距离，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。

图3 –电容式触摸传感器的2D和3D工作

与使用欧姆定律的基于电阻的传感系统类似，基于电容的系统具有其自身的独特关系，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）需要特殊类型的材料。这是一个福音，一个祸根！一方面，电阻变化对于所测量的量是唯一的。但另一方面，这种独特性要求完全不同的测量/传感程序。

取而代之的是，大多数基于电容的传感系统都保持统一的传感程序，因为变化主要是由于物理几何形状的变化。此外，与电阻式电阻相比，它们相对较新，并且目前仅限于使用MEMS技术感测机械系统。

 结论

我希望我能够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部分。该系统必须有效处理接收到的数据，并通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，物联网传感器已渗透到制造业并实现了大多数手动操作的自动化，从而形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实现巨大的转变。在此之前，整个物联网生态系统需要继续发展。