传感器供电方式 无需外部电源的传感器供电问题如何解决？

无需外部电源的传感器供电问题如何解决？

要问传感器的发展趋势，低功耗、微型化、智能化这些大家都能说出来，而且或多或少能从传感器的实际应用中感受到这些趋势带来的变化。相较于这些很明显的发展趋势，传感器的去外部电源化的趋势反而不算起眼。

可能是因为在现实生活中我们习惯了电的存在，去外部电源的发展带来的改变并不能让我们的感受很强烈。在这一趋势发展之前，对于电子产品来说电源无疑就是所有“动力”的来源，很难想象没有电源的支持如何使传感器内的芯片、器件正常工作。

去外部电源化趋势改变传感器供电的方式

简单来说，去外部电源化的传感要实现的就是在没有电源的情况下，传感器依然能借助某种方式采集能量完成传感工作。这是与传统传感收集能量方式完全不同的地方。需不需要外接电源本身就是很模糊的一套说法（例如电感式传感、电阻应变传感同样是无源传感），我们这里所说的是能实现传感器在没有外接电源下实现能量采集并有效利用。

在传统传感器的设计中，传感器节点的供电问题一直是系统设计中的重点。在低功耗、微型化、智能化的发展趋势下，节点的供电问题再次被放大。如果能在传感器内部元件间能去节点电流，那么其结构会更紧凑、系统电路设计也会大大简化。

（TOSHIBA无源传感芯片）

以最被大家熟悉的红外传感为例，无需外接电源供电的红外传感会根据预先设定好的光谱波长要求来检测其收到的光信号，并将接收到的光信号转换为电能。此时，元件内部两个电触点会产生导电通道，从而开启并持续为传感器的运作供电。这种持续供电的循环是这种发展趋势下传感器理想的状态。

环境能量采集电量微弱如何解决？

上面所说这种理想状态其实不太容易达到，这种偏传统的环境能量采集通常都会面临采集到的电量微弱的难题。想要实现持续供电循环的困难，办法也有不少。随着模拟半导体技术的进步，越来越多的能量采集方案的出现使得传感器在设计上可以较为容易地实现这种高效率的能源管理。

这种针对传感器发展中采集电量微弱痛点的能量收集IC可以为传感器收集到的能源提供高效率转换至稳压电压。对有限的采集到的能量进行高效转换是传感器对此类IC最直接的要求。

（集成能量采集PMU的ATM3系列，Atmosic）

在PV电池能量采集以及具备能量采集功能的传感器上，能量采集PMU应用得很广泛。能量采集PMU必须要能在很低的环境能量状态下进行工作，这要求其有极快的冷启动速度。内部冷启动后，调节器开始在电压跨度可能极大的范围下工作。这种能量采集PMU要能在μW到mW范围内对采集到的能量进行高效的转换，同时自身的工作损耗不能超过亚μW级，才能支持起电能自足的传感器节点。

NFC也成去外部电源发展一大助力

NFC的无线充电功能与物联网传感器的去外部电源发展极为匹配，成为推动传感器发展的一大助力。较为有代表性的是启纬科技的TurboNFC无线能量采集技术，简单来说，传感器通过NFC从传入的射频辐射功率传感器接口和射频传输获取能量。这种取电技术和NFC的无线充电有异曲同工之妙。

（TurboNFC，启纬科技）

无线取电目前高采集效率在300mW左右，取电能力的高低会直接影响传感器的效率，300mW对于小型的传感器应用还是应付得过来的。但和NFC无线充电一样，现阶段这些技术在可行性上没有问题，但是离商业化大规模铺开应用还有一段距离。毕竟目前这种功率这种效率的能量采集还不足以支持传感器完全摆脱电源的限制，但不可否认这种取电技术让传感器去外部电源多了一种发展的可能性。

写在最后

完全没有外部电源支撑的传感器内的芯片、器件能够正常工作，已经不再是一个不可实现的想象。多种能量采集方式的结合将提高不同条件下传感器收集能量的能力，各种功能的去外部电源化的传感器在各个领域已经开始大显身手。

常用传感器的使用与连接

电感式传感器：

传感器的输出方式不同，电路连接也有些差异，但输出方式相同的传感器的电路连接方式相同。实验中使用的传感器有直流两线式和直流三线式两种，其中光电传感器、电感式传感器、电容式传感器、光纤传感器均为直流三线式传感器，磁性传感器为直流两线式传感器。下面介绍NPN型传感器的电路连接方式。

使用传感器的注意事项：

1）传感器不宜安装在以下场所：阳光直射处、温度高、可能会结霜处、有腐蚀性气体处。

2）连接导线不要和电力线、动力线使用同一配线管或者配线槽，或者使用屏蔽线。

3）连接导线不能过细，长度不能过长。

4）接通电源后要等待一定时间才能进行检测。

传感器安装工艺要求：

传感器安装方法正确，安装结束后要进行传感器的位置或灵敏度调节，使传感器能准确地检测到相应信号。

电路的安装工艺要求：

1）连接导线选用正确。

2）电路各连接点连接可靠、牢固，外露铜丝最长不能超过2mm。

3）进接线排的导线都要编号，并套好号码管。

4）同一接线端子的连接导线最多不能超过2根。

安装工作的安全要求：

在装配工作过程中，必须做到“安全第一”，请认真阅读以下要求。

1）要正确使用一字或十字起子、尖嘴钳、剥线钳，防止在操作中发生起子或钳子伤手的事故；

2）安装结束确认接线正确无误后才能送电进行检测；

3）拆装要在停电状态下进行；

4）使用仪表带电测量时，一定要按照仪表使用的安全规程进行；

5）安装时，不用工具敲击安装器件，以防造成器材的损坏。

电感式接近开关的工作原理：

电感式接近开关内部用电磁线圈作为传感元件，利用电磁感应原理来产生信号，因此，能非接触式地检测到金属目标物，即有金属目标物进入它的检测范围之内时产生信号输出。

电感式传感器一般都是三线制传感器且有传感器指示灯，当传感器有信号输出时，指示灯亮，当传感器没有信号输出时，指示灯熄灭。

根据传感器的结构和安装支架的结构，要完成安装，首先要拆下传感器上的一个固定螺母，然后将传感器插入支架安装孔内，再将拆下的螺母旋上拧紧，传感器就固定在支架上了。参考的具体安装方法和步骤如下图：

所需安装的电感式传感器的工作电压为DC10-30V，因此安装时要保证：给电感式传感器提供合适的工作电压，一般我们选用DC24V的电源给传感器供电。进行电路安装时，将棕色线接电源的“+”，蓝色线接电源的“-”，黑色线接信号输入端。当传感器用来为PLC提供信号时，可按如下图所示的电气原理图接线。

连接线路时，传感器的引出线一般通过接线端子排与电源及PLC相连接，具体的连接方法和步骤可参考下图：

光电传感器的：

漫反射式光电传感器;

漫反射式光电传感器集发射器与接收器于一体，在前方无物体时，发射器发出的光不会被接收器所接收到，开关不动作，如下图（a）所示。当前方有物体时，接收器就能接收到物体反射回来的部分光线，通过检测电路产生开关量的电信号输出使开关动作，如下图（b）所示。漫反射式光电传感器的有效作用距离是由目标的反射能力决定的，即由目标表面性质和颜色决定。

反射式光电传感器：

反射式光电传感器也是集发射器与接收器于一体，但与漫射式光电传感器不同的是其前方装有一块反射板。当反射板与发射器之间没有物体遮挡时，接收器可以接收到光线，开关不动作，如下图（a）所示。当被测物体遮挡住反射板时，接收器无法接收到发射器发出的光线，传感器产生输出，开关动作，如下图（b）所示：

对射式光电传感器：

对射式光电传感器的发射器和接收器是分离的。在发射器与接收器之间如果没有物体遮挡，发射器发出的光线能被接收器接收到，开关不动作，如图（a）所示。当有物体遮挡时，接收器接收不到发射器发出的光线，传感器产生输出信号，开关动作，如图（b）所示。这种光电传感器能辨别不透明的反光物体，有效距离大。因为发射器发出的光束只跨越感应距离一次，因此不易受干扰，可以可靠地用于野外或者粉尘污染较严重的环境中。

根据传感器的结构和安装支架的结构，要完成安装，首先要将传感器连接导线按下图a所示从孔中穿过，再将传感器的固定孔和安装支架上的安装孔对准后，插入螺丝并固定，传感器就固定在支架上了。参考的具体安装方法和步骤如下图所示。

光纤传感器：

光导纤维是利用光的完全内反射原理传输光波的一种介质，它是由高折射率的纤芯和包层所组成。包层的折射率小于纤芯的折射率，直径大致为0.1mm～0.2mm。当光线通过端面透入纤芯，在到达与包层的交界面时，由于光线的完全内反射，光线反射回纤芯层。这样经过不断的反射，光线就能沿着纤芯向前传播且只有很小的衰减。光纤式传感器就是把发射器发出的光线用光导纤维引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到接收器来实现检测的。按动作方式的不同，光纤式传感也可分为对射式、漫反射式等多种类型。光纤式传感器可以实现被检测物体在较远区域的检测。由于光纤损耗和光纤色散的存在,在长距离光纤传输系统中,必须在线路适当位置设立中级放大器,以对衰减和失真的光脉冲信号进行处理及放大。

光纤传感器使用注意事项：

1）不能安装在以下场所：阳光直射处，湿度高、可能会结霜处，有腐蚀性气体处，对本体有直接振动或冲击影响处；

2）电力线、动力线与光电开关使用同一配线管或者配线槽时，会由于感应引起误动作或者产品损坏，原则上请分开配线或者使用屏蔽线。

3）导线的延长请使用0.3mm以上的线，并控制在100m以下；

4）电源接通后，经过200ms以上才可以进行检测，负载与光纤传感器的电源分开时，请一定要先接通光纤传感器的电源；

5）在切断电源时会发生输出脉冲情况，所以要先切断负载或负载线的电源；

6）使用接插件式时，为了防止触电或短路，请在不使用的连接电源端子上贴上保护用贴片；

7）放大器拆卸和安装时请一定要切断电源；

8）请不要在光纤单元固定于放大器单元的状态下施加拉伸、压缩等动作；

9）在使用时一定要确保保护罩已盖好；

10）不要使用香蕉水、汽油、丙酮、灯油类进行清洁。

光纤传感器的拆装：

光纤传感器由放大器单元、光纤单元和配线接插件单元三个组件组成，其安装相对电感式传感器、电容式传感器要复杂一些，下面分别介绍光纤传感器的三个组件的拆装。

1）放大器单元的安装

将光纤传感器放大器单元中与光纤单元相连接的一侧的钩爪嵌入固定导轨后，再压下直到挂钩完全锁定，如图所示。

放大器单元安装示意图

注意：务必将与光纤单元相连的一侧先嵌入导轨进行安装，逆向安装会导致安装强度下降。

2）放大器单元的拆卸

如下左图所示，压住1方向后，将光纤传感器插入部往2的方向提，即可将放大器单元拆卸下来。

3）配线接插件单元的安装

如上右图所示将配线插件单元插入放大器单元的母接插件中，直到发出“咔”的声音。

4）配线接插件单元的拆卸

滑动子接插件，如下左图所示，按下接插件的扳钮，使母/子接插件完全分离。

5）光纤单元的安装

如上右图所示，按1打开保护罩，按2打开锁定拨杆，按3将光纤插入放大器单元插入口并确保插到底部，再按4将锁定拨杆拨回原来位置固定住光纤，最后盖上保护罩。

注：光纤的插入位置要到位，具体位置要求如下左图所示。如不完全插入可能会引起检测距离下降。

6）光纤单元的拆卸

如上右图所示，打开保护罩，解除锁定扳钮，然后拔出光纤。

这种光纤传感器反射入光量与放大器入光量指示灯的关系如下图表所示。

磁性传感器：

磁性开关的工作原理：

磁性开关是流体传动系统中所特有的。磁性开关可以直接安装在气缸缸体上，当带有磁环的活塞移动到磁性开关所在位置时，磁性开关内的两个金属簧片在磁环磁场的作用下吸合，发出信号。当活塞移开，舌簧开关离开磁场，触点自动断开，信号切断。通过这种方式可以很方便地实现对气缸活塞位置的检测。

磁性开关的工作状态：

磁性传感器一般都是二线制传感器且有传感器指示灯。当传感器指示灯亮时，表示有信号输出，当指示灯熄灭时，表示传感器没有信号输出，因此我们可以通过指示灯的亮灭来观察传感器的工作是否正常。

从应用原理上，磁性传感器的种类主要有：

(1)磁电感应式传感器的特点

磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了广泛的应用。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

(2) 磁电感应式传感器的工作原理，分类与应用工作原理：根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。恒定磁通式磁电感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件，基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度，如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速；动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。

变磁通式磁电感应传感器中，线圈和磁铁都静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化，常用来测量旋转物体的角速度。如动画所示，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。

2、霍尔式传感器

(1) 霍尔传感器的特点

霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。

(2)霍尔传感器原理金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

(3)霍尔传感器的应用

维持I、q 不变，则EH=f（B），这方面的应用有测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等；维持I、B不变，则EH=f（q），这方面的应用有角位移测量仪等。维持q 不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。

(4) 霍尔传感器的选用注意事项

1．磁场测量。如果要求被测磁场精度较高，如优于±0.5％，那么通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度高，约为5—10mv/100mT.温度误差可忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较低，体积要求不高。如精度低于±0.5％时，最好选用硅和锗雹尔元件。

2．电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较高时。选用砷化镓霍尔元件，精度不高时，可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。

3．转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件替代电机的电刷，提高了使用寿命。

4．信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。

5．拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的阵感器灵敏度和线性度更佳。

3、磁阻效应传感器

磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。

上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。

磁性传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始数据进行精确可靠测量，无论是信号转换、信息处理及数据的显示与控制，都将无从谈起。没有精确可靠的传感器，就没有自动检测和控制系统。由此可见，磁性传感器起着巨大的作用。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑。

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