传感器供电 传感器及其工作原理

传感器及其工作原理

一、认识传感器

1.传感器

（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.

☞生活中的实例

（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.

2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.

☞敏感原件干簧管的结构及原理

如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.

3.传感器的特点

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.

4.传感器的分类

（1）按照其用途可分为：压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达传感器等.

（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.

（3）按其输出信号可分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号；

数字传感器——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）；

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（包括直接和间接转换）；

开关传感器—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.

（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.

☞几种传感器中的敏感元件

二、对敏感元件的认识

1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.

（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.

（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.

（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.

☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.

2.热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.

②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.

☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线

☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况

（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.

（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比

三、霍尔元件

1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.

2、霍尔电压

（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.

（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），

拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.

☞霍尔元件的分类

霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.

设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.

3、霍尔电势高低的判断

由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.

☞霍尔电势判断要点

在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.

4.霍尔元件的作用

一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.

☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.

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。

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。

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