在過去的幾十年中，計(jì)算機(jī)，軟件和計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。作為一名工程師，成為擁有巨大計(jì)算能力的時(shí)代的一部分非常令人著迷。最受歡迎的是個(gè)人計(jì)算機(jī)，筆記本電腦，智能手機(jī)和智能手表等手持設(shè)備。

沒有計(jì)算能力的幫助，就無法想象和過著生活。最好的部分是，我們?nèi)栽跒g覽這些看似智能的機(jī)器中處于休眠狀態(tài)的巨大計(jì)算潛力。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的出現(xiàn)，將計(jì)算技術(shù)帶入了一個(gè)新的高度，并重新定義了“智能”（smart）一詞（智能城市如何幫助建立一個(gè)更好的后泛濫世界），這很公平興奮才剛剛開始。

本文旨在回答以下問題：“傳感器如何感應(yīng)？” 并專注于傳感器工作的物理原理。

一、什么是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）？

工程師和科學(xué)家傾向于命名（為某物命名），以便新創(chuàng)造的術(shù)語不言自明。物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)術(shù)語沒有什么不同。

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)是涵蓋所有類型設(shè)備的保護(hù)傘。它們要么嵌入到系統(tǒng)中，要么作為單個(gè)實(shí)體存在。無論哪種方式，關(guān)鍵是它們通過Internet彼此通信（或交談）。每個(gè)這樣的設(shè)備都有一個(gè)嵌入式的發(fā)送器和接收器，可以實(shí)現(xiàn)使用互聯(lián)網(wǎng)的通信過程。

但是，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都不相同，不一定適合所有應(yīng)用程序。實(shí)際上，它們類似于我們?nèi)祟?。每個(gè)人都擅長(zhǎng)某事。您不能指望演員會(huì)駕駛飛機(jī)而飛行員會(huì)在電影中表演。同樣，您不能期望單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（和設(shè)備）可以完成所有任務(wù)。因此，工程師設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)來執(zhí)行不同的任務(wù)，以提供最佳的結(jié)果。

在現(xiàn)代企業(yè)中，客戶為王，所有行業(yè)都是如此。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師總是設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和交付物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以提供無縫的用戶體驗(yàn)。物聯(lián)網(wǎng)硬件產(chǎn)品開發(fā)： Vera Kozyr的操作方法，重申了所有利益相關(guān)者投入的時(shí)間和精力，從硬件產(chǎn)品的角度來創(chuàng)建端到端的即插即用樣式系統(tǒng)。

在探索IoT設(shè)備的內(nèi)部之前，區(qū)分設(shè)備和系統(tǒng)非常重要。

設(shè)備就像個(gè)人成員，而系統(tǒng)就像是涉及個(gè)人的團(tuán)隊(duì)。因此，設(shè)備是系統(tǒng)的一部分，反之亦然。

二、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成

任何系統(tǒng)都包含多個(gè)單獨(dú)的組件（和子組件），它們共同為實(shí)現(xiàn)一個(gè)共同的目標(biāo)而努力。此外，成為系統(tǒng)（團(tuán)隊(duì)）的一員可確保更高的生產(chǎn)率并獲得更好的結(jié)果。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要組件是：

感測(cè)物理量的傳感器

現(xiàn)場(chǎng)中央微控制器，控制傳感器和其他組件執(zhí)行的所有動(dòng)作

云數(shù)據(jù)分析和處理以分析和處理接收到的數(shù)據(jù)

發(fā)送器和接收器通過互聯(lián)網(wǎng)建立不同傳感器，傳感器和微控制器與中央云服務(wù)器之間的通信

用戶界面，可與用戶交流并執(zhí)行用戶指示的任務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器：通向現(xiàn)實(shí)世界的橋梁

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)很好的例子是智能手機(jī)，通常包括：

用于確定位置的全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊

溫度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫度

麥克風(fēng)可以感應(yīng)使用者的聲音，

接近傳感器可感測(cè)用戶與電話的距離并在通話過程中將其鎖定。

智能手機(jī)上的不同應(yīng)用程序使用不同的傳感器。例如，Google Maps具有一個(gè)用戶界面（一個(gè)應(yīng)用程序），可與GPS模塊進(jìn)行交互并收集位置坐標(biāo)。它通過互聯(lián)網(wǎng)連接處理數(shù)據(jù)，以幫助用戶路由到他/她的目的地。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是使用多個(gè)傳感器的IoT系統(tǒng)的另一個(gè)示例。BMS是保護(hù)和管理電池運(yùn)行的電子系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它是電池的個(gè)人看管人。我已經(jīng)在energyio.tech的文章“智能手機(jī)中的電池管理系統(tǒng)”中解釋了智能手機(jī)BMS的功能。

傳感器的作用就像計(jì)算世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的網(wǎng)關(guān)。因此，傳感器需要將其在現(xiàn)實(shí)世界中感測(cè)到的一切轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以理解的特殊內(nèi)容。

幸運(yùn)的是，兩個(gè)世界之間的共同紐帶是電能！

因此，我們得出了傳感器的技術(shù)定義–物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器會(huì)感應(yīng)到所需的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為直接或通過現(xiàn)場(chǎng)微控制器傳輸?shù)街醒朐品?wù)器的電信號(hào)。

IoT傳感器是IoT系統(tǒng)中使用的傳感器。

三、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS） 和 IoT傳感器的傳感機(jī)制

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一種微系統(tǒng)技術(shù)（MST），它由由半導(dǎo)體材料（如硅）組成的微小組件組成，其尺寸在微米范圍內(nèi)。

如果不是全部，大多數(shù)檢測(cè)機(jī)械能的傳感器都會(huì)以一種或另一種方式使用MEMS技術(shù)。加速度計(jì)是一個(gè)非常受歡迎的例子。這主要是由于快速增長(zhǎng)和對(duì)計(jì)算機(jī)的廣泛依賴。

由于MEMS技術(shù)的制造材料是半導(dǎo)體，因此主要優(yōu)點(diǎn)是可以將其嵌入到集成電路（IC）中。IC包括其他計(jì)算組件（也由半導(dǎo)體材料組成），它們作用于從傳感器接收的數(shù)據(jù)。

實(shí)際上，小尺寸和芯片集成極大地降低了成本。您可以以不到?250（$ 3.34）的價(jià)格購(gòu)買基于MEMS的加速度計(jì)。此外，基于MEMS的傳感器具有很高的靈敏度并可以檢測(cè)微小的變化，這是以前的產(chǎn)品無法想象的。

四、感應(yīng)機(jī)制的類型和工作原理

根據(jù)應(yīng)用，系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，感測(cè)不同的物理量，從而具有獨(dú)特的感測(cè)機(jī)制。MEMS技術(shù)中將物理變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的兩種最流行的傳感機(jī)制是：

基于電阻的傳感

電容式感應(yīng)

兩種類型的傳感機(jī)制都采用簡(jiǎn)單的原理-物理量的任何變化都可以通過傳感器中所用材料的電阻或電容的變化來捕獲。因此，物理量的較大變化表示材料的電阻或電容的較大變化，反之亦然。

兩種類型之間的主要區(qū)別在于兩種機(jī)制的工作方式。基于電阻的傳感系統(tǒng)很好地使用電阻，而基于電容的傳感系統(tǒng)則使用電容器。

如果您在本文之前沒有聽說過電阻器和電容器，請(qǐng)不要擔(dān)心。您可以閱讀它們之間的區(qū)別?？梢詫⑦@兩個(gè)組件視為兩個(gè)具有自己獨(dú)特特征的人。

五、基于電阻的傳感機(jī)制（使用MEMS技術(shù)）

一個(gè)多世紀(jì)以來，我們一直使用電阻電阻器來測(cè)量，分析，控制和觀察各種物理量。如前所述，每當(dāng)物理量（如壓力）發(fā)生變化時(shí)，電阻的變化量就決定了該變化量。

電阻的變化受光導(dǎo)效應(yīng)，半導(dǎo)體的熱阻效應(yīng)和壓阻效應(yīng)等物理原理控制。

通過物理幾何形狀的變化進(jìn)行感應(yīng)–材料的電阻取決于材料的幾何形狀，長(zhǎng)度和橫截面積。長(zhǎng)度或橫截面積的任何變化都將直接影響材料的電阻。

壓阻效應(yīng)–壓阻材料是一種特殊的材料，當(dāng)該材料發(fā)生機(jī)械變形（如推，拉或擠壓）時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化。因此，壓力，振動(dòng)和加速度測(cè)量IoT傳感器通常使用壓阻材料。

六、物聯(lián)網(wǎng)傳感器中使用的其他基于電阻的傳感機(jī)制

盡管基于MEMS的IoT傳感器對(duì)于機(jī)械，物理量非常有效，但電阻式傳感器檢測(cè)非機(jī)械量（如光和溫度）的操作卻不相同。因此，感測(cè)機(jī)制改變。

光感測(cè)–要檢測(cè)光，需要特殊的光敏材料。植物借助稱為感光體的特殊分子來檢測(cè)光。同樣，任何光敏傳感器都使用光敏電阻-一種電阻材料，其電阻隨著光強(qiáng)度的增加而降低。光敏電阻或俗稱LDR是一種非常流行的IoT傳感器，用于檢測(cè)光。

溫度感測(cè)–與光感測(cè)相似，溫度感測(cè)還需要能夠適應(yīng)環(huán)境溫度變化的材料。大多數(shù)溫度傳感器由熱敏電阻組成，該材料的電阻會(huì)隨著溫度的升高而降低。例如，用于防止現(xiàn)代鋰離子電池過度充電的參數(shù)之一是在熱敏電阻的幫助下檢測(cè)電池溫度。

化學(xué)傳感器–這些傳感器用于檢測(cè)特定的化學(xué)物質(zhì)。該傳感器包含一個(gè)傳感層，該傳感層由一種材料制成，只要它與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，其電阻就會(huì)改變。例如，許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用MQ系列（MQ9，MQ2，MQ7等）氣體傳感器。它可以檢測(cè)到各種類型的氣體，例如一氧化碳，液化石油氣和甲烷。

轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

可以說，第二受歡迎的科學(xué)方程式是歐姆定律（V = IR），在電流，電壓和電阻之間建立了直接關(guān)系。該法則的優(yōu)點(diǎn)在于，電阻的任何微小變化都可以瞬間轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流）。

因此，每個(gè)基于電阻的物聯(lián)網(wǎng)傳感器（包括MEMS技術(shù)）都直接或間接使用歐姆定律。

七、物聯(lián)網(wǎng)傳感器中基于電容的傳感機(jī)制

基于電容的傳感機(jī)制通過改變材料的電容來捕獲物理量的變化，并且像電阻一樣，也取決于材料的物理幾何形狀。

但是，幾乎所有基于電容的傳感系統(tǒng)都主要依賴于物理幾何形狀的變化-面積，距離以及材料的電容能力，這些電容由其可以存儲(chǔ)的電荷量來描述。

觸摸傳感器是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最常見的基于電容的傳感器之一。智能手機(jī)使用由眾多觸摸傳感器組成的觸摸屏。從本質(zhì)上講，它是一種壓力傳感器，可檢測(cè)物理觸摸產(chǎn)生的壓力/力。

當(dāng)屏幕受到物理觸摸刺激時(shí)，施加的壓力會(huì)改變面積或/和距離，從而觸發(fā)屏幕下方的電容值變化。

電容的這種變化就像電開關(guān)一樣，將電信號(hào)驅(qū)動(dòng)到下一級(jí)。圖3示出了觸摸傳感器的工作。

與使用歐姆定律的基于電阻的傳感系統(tǒng)類似，基于電容的系統(tǒng)具有其自身的獨(dú)特關(guān)系，該關(guān)系將電容的變化映射到電壓和電流。不幸的是，數(shù)學(xué)方程式超出了本文的范圍。

電容與電阻感測(cè)

在電阻感測(cè)中，某些物理量（例如光和溫度）需要特殊類型的材料。這是一個(gè)福音，一個(gè)禍根！一方面，電阻變化對(duì)于所測(cè)量的量是唯一的。但另一方面，這種獨(dú)特性要求完全不同的測(cè)量/傳感程序。

取而代之的是，大多數(shù)基于電容的傳感系統(tǒng)都保持統(tǒng)一的傳感程序，因?yàn)樽兓饕怯捎谖锢韼缀涡螤畹淖兓４送?，與電阻式電阻相比，它們相對(duì)較新，并且目前僅限于使用MEMS技術(shù)感測(cè)機(jī)械系統(tǒng)。

結(jié)論

我希望我能夠解釋物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中一些常用傳感器的工作原理。此外，傳感器設(shè)計(jì)制造只是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。該系統(tǒng)必須有效處理接收到的數(shù)據(jù)，并通過滿足用戶需求提供以應(yīng)用程序?yàn)?a target="_blank">中心的結(jié)果。

就目前而言，物聯(lián)網(wǎng)傳感器已滲透到制造業(yè)并實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)手動(dòng)操作的自動(dòng)化，從而形成了一個(gè)全新的分支，稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）。

與個(gè)人計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)不同，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚未在我們的生活中實(shí)現(xiàn)巨大的轉(zhuǎn)變。在此之前，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)需要繼續(xù)發(fā)展。
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