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传感器技术在物流行业会发挥越来越重要的作用

发布日期 2019-05-28
物联网 (IoT) 无处不在,虽然它功能强大,但也带来了一些挑战。每个感测元件按定义都是个电子器件,而所有电子器件的共通之处就是需要电源才能工作。

无论是有线联接乃至是时而更换的纽扣电池,为传感器供电相对都比较容易。但是,由于物联网的传感器部署范围远且广,许多不能提供电源、需长期监测、电池不易更换或者易燃易爆等危险场合的应用, 必须采用无源传感器来实现测量。

在无线传感器网络应用中, 由于节点数量多和分布范围大, 电池更换问题也难以解决。 因此, 能够自供能的无源传感器具有广泛的应用前景, 也是目前国内外研究的热点。

微型无源传感器
无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。

其“对象”可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的,也可以是化学性质的。按照其工作原理,传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。

有源(a)和无源(b)传感器的信号流程

低功耗大规模集成电路(VLSI) 设计的进步,先进电源管理技术的应用可以将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功耗控制在 1mW 以下 。 如此低的功耗使收集周围环境能量为微型传感器及其他电子器件供电( 即自供能技术) 成为可能。

光能、电磁辐射、温度变化( 温差) 、人体运动能量、振动源等都是潜在的能量源。可将常用的自供电能源按类型分为三大类:动能、辐射能、热能。

1、动能
动能是广泛存在且容易获得的能源之一。 通常利用一个与周围环境振动主频率发生谐振的质量块收集振动能量。 研究人员将振动模型简化, 得出了各种振动参数对输出功率的影响。
(1)输出功率与振动源幅度平方及质量块质量成正比;
(2)在给定激励条件下, 输出功率与振动频率成反比。

机电能量转换有 3 种典型的方法:电磁感应方法、静电( 电容) 转换、压电转换。 电磁感应机电转换装置, 当线圈垂直于恒定磁场运动时, 线圈产生电压输出;可变电容转换有两种不同方式:电压约束方式和电荷约束方式。 由平板电容间电压公式可知, 当电极板上电荷量 Q 或者电压 V 保持不变时, 减小或者增加板间距离或极板长宽都可以提高输出电压,获得能量.当受到外部简谐激励时, 可得到简谐的开路电压。

现有技术条件下,线圈上的最大开路电压在 15~30mV 左右, 需要一个转换比量级在 10的变压器才能用作电源。 静电转换可以直接产生 2V 至几伏电压, 可以方便地和微机电系统结合。 但静电转换需要一个独立电压源初始化转换过程。 而压电转换不需要, 且发生电压较高, 无需变压器。 压电转换唯一缺点是实现微型化及和微电子集成存在困难。

2、辐射能
辐射能( 如太阳光和电磁波) 无处不在。 中午地表太阳直射下太阳能电池能够得到约 100mWcm﹣的能量密度,但是阴天和室内的太阳能电池获得的能量密度较低。太阳能是目前最为成熟的技术, 其电压稳定, 可直接为微传感器供电。

某些特殊应用中, 通过发射电磁能, 接收端以特定方法耦合后使用, 如正广泛使用的射频识别( RF ID) 系统。 其次, 可通过设计新换能器或者应用新材料提高磁电转换的电压和功率, 如超磁致伸缩材料与压电材料复合能得到较高磁电转换系数, 有可能用于电磁能收集。

3、热 能
自然界存在各种不同的热源, 通常利用热源存在或者发生的温度差实现热能收集。 由卡诺循环原理可知温差 ⊿T 限制了卡诺效率, 即温差电最大转换效率。有报道一种微型热电偶设备, 可从20°C温差产生 20μW 的功率。 但是在微小范围内, 一个较大温差是罕见的。

无源传感器的技术发展
无源传感器可以有效解决因使用电池及电源带来的各种问题,但也面临着一些急需改进优化的技术问题。
基于声表面波的无源传感器探测范围广、灵敏度高,但其无线信号传输距离有限,一般仅为 20 m 以内;压电材料能够产生较大的输出电压,但由于材料内阻较大,因此输出电流极小,仅能驱动一些微功率的传感器模块;基于热电材料的无源传感器的输出功率可以满足绝大部分传感器系统的供电需求,且由于使用了射频芯片,无线信号最大传输距离在 100 m 左右,但由于热电材料对温差要求严格,一般只适用于有热源存在的场合。

关于未来无源传感器的研究,应加强对多功能、长寿命、灵敏度高、监控距离远无源传感器的核心元件设计、加工制作及其组网技术的研究,突破无源传感器件用新型高性能智能传感材料的开发及其应用关键技术,实现多功能集成、高精度、高灵敏度、长寿命无源传感器的自主研发与国产化应用推广。
随着自供能技术的进一步研究和深入发展, 自供能技术将在如下方向取得进展:
(1)低功耗集成电子技术及先进电源管理的发展将极大地降低微型传感器的功耗。
(2)通过新的换能器设计或者新材料的应用将进一步提高能量转换效率和功率。
(3)几种收集方式结合将提高不同条件下收集能量的能力。 可以预见, 各种功能的无源传感器在物联网时代会在各个领域大显身手。



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