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傳感器技術在物流行業會發揮越來越重要的作用

發布日期 2019-05-28
物聯網 (IoT) 無處不在,雖然它功能強大,但也帶來了一些挑戰。每個感測元件按定義都是個電子器件,而所有電子器件的共通之處就是需要電源才能工作。

無論是有線聯接乃至是時而更換的紐扣電池,為傳感器供電相對都比較容易。但是,由於物聯網的傳感器部署範圍遠且廣,許多不能提供電源、需長期監測、電池不易更換或者易燃易爆等危險場合的應用, 必須採用無源傳感器來實現測量。

在無線傳感器網絡應用中, 由於節點數量多和分布範圍大, 電池更換問題也難以解決。 因此, 能夠自供能的無源傳感器具有廣氾的應用前景, 也是目前國內外研究的熱點。

微型無源傳感器
無源傳感器不能直接轉換能量形式,但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。

其“對象”可以是固體、液體或氣體,而它們的狀態可以是靜態的,也可以是動態(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的,也可以是化學性質的。按照其工作原理,傳感器將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量,然後將此電信號分離出來,送入傳感器系統加以評測或標示。

有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程

低功耗大規模集成電路(VLSI) 設計的進步, 電源管理技術的應用可以將微型傳感器及低功耗數字信號處理器的功耗控制在 1mW 以下 。 如此低的功耗使收集週圍環境能量為微型傳感器及其他電子器件供電( 即自供能技術) 成為可能。

光能、電磁輻射、溫度變化( 溫差) 、人體運動能量、振動源等都是潛在的能量源。可將常用的自供電能源按類型分為三大類:動能、輻射能、熱能。

1、動能
動能是廣氾存在且容易獲得的能源之一。 通常利用一個與週圍環境振動主頻率發生諧振的質量塊收集振動能量。 研究人員將振動模型簡化, 得出了各種振動參數對輸出功率的影響。
(1)輸出功率與振動源幅度平方及質量塊質量成正比;
(2)在給定激勵條件下, 輸出功率與振動頻率成反比。

機電能量轉換有 3 種典型的方法:電磁感應方法、靜電( 電容) 轉換、壓電轉換。 電磁感應機電轉換裝置, 當線圈垂直于恆定磁場運動時, 線圈產生電壓輸出;可變電容轉換有兩種不同方式:電壓約束方式和電荷約束方式。 由平板電容間電壓公式可知, 當電極板上電荷量 Q 或者電壓 V 保持不變時, 減小或者增加板間距離或極板長寬都可以提高輸出電壓,獲得能量.當受到外部簡諧激勵時, 可得到簡諧的開路電壓。

現有技術條件下,線圈上的 開路電壓在 15~30mV 左右, 需要一個轉換比量級在 10的變壓器才能用作電源。 靜電轉換可以直接產生 2V 至几伏電壓, 可以方便地和微機電系統結合。 但靜電轉換需要一個獨立電壓源初始化轉換過程。 而壓電轉換不需要, 且發生電壓較高, 無需變壓器。 壓電轉換 缺點是實現微型化及和微電子集成存在困難。

2、輻射能
輻射能( 如太陽光和電磁波) 無處不在。 中午地表太陽直射下太陽能電池能夠得到約 100mWcm﹣的能量密度,但是陰天和室內的太陽能電池獲得的能量密度較低。太陽能是目前最為成熟的技術, 其電壓穩定, 可直接為微傳感器供電。

某些特殊應用中, 通過發射電磁能, 接收端以特定方法耦合后使用, 如正廣氾使用的射頻識別( RF ID) 系統。 其次, 可通過設計新換能器或者應用新材料提高磁電轉換的電壓和功率, 如超磁致伸縮材料與壓電材料復合能得到較高磁電轉換係數, 有可能用於電磁能收集。

3、熱 能
自然界存在各種不同的熱源, 通常利用熱源存在或者發生的溫度差實現熱能收集。 由卡諾循環原理可知溫差 ⊿T 限制了卡諾效率, 即溫差電 轉換效率。有報道一種微型熱電偶設備, 可從20°C溫差產生 20μW 的功率。 但是在微小範圍內, 一個較大溫差是罕見的。

無源傳感器的技術發展
無源傳感器可以有效解決因使用電池及電源帶來的各種問題,但也面臨着一些急需改進優化的技術問題。
基於聲表面波的無源傳感器探測範圍廣、靈敏度高,但其無線信號傳輸距離有限,一般僅為 20 m 以內;壓電材料能夠產生較大的輸出電壓,但由於材料內阻較大,因此輸出電流極小,僅能驅動一些微功率的傳感器模塊;基於熱電材料的無源傳感器的輸出功率可以滿足絕大部分傳感器系統的供電需求,且由於使用了射頻芯片,無線信號 傳輸距離在 100 m 左右,但由於熱電材料對溫差要求嚴格,一般只適用於有熱源存在的場合。

關於未來無源傳感器的研究,應加強對多功能、長壽命、靈敏度高、監控距離遠無源傳感器的核心元件設計、加工製作及其組網技術的研究,突破無源傳感器件用新型高性能智能傳感材料的開發及其應用關鍵技術,實現多功能集成、高精度、高靈敏度、長壽命無源傳感器的自主研發與國產化應用推廣。
隨着自供能技術的進一步研究和深入發展, 自供能技術將在如下方向取得進展:
(1)低功耗集成電子技術及 電源管理的發展將極大地降低微型傳感器的功耗。
(2)通過新的換能器設計或者新材料的應用將進一步提高能量轉換效率和功率。
(3)幾種收集方式結合將提高不同條件下收集能量的能力。 可以預見, 各種功能的無源傳感器在物聯網時代會在各個領域大顯身手。



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