3.1　传感设备

我们首先关注传感或输入设备。从简单的热电偶到先进的视频系统，这些传感设备都有各种各样的形式和复杂性。物联网之所以能够快速增长，一个原因就是随着半导体制造和微机械加工技术的进步，这些传感系统的尺寸和成本已经大大降低。

3.1.1　热电偶和温度传感器

温度传感器是传感器产品中最普遍的形式，它们几乎无处不在。从智能恒温器到物联网冷藏物流，从冰箱到工业机械，它们普遍存在，而且很可能是物联网解决方案中你将接触到的第一个传感设备。

热电偶

热电偶（TC）是一种温度传感装置，它们不依赖激励信号工作。因此，它们产生非常小的信号（振幅通常为微伏）。不同材料的两根导线在温度测量取样处相遇，每种金属彼此独立地产生电压差，这种效应称为塞贝克电动效应，两种金属之间的电压差与温度存在非线性关系。

电压的大小取决于所选的金属材料，电线的末端必须与系统进行热隔离，这一点非常重要（并且电线需要处于相同的受控温度下）。在图3-1中，你将看到一个阻热块，其温度由传感器控制。这通常通过冷端补偿技术来控制，其中温度是变化的，但可以通过块传感器进行精确测量。

当对电压差进行采样时，软件通常会提供一个查询表，根据所选金属的非线性关系导出温度。

热电偶通常应用于简单测量。由于细微杂质会影响导线成分，并导致与查找表不匹配，因此系统的精度也会有所不同，可能需要精密级热电偶，但成本较高。

另一个影响是老化。由于热电偶通常用于工业环境中，高热环境会导致传感器的精度随着时间的推移降低。因此，物联网解决方案必须考虑传感器生命周期内的变化。

热电偶适用于较宽的温度范围，对不同的金属组合进行颜色编码，并按类型标记（例如，E、M和PT-PD等）。一般来说，这些传感器适用于长引线的远距离测量，通常用于工业和高温环境。

图3-2显示了各种热电偶金属类型及其在不同温度范围内的能量线性关系。

电阻式温度检测器

电阻式温度检测器（Resistance Temperature Detector，RTD）在很窄的温度范围内工作，但其相比热电偶（低于600摄氏度）具有更好的精确度。它们通常用非常细的铂丝紧紧包裹在陶瓷或玻璃上。这样就形成了电阻与温度的关系。因为电阻式温度检测器是基于电阻的测量，所以需要一个励磁电流来操作它（1毫安）。

电阻式温度检测器的电阻遵循预定的斜率，它有一个基准电阻，200 PT100电阻式温度检测器的斜率为0.00200欧姆/摄氏度，范围为0～100摄氏度。在这个范围内（0～100摄氏度），斜率将是线性的。电阻式温度检测器有两线、三线和四线封装，四线模型用于高精度校准系统。电阻式温度检测器通常与桥式电路一起使用，以提高分辨率，并通过软件将结果线性化。图3-3显示了绕线电阻式温度检测器的设计和形状。

电阻式温度检测器很少在600摄氏度以上使用，这限制了其在工业中的应用。在高温下，铂可能被污染，从而导致不正确的结果。然而，当在其规定温度范围内测量时，电阻式温度检测器相当稳定和准确。

热敏电阻

最后一个温度传感设备是热敏电阻，它们也是基于电阻的关系型传感器（如电阻式温度检测器），但在给定温度下比电阻式温度检测器产生更高幅度的变化，基本上，这些电阻是根据温度变化的。它们也被用在电路中，以减少涌入电流。电阻式温度检测器与温度变化呈线性关系，而热敏电阻与其呈高度非线性关系，适用于温度小范围狭窄且需要高分辨率的场合。热敏电阻有两种类型：NTC，电阻随温度升高而减小；PTC，电阻随温度升高而增大。热敏电阻使用陶瓷或聚合物，而金属是电阻式温度检测器的基础。

热敏电阻广泛应用于医疗器械、科学设备、食品处理设备、孵化箱和家用电器（如恒温器）中。

温度传感器概要

表3-1重点介绍了不同温度传感器的使用情况和优点。

通常，热电偶用于测量工业应用和用户加热（如窑或熔炉）中的温度。这需要电子设备快速响应，以便在极端温度环境下进行实时调整。热敏电阻用于一般温度传感，如普通的蓝牙或Zigbee传感器、数字温度计、电动机、火警、冷库和冰箱。

3.1.2　霍尔效应传感器和电流传感器

霍尔效应传感器由一条有电流经过的金属带组成。通过磁场的带电粒子流会使光束偏离直线。如果一个导体被放置在垂直于电子流的磁场中，那么它将聚集电荷载流子，并在金属带的正极和负极之间产生电压差。这将产生一个可以测量的电压差。这个差值称为霍尔电压，这是霍尔效应产生的原因。如图3-4所示，如果在磁场中向金属带施加电流，那么电子将被吸引到金属带的一侧，而空穴则被吸引到另一侧（见曲线）。这将产生一个可以测量的电场。如果磁场足够强，它将抵消磁力，电子将沿着直线运动。

电流传感器利用霍尔效应测量系统的交流和直流电流。电流传感器有两种形式：开环和闭环。闭环传感器比开环传感器更昂贵，通常用于电池供电的电路中。

霍尔传感器的典型用途包括位置传感、磁强计、高可靠性开关和水位检测。它们被用于工业传感器，以测量不同机器和电机的转速。此外，这些设备成本很低，并且能承受恶劣的环境条件。

3.1.3　光电传感器

光和光强度的检测被用于许多物联网传感器设备，如安全系统、智能开关和智能街道照明。顾名思义，光敏电阻的电阻随光强度的变化而变化，而光电二极管则将光转换成电流。

光敏电阻是用高电阻半导体制造的。当其吸收的光足够多时，电阻减小。在黑暗中，光敏电阻可以有相当高的电阻（在兆欧范围内）。半导体吸收的光子允许电子跳到导电带上导电。光敏电阻对波长敏感，具体取决于它们的类型和制造商。光电二极管是具有p-n结的真正的半导体。这种装置通过产生一个电子–空穴对响应光照。

空穴向阳极移动，电子迁移到阴极，产生电流。传统的太阳能电池以这种光伏模式工作，产生电能。如果有必要，也可以在阴极上使用反向偏压，以改善时延和响应时间。表3-2对比了光敏电阻和光电二极管。

3.1.4　PIR传感器

热释电红外（Pyroelectric InfraRed，PIR）传感器包含两个插槽，填充了对红外辐射和热产生反应的材料。典型的用例是安全性或热体运动。在最简单的形式中，菲涅耳透镜位于PIR传感器的顶部，使两个插槽均形成向外扩展的弧线。这两条弧线形成了检测区域。当一个热体进入或离开其中一个弧线时，它会产生一个信号并进行采样。PIR传感器使用一种晶体材料，当受到红外辐射时会产生电流。场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET）检测电流的变化并将信号发送到放大单元。PIR传感器在8～14微米的范围内响应良好，这是人体的典型特征。

图3-5说明了检测两个区域的两个红外区域。虽然这在某些情况下是可以的，但通常我们需要检查整个房间或区域的移动或活动。

要用单个传感器扫描更大的区域，需要多个菲涅耳透镜将房间各区域的光线汇聚起来，从而在PIR阵列上创建不同的区域。这也有将红外能量汇聚到离散场效应晶体管区域的效果。通常，这样的设备允许架构师控制灵敏度（范围）和保持时间。

保持时间是指从检测到一个物体在PIR路径上移动到输出运动事件的时间，保持时间越短，输出的事件就越多。

图3-6显示了一个典型的PIR传感器，其菲涅耳透镜以固定焦距聚焦在基板上。

3.1.5　激光雷达和主动传感系统

本节将介绍主动传感系统。我们已经讨论过许多简单地响应环境变化的被动传感器。主动传感涉及广播信号，该信号被用来测量空间或时间上的环境。虽然这一领域很广，但我们将重点介绍激光雷达，它是主动传感系统的基础。

LiDAR（激光雷达）是光探测和测距（Light Detection And Ranging）的缩写。这种传感器通过测量激光脉冲在目标上的反射来测量到目标的距离。当PIR传感器将检测到一个范围内的运动时，激光雷达就能够测量一个范围。这个过程在20世纪60年代首次被证明，现在广泛应用于农业、自动化和自动驾驶车辆、机器人、监控和环境研究。这种类型的主动传感机器也能分析任何穿过其路径的东西。它们被用来分析气体、大气、云的形成和成分、微粒、移动物体的速度等。

激光雷达是一种主动传感技术，它可以发射激光能量。当激光击中物体时，一部分能量将被反射回激光雷达发射器。所用的激光器的波长一般为600～1000纳米，相对便宜。为了防止眼睛受伤，能量会受到限制。有些激光雷达装置在1550纳米的范围内工作，因为这个波长不能被眼睛聚焦，所以即使在高能量下也不会造成伤害。

激光雷达系统甚至可以从卫星上进行远距离扫描。这种激光器每秒产生15万个脉冲，将物体反射回光电二极管阵列。该激光装置还可以通过旋转镜扫描场景，以建立环境的全面三维图像。广播的每个波束代表一个角度、飞行时差（Time-of-Flight，ToF）测量值和一个GPS位置。这样可以使光束形成一个具有代表性的场景。

计算到对象的距离的方程相对简单：

激光雷达和其他主动传感器的工作方式类似（如图3-7所示）。每一个都有一个代表性的广播信号，返回到传感器以构建图像或指示事件已经发生。这些传感器比无源传感器更复杂，而且需要更多功率、成本和使用面积。

3.1.6　MEMS传感器

微电子机械系统（MEMS）自20世纪80年代首次生产以来就已进入工业领域，然而，第一个MEMS压力传感器可追溯到20世纪60年代，当时的科莱特半导体产品有限公司开发了一种压阻式压力传感器。

基本上，它们包含了与电子控制装置相互作用的微型机械结构。通常，这些传感器在1～100微米的几何尺寸范围内。与本章中提到的其他传感器不同，MEMS机械结构可以旋转、拉伸、弯曲、移动或改变形状，进而影响电信号。这是由一个特定的传感器捕捉和测量的信号。

MEMS设备是在典型的硅制造工艺中使用多个掩模、光刻、沉积和蚀刻工艺制造的。然后，MEMS硅芯片与其他组件（如运算放大器、模数转换器和支持电路）封装在一起。通常，MEMS设备将在相对较大的1～100微米范围内被制造，而典型的硅结构是在28纳米或以下制造的。该工艺包括薄层沉积和蚀刻，以创建MEMS设备的三维结构。

除了传感器系统之外，MEMS设备还可以在喷墨打印机和数字光处理器（Digital Light Processor，DLP）投影机等现代高架投影机的头部找到。将MEMS传感设备合成像针头一样小的封装的能力已经拥有，这将使物联网发展成数十亿个相连的事物成为可能。

MEMS加速度计和陀螺仪

加速度计和陀螺仪在当今许多移动设备（如计步器和健身跟踪器）中很常见，主要用于定位和运动跟踪。这些设备将使用MEMS压电元件产生电压以响应运动。

陀螺仪检测旋转运动，加速度计响应线性运动的变化。图3-8说明了加速度计的基本原理。通常，通过弹簧固定在校准位置的质心将对加速度的变化做出反应，而加速度的变化是通过MEMS电路中的不同电容测量的。质心在一个方向上的加速度变化时表现为静止状态。

加速度计将被合成，以响应多个维度（X, Y, Z）而不是一维，如图3-8所示。

陀螺仪的工作原理略有不同。陀螺仪不依赖对质心的运动响应，而是依赖旋转参考系的科里奥利效应。图3-9演示了这个概念。如果不增加速度，物体将沿弧线运动，而无法到达北向目标。向圆盘外缘移动需要额外的加速度才能保持向北的运动方向，这就是科里奥利加速度。在MEMS设备中，没有旋转盘，而是在硅衬底上的一系列MEMS装配环上施加一个谐振频率。

这些环是同心的，被切割成小的弧形。同心环允许更大的面积来测量旋转运动的精度。单环需要刚性支撑梁，而且不那么可靠。通过将圆环分拆成弧形，结构失去刚性，对旋转力更加敏感。直流电源产生的静电力在环内共振，而附在环上的电极负责检测电容器的变化。如果共振环受到扰动，则检测到科里奥利加速度。科里奥利加速度由以下方程定义：

a=-2ω×v

根据方程，在有旋转盘的情况下，加速度是系统的旋转角速度和旋转盘速度的乘积，如图3-9所示。在没有旋转盘的情况下，加速度是系统的旋转角速度和MEMS设备的谐振频率的乘积，如图3-10所示。给定一个直流电源，一个力改变了间隙大小和电路的总电容。外电极检测环中的偏转，而内电极提供电容测量。

陀螺仪和加速度计都需要电源和一个用于信号调节的运算放大器。经过调节后，输出信号可以由数字信号处理器进行采样。

这些设备可以在非常小的封装中合成，例如InvenSense MPU-6050，它在一个4毫米×4毫米×1毫米的体积中封装了一个六轴陀螺仪和加速度计。

该设备利用3.9毫安的电流，有利于低功率传感。

像InvenSense MPU-6050这样的设备通常用于游戏机、智能电视和智能手机。这使用户可以与设备有引人入胜的交互式体验。像这样的设备可以在三维空间中精确地跟踪用户的运动。

MEMS麦克风

MEMS设备也可用于声音和振动检测。这些类型的MEMS设备与前面介绍的加速度计有关。对于物联网部署，声音和振动测量在工业物联网和预测性维护应用中很常见。例如，在化学制造或离心机中，旋转或分离混合大量物料的混合物的工业机器需要精确的水平测量。MEMS声音或振动检测装置通常用于监测此类设备的健康和安全。

这种类型的传感器需要具有足够采样频率的模数转换器。此外，还需要一个放大器来加强信号。

MEMS麦克风的阻抗在几百欧姆左右（这需要仔细注意所使用的放大器）。MEMS麦克风可以是模拟的或数字的。模拟变量将偏向于一些直流电压，并连接到编解码器进行模数转换。数字麦克风的ADC靠近麦克风源，当编解码器附近有来自蜂窝网络或Wi-Fi信号的信号干扰时，这一点将很有用。

数字MEMS麦克风的输出可以是脉冲密度调制（Pulse Density Modulated，PDM）或以I2S格式发送。PDM是一种高采样率协议，能够从两个麦克风通道进行采样。它通过共享时钟和数据线，并在不同的时钟周期从两个麦克风中的一个进行采样来实现这一点。I2S的采样率不高，而且在音频速率（赫兹到千赫兹范围）下的抽取可以获得较好的质量。这仍然允许在采样中使用多个麦克风，但可能根本不需要ADC，因为采样发生在麦克风中。一个具有高采样率的PDM需要数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）来实现。

MEMS压力传感器

压力和应变计用于各种物联网部署，从智能城市监控基础设施到工业制造。它们通常用于测量流体和气体压力。传感器的核心是一个压电电路。将在压电基板上的空腔上方或下方放置一个膜片。基板是有弹性的，允许压电晶体改变形状。这种形状的变化与材料的电阻变化直接相关，如图3-11所示。

这种类型的传感器以及本章中列出的基于励磁电流的其他传感器，都依赖惠斯通电桥来测量变化。惠斯通电桥可以有两线、四线或六线的组合。当压电基板弯曲并发生电阻改变时，电压的变化通过电桥测量（如图3-12所示）。