你需要知道的物联网6大传感器原理

传感器(Sensor)是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。

本文讲解有关地磁传感器、脉搏传感器、气压传感器、加速度传感器电流传感器颜色传感器等6种在物联网应用中常见传感器的作用和原理,内容高度概括和浓缩,深入浅出。


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何谓传感器(Sensor)?

传感器(Sensor)是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。

人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动,设备也一样,根据传感器获得的信息进行控制或处理。

传感器收集转换的信号(物理量)有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。

这些利用了半导体的物质变化,除此之外,还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。

IoT与传感器

所有物体都连接互联网的IoT(Internet of Things:物联网)。

不仅智能手机、个人电脑等通信设备,还包括医疗设备、可穿戴式设备、车载、自然环境、基础设施等,所有物体都能联网共享信息,从而创造更便利、更安心、更安全的社会。

实现这些所不可缺少的是检测状态的“传感器”。

【IoT有关的术语定义】

IoT: Internet of Things("物体"的互联网),指传感器嵌入到周围物体中,进行联网,从而物体之间,物体与人之间可以相互通信的状态。

德国・工业4.0:  是德国政府提出的旨在提升制造业智能化水平的概念,也是工业、政府、学术界共同推进的国家项目。推出新的概念,旨在通过工厂物联网,创造新的价值。

M2M: Machine to Machine: 指不以人为媒介,通过物体之间联网,直接通信。<P2M: People to Machine   人向物体通信>,<M2P: Machine to People   物体向人通信>

工业互联网: GE(Generel Electric Company)为中心提倡的工业IoT战略。

地磁传感器

地球被磁场磁力所包围,这被称为地磁。

地磁传感器是检测地球磁力的传感器,也被称为“电子罗盘”。

地磁传感器可以通过检测地磁来检测方向。

【围绕地球的地磁】

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地磁传感器有X和Y两轴型以及添加了Z的三轴型,并测量各方向上的磁力值。

如果不考虑诸如简单罗盘之类的倾斜,则仅使用X轴和Y轴的值。当考虑倾斜时,需要将地磁传感器的3轴值与加速度传感器相结合,将其校正到正确的方向。

下图显示了地磁传感器水平旋转时X和Y值的分布。

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如果地磁传感器水平旋转,在不受周围磁场影响的理想情况下,输出分布图的圆心变为零。

然而,实际上中心因环境磁场的影响而移动,因此需要进行调整以将圆心移动到零。

地磁传感器导出的北极称为磁北(略偏离北极)。通过上述方程式计算该磁北的角度,可以容易知道方向。

各类磁传感器

磁传感器是一种旨在测量磁场的大小和方向的传感器。

根据目的不同有多种传感器,以下列举典型的传感器。

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基于霍尔效应测量磁通密度的传感器,输出与磁通密度成比例的电压。

它易于使用,主要用于非接触式开关应用,例如门和笔记本电脑等物体的打开和关闭检测。

MR传感器

MR(Magneto Resistance)传感器也被称为磁阻效应传感器,利用物体电阻因磁场变化来测量地磁大小的传感器。

灵敏度高于霍尔传感器,功耗更低,因此是一种使用更广泛的磁传感器。除了电子罗盘等地磁检测应用外,它还用于电机旋转和位置检测应用。

MI传感器

MI(Magneto Impedance)传感器是下一代磁传感器,采用特殊的非晶丝并应用了磁阻抗效应。

它的灵敏度比霍尔传感器高出10,000倍以上,并且可以高精度地测量地磁的微小变化。

可以应用于超低消耗电流的方位检测(电子罗盘),还可应用于室内定位、金属异物检测等高灵敏度特性的应用。

脉搏传感器

脉搏波是心脏发送血液时产生的血管的体积变化波形,监测该体积变化的检测器称为脉搏传感器。

首先,测量心率有四种方法,心电图、光电脉波法、血压测量法、心音描记法等。

其中的光电脉波法是使用脉搏传感器进行测量的方法。

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由于测量方法的不同,光电脉波法的脉搏传感器有透过型和反射型。

透过型通过向体表照射红外线或红光,测量随着心脏的脉动而变化的血流量的变化,作为透过身体的光的变化量来测量脉搏波。

该方法限于测量易于穿透的部分,例如指尖和耳垂。

反射型脉搏传感器

反射型脉搏传感器是向生物体照射红外线、红光、550nm左右波长的绿光,利用光电二极管或光电晶体管测量生物体反射的光。含氧血红蛋白存在于动脉血液中,具有吸收入射光的特性,因此通过检测随时间序列并随心脏搏动而变化的血流量(血管容积的变化),测量脉搏信号。

另外,由于是反射光的测量,因此不必像透过型那样限制测量部位。

[反射型脉搏传感器的原理]

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当使用红外线或红光测量脉搏波时,受到室外阳光中包含的红外线的影响,不能进行稳定的脉搏波测量。因此,建议仅将其用于室内或半室内应用。

在运动腕表等户外用途,血液中的血红蛋白的吸收率高,由于绿色光源较少受环境光的影响,我们将绿色LED作为照射光使用。

脉搏传感器的应用

通常,通过观察以下两点可以测量动脉血氧饱和度(SpO2)。通过脉搏传感器获得的波形的变动周期,观察心率(脉率);通过使用红外线和红光两个波长,来观察脉动(变化量)。

此外,作为脉搏传感器的应用,期望通过高速采样和高精度测量来获取诸如HRV分析(压力水平)、血管年龄等各种生命体征。

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气压传感器

气压传感器是检测大气压力的传感器。

根据要测量的压力值,压力传感器具有如下所示的各种材料和方法的传感器。

在这些压力传感器中,检测大气压力(用于气压检测)的传感器通常被称为气压传感器。

[使用的材料 - 按方式分类的压力传感器]

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气压传感器的典型示例是使用硅(Si)半导体的压阻式。

罗姆提供的气压传感器也是压阻式气压传感器。

压阻式气压传感器

压阻式气压传感器使用Si单晶板作为隔膜(压力接收元件),通过在其表面上扩散杂质形成电阻桥电路,将施加压力时产生的变形作为电阻值变化,来计算压力(气压)。

[压阻式气压传感器]


电阻率(电导率)因施加在该电阻上的压力而变化的现象称为压阻效应。罗姆的气压传感器IC将使用压阻式压力接收元件(隔膜结构和压阻集成在一起※MEMS),以及温度校正处理、控制电路等的集成电路(※ASIC)集成在一个封装里,可以轻松获得高精度的气压信息。

※ MEMS:Micro Electro Mechanical System(微机电系统)

在一个电路板上集成机械构成部件、传感器、执行机构(驱动部件)等的装置。

※ ASIC:Application Specific Integrated Circuit(专用集成电路)

它是一种集成电路,将多个电路功能组合成一个特定应用。

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加速度传感器

加速度是指单位时间内产生的速度,测量加速度的IC就叫加速度传感器。

通过测量加速度,可以测得物体的倾斜、振动等信息。

加速度单位为m/s2(※国际单位制SI)。

另外,单位G是以※标准重力(1 G = 9.806 65m/s2)为基准的加速度值。

还有用于检测地震震动的加速度的单位※Gal(CGS单位制)。

※ 国际单位制SI(法语:Système international d'unités)

由长度m、重量kg、时间s (MKS单位)组合而成的国际单位。

※ 标准重力

物体在重力作用下产生的加速度。物体在自由落体时,物体每单位时间内增加的速度值(9.806 65m/s2)。

※ Gal

CGS(长度cm、重量g、时间s为基准)单位制的加速度单位。被定义为SI单位制的1/100(1Gal=0.01 m/s2 )。

加速度传感器一般分为低G加速度传感器和高G加速度传感器,如下图所示。


电容式加速度传感器

罗姆集团加速度传感器是采用MEMS技术的电容式加速度传感器。

传感器元件由Si制成的固定电极、可动电极和弹簧构成。未施加加速度的状态下,固定电极和可动电极间的距离相同。施加加速度,则可动电极移位。由此与固定电极的位置关系发生变化,电极间容量发生变化。容量的变化通过※ASIC转化为电压,算出加速度。


【电容式原理】

※ ASIC

Application Specific Integrated Circuit(专用集成电路)

指将特定用途的多个电路功能集成到一起的集成电路。

电流传感器

何谓电流传感器?

电流传感器是指检测电路中流动的电流值的传感器。

电流的检测方法


【电流检测方法和特点】

电阻检测型将分流电阻引发的电压降转换为电流。安装简单而且价廉物美,操作简单,但缺点是电阻上的功率损耗会产生较大的发热量。磁场检测型<有铁芯>

根据电流线中流动的电流测量铁芯中产生磁场的大小,以此来测量电流值。这种方法无需接触,功率损耗较小,但铁芯较大,存在贴装面积大的课题。<无铁芯>

利用霍尔效应将流动电流周围产生的磁场转换为电压(霍尔电压)进行测量,以此来测量电流值。因为霍尔效应产生的电压较小,所以IC由霍尔元件和放大电路构成。因为需要将电流引入IC内,所以会产生功率损耗。

M1电流传感器

为了消除上述磁场检测型在安装难度(有铁芯)和功率损耗(无铁芯)方面的缺点,ROHM开发出了使用MI(Magneto Impedance)元件的磁场检测型非接触型电流传感器。

MI传感器作为使用特殊非晶丝,利用其磁阻抗效应的新一代传感器,其特点是具备超高灵敏度的磁性检测能力。

灵敏度远超霍尔元件,可高精度检测磁性的微小变化。因此,无需将电流引入封装内,也能以高精度进行非接触式电流检测(磁性检测)。


【电流传感器的结构比较(罗姆调查)】

综上所述,MI电流传感器可进行非接触式电流测量,功率损耗少,还能进一步缩小贴装面积。

颜色传感器

感光传感器(光传感器)中,检测R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)3原色的叫作颜色传感器。

颜色传感器通过光电二极管接收周围光线,检测RGB值。

颜色传感器的原理

向物体照射具有RGB成分的光,反射光的颜色成分会随物体的颜色发生改变。

例如,红色物体的反射光成分为红,黄色物体为红和绿、白色则包含红、绿、蓝全部成分。


【物体反射光颜色示意图】

由此可知,物体的颜色由物体反射的光色(R、G、B)成分的比例决定。

人眼是通过获取反射光成分来识别物体的颜色。

在漆黑的场所什么都看不见吧!这是因为没有照射光,反射光自然也不存在,所以看上去是漆黑一片。

与人眼一样,颜色传感器是使用光电二极管接收光线,通过计算接收到的R、G、B量的比例来识别颜色。

颜色传感器IC的结构

下图是颜色传感器IC的结构。内部搭载了彩色滤光片(Color filter)和红外截止滤光片(Ir cut filter)。

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【罗姆的代表性颜色传感器的简要结构】

下面比较了传感器在有无这些滤光片时的分光特性。

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【RGB分光特性示意图】

颜色传感器IC通过为内部传感器配备R、G、B各种颜色的滤光片,具备了较高的RGB分光特性,而且通过配备红外截止滤光片,具备了红外线去除特性,能高精度识别颜色。


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