傳感器技術(shù)在物流行業(yè)會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用
物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 無處不在，雖然它功能強(qiáng)大，但也帶來了一些挑戰(zhàn)。每個(gè)感測(cè)元件按定義都是個(gè)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(lián)接乃至是時(shí)而更換的紐扣電池，為傳感器供電相對(duì)都比較容易。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器部署范圍遠(yuǎn)且廣，許多不能提供電源、需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、電池不易更換或者易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合的應(yīng)用, 必須采用無源傳感器來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中, 由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多和分布范圍大, 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泛的應(yīng)用前景, 也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
微型無源傳感器
無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。
其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。
有源(a)和無源(b)傳感器的信號(hào)流程
低功耗大規(guī)模集成電路(VLSI) 設(shè)計(jì)的進(jìn)步， 電源管理技術(shù)的應(yīng)用可以將微型傳感器及低功耗數(shù)字信號(hào)處理器的功耗控制在 1mW 以下 。 如此低的功耗使收集周圍環(huán)境能量為微型傳感器及其他電子器件供電( 即自供能技術(shù)) 成為可能。
光能、電磁輻射、溫度變化( 溫差) 、人體運(yùn)動(dòng)能量、振動(dòng)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(dòng)能、輻射能、熱能。
1、動(dòng)能
動(dòng)能是廣泛存在且容易獲得的能源之一。 通常利用一個(gè)與周圍環(huán)境振動(dòng)主頻率發(fā)生諧振的質(zhì)量塊收集振動(dòng)能量。 研究人員將振動(dòng)模型簡(jiǎn)化, 得出了各種振動(dòng)參數(shù)對(duì)輸出功率的影響。
（1）輸出功率與振動(dòng)源幅度平方及質(zhì)量塊質(zhì)量成正比；
（2）在給定激勵(lì)條件下, 輸出功率與振動(dòng)頻率成反比。
機(jī)電能量轉(zhuǎn)換有 3 種典型的方法：電磁感應(yīng)方法、靜電( 電容) 轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換。 電磁感應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置, 當(dāng)線圈垂直于恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí), 線圈產(chǎn)生電壓輸出；可變電容轉(zhuǎn)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(dāng)電極板上電荷量 Q 或者電壓 V 保持不變時(shí), 減小或者增加板間距離或極板長(zhǎng)寬都可以提高輸出電壓，獲得能量.當(dāng)受到外部簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí), 可得到簡(jiǎn)諧的開路電壓。
現(xiàn)有技術(shù)條件下,線圈上的 開路電壓在 15~30mV 左右, 需要一個(gè)轉(zhuǎn)換比量級(jí)在 10的變壓器才能用作電源。 靜電轉(zhuǎn)換可以直接產(chǎn)生 2V 至幾伏電壓, 可以方便地和微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合。 但靜電轉(zhuǎn)換需要一個(gè)獨(dú)立電壓源初始化轉(zhuǎn)換過程。 而壓電轉(zhuǎn)換不需要, 且發(fā)生電壓較高, 無需變壓器。 壓電轉(zhuǎn)換 缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(shù), 其電壓穩(wěn)定, 可直接為微傳感器供電。
某些特殊應(yīng)用中, 通過發(fā)射電磁能, 接收端以特定方法耦合后使用, 如正廣泛使用的射頻識(shí)別( RF ID) 系統(tǒng)。 其次, 可通過設(shè)計(jì)新?lián)Q能器或者應(yīng)用新材料提高磁電轉(zhuǎn)換的電壓和功率, 如超磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合能得到較高磁電轉(zhuǎn)換系數(shù), 有可能用于電磁能收集。
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(fā)生的溫度差實(shí)現(xiàn)熱能收集。 由卡諾循環(huán)原理可知溫差 ⊿T 限制了卡諾效率, 即溫差電 轉(zhuǎn)換效率。有報(bào)道一種微型熱電偶設(shè)備, 可從20°C溫差產(chǎn)生 20μW 的功率。 但是在微小范圍內(nèi), 一個(gè)較大溫差是罕見的。
無源傳感器的技術(shù)發(fā)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，但也面臨著一些急需改進(jìn)優(yōu)化的技術(shù)問題。
基于聲表面波的無源傳感器探測(cè)范圍廣、靈敏度高，但其無線信號(hào)傳輸距離有限，一般僅為 20 m 以內(nèi)；壓電材料能夠產(chǎn)生較大的輸出電壓，但由于材料內(nèi)阻較大，因此輸出電流極小，僅能驅(qū)動(dòng)一些微功率的傳感器模塊；基于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(tǒng)的供電需求，且由于使用了射頻芯片，無線信號(hào) 傳輸距離在 100 m 左右，但由于熱電材料對(duì)溫差要求嚴(yán)格，一般只適用于有熱源存在的場(chǎng)合。
關(guān)于未來無源傳感器的研究，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)多功能、長(zhǎng)壽命、靈敏度高、監(jiān)控距離遠(yuǎn)無源傳感器的核心元件設(shè)計(jì)、加工制作及其組網(wǎng)技術(shù)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(fā)及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多功能集成、高精度、高靈敏度、長(zhǎng)壽命無源傳感器的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用推廣。
隨著自供能技術(shù)的進(jìn)一步研究和深入發(fā)展, 自供能技術(shù)將在如下方向取得進(jìn)展：
（1）低功耗集成電子技術(shù)及 電源管理的發(fā)展將極大地降低微型傳感器的功耗。
（2）通過新的換能器設(shè)計(jì)或者新材料的應(yīng)用將進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率和功率。
（3）幾種收集方式結(jié)合將提高不同條件下收集能量的能力。 可以預(yù)見, 各種功能的無源傳感器在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手。
無論是有線聯(lián)接乃至是時(shí)而更換的紐扣電池，為傳感器供電相對(duì)都比較容易。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器部署范圍遠(yuǎn)且廣，許多不能提供電源、需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、電池不易更換或者易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合的應(yīng)用, 必須采用無源傳感器來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中, 由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多和分布范圍大, 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泛的應(yīng)用前景, 也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
微型無源傳感器
無源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。
其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。
有源(a)和無源(b)傳感器的信號(hào)流程
低功耗大規(guī)模集成電路(VLSI) 設(shè)計(jì)的進(jìn)步， 電源管理技術(shù)的應(yīng)用可以將微型傳感器及低功耗數(shù)字信號(hào)處理器的功耗控制在 1mW 以下 。 如此低的功耗使收集周圍環(huán)境能量為微型傳感器及其他電子器件供電( 即自供能技術(shù)) 成為可能。
光能、電磁輻射、溫度變化( 溫差) 、人體運(yùn)動(dòng)能量、振動(dòng)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(dòng)能、輻射能、熱能。
1、動(dòng)能
動(dòng)能是廣泛存在且容易獲得的能源之一。 通常利用一個(gè)與周圍環(huán)境振動(dòng)主頻率發(fā)生諧振的質(zhì)量塊收集振動(dòng)能量。 研究人員將振動(dòng)模型簡(jiǎn)化, 得出了各種振動(dòng)參數(shù)對(duì)輸出功率的影響。
（1）輸出功率與振動(dòng)源幅度平方及質(zhì)量塊質(zhì)量成正比；
（2）在給定激勵(lì)條件下, 輸出功率與振動(dòng)頻率成反比。
機(jī)電能量轉(zhuǎn)換有 3 種典型的方法：電磁感應(yīng)方法、靜電( 電容) 轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換。 電磁感應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置, 當(dāng)線圈垂直于恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí), 線圈產(chǎn)生電壓輸出；可變電容轉(zhuǎn)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(dāng)電極板上電荷量 Q 或者電壓 V 保持不變時(shí), 減小或者增加板間距離或極板長(zhǎng)寬都可以提高輸出電壓，獲得能量.當(dāng)受到外部簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí), 可得到簡(jiǎn)諧的開路電壓。
現(xiàn)有技術(shù)條件下,線圈上的 開路電壓在 15~30mV 左右, 需要一個(gè)轉(zhuǎn)換比量級(jí)在 10的變壓器才能用作電源。 靜電轉(zhuǎn)換可以直接產(chǎn)生 2V 至幾伏電壓, 可以方便地和微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合。 但靜電轉(zhuǎn)換需要一個(gè)獨(dú)立電壓源初始化轉(zhuǎn)換過程。 而壓電轉(zhuǎn)換不需要, 且發(fā)生電壓較高, 無需變壓器。 壓電轉(zhuǎn)換 缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(shù), 其電壓穩(wěn)定, 可直接為微傳感器供電。
某些特殊應(yīng)用中, 通過發(fā)射電磁能, 接收端以特定方法耦合后使用, 如正廣泛使用的射頻識(shí)別( RF ID) 系統(tǒng)。 其次, 可通過設(shè)計(jì)新?lián)Q能器或者應(yīng)用新材料提高磁電轉(zhuǎn)換的電壓和功率, 如超磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合能得到較高磁電轉(zhuǎn)換系數(shù), 有可能用于電磁能收集。
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(fā)生的溫度差實(shí)現(xiàn)熱能收集。 由卡諾循環(huán)原理可知溫差 ⊿T 限制了卡諾效率, 即溫差電 轉(zhuǎn)換效率。有報(bào)道一種微型熱電偶設(shè)備, 可從20°C溫差產(chǎn)生 20μW 的功率。 但是在微小范圍內(nèi), 一個(gè)較大溫差是罕見的。
無源傳感器的技術(shù)發(fā)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，但也面臨著一些急需改進(jìn)優(yōu)化的技術(shù)問題。
基于聲表面波的無源傳感器探測(cè)范圍廣、靈敏度高，但其無線信號(hào)傳輸距離有限，一般僅為 20 m 以內(nèi)；壓電材料能夠產(chǎn)生較大的輸出電壓，但由于材料內(nèi)阻較大，因此輸出電流極小，僅能驅(qū)動(dòng)一些微功率的傳感器模塊；基于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(tǒng)的供電需求，且由于使用了射頻芯片，無線信號(hào) 傳輸距離在 100 m 左右，但由于熱電材料對(duì)溫差要求嚴(yán)格，一般只適用于有熱源存在的場(chǎng)合。
關(guān)于未來無源傳感器的研究，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)多功能、長(zhǎng)壽命、靈敏度高、監(jiān)控距離遠(yuǎn)無源傳感器的核心元件設(shè)計(jì)、加工制作及其組網(wǎng)技術(shù)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(fā)及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多功能集成、高精度、高靈敏度、長(zhǎng)壽命無源傳感器的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用推廣。
隨著自供能技術(shù)的進(jìn)一步研究和深入發(fā)展, 自供能技術(shù)將在如下方向取得進(jìn)展：
（1）低功耗集成電子技術(shù)及 電源管理的發(fā)展將極大地降低微型傳感器的功耗。
（2）通過新的換能器設(shè)計(jì)或者新材料的應(yīng)用將進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率和功率。
（3）幾種收集方式結(jié)合將提高不同條件下收集能量的能力。 可以預(yù)見, 各種功能的無源傳感器在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手。
