1.5 物體狀態(tài)與特性的識(shí)別

1.5.1 物聯(lián)網(wǎng)中的信息獲取與管理

傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐，它是由各種傳感器組成的信息獲取的網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)感知和獲取信息的主要手段。作為物聯(lián)網(wǎng)中獲取信息的感知層，是物聯(lián)網(wǎng)的最底層，它與其他兩層的關(guān)系如圖1-7所示，圖中橢圓虛線內(nèi)為通常所說的感知層。其功能是完成對(duì)相關(guān)信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集。中間層為傳輸層，主要完成有線和無線的入網(wǎng)的接入，實(shí)現(xiàn)信息的分發(fā)與傳送；最上一層為應(yīng)用層，是將收集到的各種信息處理后，由應(yīng)用平臺(tái)控制指令發(fā)送到控制器，供用戶使用。故通常稱為應(yīng)用層。

1.5.2 傳感器

傳感器是一種能把被測(cè)量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。應(yīng)當(dāng)指出，這里所謂的“可用信號(hào)”是指便于處理、傳輸?shù)男盘?hào)，一般為電信號(hào)，如電壓、電流、電阻、電容、頻率等。社會(huì)進(jìn)步到今天，人們周圍使用著各種各樣的傳感器：電冰箱、微波爐、空調(diào)機(jī)有溫度傳感器；電視機(jī)有紅外傳感器；錄像機(jī)和攝像機(jī)有濕度傳感器、光傳感器；液化氣灶有氣體傳感器；汽車有速度、壓力、濕度、流量、氧氣等多種傳感器，這些傳感器的共同特點(diǎn)是利用各種物理、化學(xué)、生物效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)量的測(cè)量?？梢姡趥鞲衅髦邪鴥蓚€(gè)必不可少的概念：一是檢測(cè)信號(hào)；二是能把檢測(cè)的信息變換成一種與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的而且便于傳輸和處理的量。例如，傳聲器（話筒）就是這種傳感器，它感受聲音的強(qiáng)弱，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)；氣體傳感器感受空氣環(huán)境中氣體濃度的變化；電感式位移傳感器能感受位移量的變化，并把它們轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。傳感器的一般分類方法如圖1-8所示。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7665—1987《傳感器通用術(shù)語》中，傳感器被定義為：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。”原機(jī)械工業(yè)部在其制定的《過程檢測(cè)控制儀表術(shù)語》中對(duì)傳感器的定義是：“借助于檢測(cè)元件接收物理量形式的信息，并按一定規(guī)律將它轉(zhuǎn)換成同樣或別種物理量形式的信息儀表?！薄缎马f氏大詞典》中的定義是：“傳感器是從一個(gè)系統(tǒng)接收功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件?！?/p>

傳感器常見的分類方法對(duì)不同領(lǐng)域、不同行業(yè)對(duì)傳感器的分類有可能不同，因?yàn)槌砂偕锨ХN傳感器進(jìn)行分類本身就是一門科學(xué)。但對(duì)傳感器進(jìn)行分類將有助于從總體上認(rèn)識(shí)和掌握傳感器，而且對(duì)傳感器的開發(fā)與應(yīng)用都是很有意義的。由于傳感器的種類繁多，一種被測(cè)量，可以用不同的傳感器來測(cè)量，而且傳感器應(yīng)用的原理又各種各樣，同一原理的傳感器，又可以測(cè)量多種被測(cè)量。因此，對(duì)傳感器的分類是仁者見仁，智者見智。

1.5.3 性能評(píng)價(jià)與選用原則

（1）傳感器的性能及其評(píng)價(jià)方法

理論直線法通常取零點(diǎn)作為理論直線的零點(diǎn)，滿量程輸出作為終點(diǎn)，這兩點(diǎn)的連線即為理論直線。所以理論直線與實(shí)際測(cè)試點(diǎn)無關(guān)。端點(diǎn)直線法是將傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)的零點(diǎn)輸出平均值和滿量程輸出平均值連成的直線作為擬合直線，這是一條特殊形式的理論直線。

最佳直線法是指使實(shí)際輸出特性相對(duì)于所選擬合直線的最大正偏差等于最大負(fù)偏差的一條直線作為擬合直線。最小二乘法直線法是按最小二乘原理求取擬合直線，該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。靈敏度S是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出量增量與被測(cè)輸入量增量之比，即

顯然，線性傳感器的靈敏度是擬合直線的斜率；非線性傳感器的靈敏度，通常也是用擬合直線的斜率表示的，非線性特別明顯的傳感器靈敏度可以用dy/dz表示，或用某一小（輸入量）區(qū)間內(nèi)擬合直線的斜率表示。

遲滯（滯后）特性是反映傳感器正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐踢^程中，輸出—輸入曲線的不重合程度，也就是說，對(duì)應(yīng)同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正反行程的輸出信號(hào)的大小卻不相等，這就是遲滯現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是傳感器機(jī)械部分存在不可避免的缺陷，如軸承摩擦、間隙、緊固件松動(dòng)、材料的內(nèi)摩擦、積塵等。實(shí)際評(píng)價(jià)用正反行程輸出的最大偏差 max（ΔR）與滿量程輸出YFS的百分比來表示，即

重復(fù)性是衡量傳感器在同一工作條件下，輸入量按同一方向作全量程連續(xù)工作多次變動(dòng)時(shí)，所得特性曲線間一致程度的指標(biāo)。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性就越好。重復(fù)性的好壞與許多隨機(jī)因素有關(guān)，具有隨機(jī)誤差，要按統(tǒng)計(jì)規(guī)律來確定，用標(biāo)定曲線間最大偏差max（ΔH）與滿量程輸出的百分比表示，即

分辨力是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)出被測(cè)輸入量的最小變化量。有時(shí)對(duì)該值用滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示，稱為分辨率。

閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的最小被測(cè)輸入量值，即零點(diǎn)附近的分辨能力。有的傳感器在零位附近有嚴(yán)重的非線性，形成所謂“死區(qū)”，則將“死區(qū)”的大小作為閾值；更多情況下，閾值主要取決于傳感器噪聲的大小，因而有的傳感器只給出噪聲電平。

穩(wěn)定性又稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性，即傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持其原性能的能力。用室溫條件下傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異來表示，有時(shí)也用標(biāo)定的有效值來表示。

漂移是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測(cè)輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移常包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。零點(diǎn)漂移或靈敏度漂移又分為時(shí)間漂移和溫度漂移，即時(shí)漂和溫漂。溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。

相間干擾只存在于（兩相或三相等）傳感器中，一般地說若給其中一相加載，其他各相的輸出應(yīng)為零，但實(shí)際上其他相的輸出端仍有信號(hào)輸出，二者比值的百分?jǐn)?shù)就是相間干擾。

靜態(tài)誤差是評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)特性的綜合指標(biāo)，指?jìng)鞲衅髟跐M量程內(nèi)，任意一點(diǎn)輸出值相對(duì)其理論值的可能偏離（逼近）程度。

（2）傳感器的動(dòng)態(tài)特性及其評(píng)價(jià)

動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可以分為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性和瞬態(tài)響應(yīng)特性。

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性是指?jìng)鞲衅髟谡穹€(wěn)定不變的正弦形式非電量的作用下的響應(yīng)特性。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的重要性，在于工程上所遇到的各種非電量變化曲線都可以展成傅里葉級(jí)數(shù)或進(jìn)行傅里葉變換，即用一系列正弦曲線的疊加來表示原曲線。瞬態(tài)響應(yīng)特性是指?jìng)鞲衅髟谒沧兊姆侵芷诜请娏孔饔孟碌捻憫?yīng)特性。瞬變的波形多種多樣，一般只選幾種比較典型的規(guī)則波形，對(duì)傳感器進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)的分析。

截止頻率和通頻帶是指當(dāng)傳感器的對(duì)數(shù)幅頻特性曲線下降到零頻率值以下3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率。傳感器的幅值衰減-3dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為傳感器的通頻帶。

諧振頻率和固有頻率是指幅頻特性曲線在某一頻率處具有峰值，這個(gè)工作頻率就是諧振頻率，固有頻率是指在無阻尼時(shí)，傳感器的自由振蕩頻率。

傳感器標(biāo)定原則：為了達(dá)到標(biāo)定的目標(biāo)，標(biāo)定的基準(zhǔn)必須要有長(zhǎng)期穩(wěn)定而且精度高的基準(zhǔn)。精度的傳遞對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)際上也是確定傳感器的測(cè)量精度。在標(biāo)定傳感器時(shí)，必須要有比被標(biāo)定的傳感器精度高的標(biāo)準(zhǔn)器，該標(biāo)準(zhǔn)的精度還必須要由比它更高精度的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行定期的標(biāo)定，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器則需要更高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器來標(biāo)定。

互換性有些時(shí)候傳感器的標(biāo)定并不容易進(jìn)行，作為經(jīng)常使用的替換方法是對(duì)經(jīng)過一定時(shí)間工作的傳感器進(jìn)行更換。

動(dòng)態(tài)標(biāo)定用于確定傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定有兩個(gè)目的：一是了解傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，確定其性能指標(biāo)，改進(jìn)或更換傳感器或?qū)鞲衅鬟M(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，采用能夠?qū)?dòng)態(tài)誤差修正的技術(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理；二是當(dāng)傳感器的靜態(tài)靈敏度與動(dòng)態(tài)靈敏度不同，或者傳感器沒有靜態(tài)響應(yīng)（如壓電傳感器）時(shí)，對(duì)傳感器進(jìn)行靈敏度標(biāo)定。

傳感器種類繁多，動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法各異。下面介紹幾種常用的標(biāo)定方法。

1）沖擊響應(yīng)法具有所需設(shè)備少、操作簡(jiǎn)便、力值調(diào)整及波形控制方便的特點(diǎn)，因此被廣泛采用。

2）頻率響應(yīng)法比較直觀，精度比較高。但是需要性能優(yōu)良的參考傳感器，非電量正弦發(fā)生器的工作頻率有限，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。

3）階躍信號(hào)響應(yīng)法。階躍信號(hào)響應(yīng)法的原理是，當(dāng)傳感器受到階躍壓力信號(hào)作用時(shí)，測(cè)得其響應(yīng)，用基于機(jī)理分析的估計(jì)方法或?qū)嶒?yàn)建模方法求出傳感器的頻率特性、特征參數(shù)和性能指標(biāo)。

（3）傳感器的選用原則

傳感器的選擇方法：現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量測(cè)量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。

測(cè)試條件與目的：主要考慮被測(cè)量的選擇、測(cè)量范圍、過載的發(fā)生頻度、測(cè)量要求精度、測(cè)量時(shí)間和輸入信號(hào)的頻帶等。

傳感器的性能：主要考慮精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出信號(hào)類型（模擬或數(shù)字）、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和環(huán)境特性，傳感器的工作壽命或循環(huán)壽命、標(biāo)定周期、信噪比等。

傳感器應(yīng)用中的注意事項(xiàng)：每一個(gè)傳感器都有自己的性能和使用條件，因此對(duì)于特定傳感器的適應(yīng)性很大程度取決于傳感器的使用方法。傳感器的種類繁多，應(yīng)用場(chǎng)合也各種各樣，不可能將各種傳感器的使用方法及注意事項(xiàng)一一列舉。用戶在使用傳感器之前應(yīng)特別閱讀，消化說明書中的各項(xiàng)內(nèi)容。其中主要的使用方法和注意事項(xiàng)如下。

1）正確地選擇安裝點(diǎn)和正確安裝傳感器都是非常重要的環(huán)節(jié)。若安裝環(huán)節(jié)失誤，輕者影響測(cè)量精度，重者會(huì)影響傳感器的使用壽命，甚至損壞傳感器。安裝固定傳感器的方式要簡(jiǎn)單可靠。傳感器和測(cè)量?jī)x表必須可靠連接，系統(tǒng)應(yīng)有良好的接地，遠(yuǎn)離強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)，傳感器和儀表應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)腐蝕性物體和易燃易爆物品。

2）傳感器通過插頭與供電電源和二次儀表連接時(shí)，應(yīng)注意引線號(hào)不能接錯(cuò)、顛倒；連接傳感器與測(cè)量?jī)x表之間的連接電纜必須符合傳感器及使用條件的要求。儀器輸入端與輸出端必須保持干燥和清潔，傳感器不用時(shí)，應(yīng)保持傳感器插頭和插座的清潔。

3）精度較高的傳感器都需要定期校準(zhǔn)，一般來說，需要3～6周校準(zhǔn)一次。各種傳感器都有一定的過載能力，但使用時(shí)應(yīng)盡量不要超量程。在插拔儀表與外部設(shè)備連接線前，必須先切斷儀表及相應(yīng)設(shè)備電源。

4）傳感器不使用時(shí)，應(yīng)存放在溫度為10～35℃，相對(duì)濕度不大于85%，無酸、無堿和無腐蝕性氣體的房間內(nèi)。