3.1　感知设备的描述

3.1.1　感知设备的类型

感知设备可以感受被测物体的物理量信息，并能将感受信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。常见的感知设备包括传感器、射频识别（RFID）标签、摄像头、GPS等。本节以传感器和RFID标签为例介绍感知设备的类型。

1. 传感器类型

国家标准GB/T 7665—2005中传感器的定义为：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

新一代智能传感器的特点包括微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的重要部分。传感器的存在和发展，使设备有了触觉、味觉和嗅觉等，并使设备慢慢活了起来。

根据基本感知功能，传感器通常分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件十大类，也可按其他分类方式进行划分。

（1）按用途分类。

可分为压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器。

（2）按原理分类。

可分为电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、生物传感器、视觉传感器。

（3）按输出信号分类。

模拟传感器：将被测量的非电学量转换为模拟电信号。

数字传感器：将被测量的非电学量转换为数字输出信号（包括直接和间接转换）。

膺数字传感器：类似于数字信号传感器，它将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出（包括直接或间接转换）。

开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

（4）按制造工艺分类。

集成传感器：用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术进行制造。通常将用于初步处理被测信号的部分电路集成在同一芯片上。

薄膜传感器：通过沉积在介质衬底（基板）上的相应敏感材料的薄膜形成。当使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

厚膜传感器：利用相应材料的浆料涂覆在陶瓷基片上制成，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器：采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺（溶胶、凝胶等）生产。

完成适当的预备性操作之后，将已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器的两种制造工艺有许多共同特性，在某些方面可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。

每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

（5）按测量目的分类。

物理型传感器：利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成。

化学型传感器：利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成。

生物型传感器：利用各种生物或生物物质的特性制成，用于检测与识别生物体内的化学成分。

（6）按构成分类。

基本型传感器：是一种最基本的单个变换装置。

组合型传感器：是由不同单个变换装置组合而成的传感器。

应用型传感器：是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而成的传感器。

（7）按作用形式分类。

主动型传感器：又分为作用型和反作用型，此种传感器能对被测对象发出一定的探测信号，探测信号在被测对象中可能发生变化，也可能在被测对象中产生响应信号。检测探测信号变化的是作用型传感器，检测响应信号的是反作用型传感器。雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例。

被动型传感器：只接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

2. RFID标签类型

RFID技术，又称射频识别技术，是一种无线通信技术，无须在系统与特定目标之间建立机械或光学接触，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。

RFID标签由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签具有唯一的电子编码，附着在物体上，标识目标对象。可以按以下方式进行分类。

（1）按电源分类。

按电源分类可分为有源标签、无源标签和半有源半无源标签。

有源标签：具有远距离自动识别的特性，应用在一些大型环境中，如智能停车场、智慧城市、智慧交通及物联网等领域。

无源标签：需要近距离接触式识别，如饭卡、银行卡、公交卡和身份证等。

半有源半无源标签：具有有源和无源的优点，应用于门禁出入管理、区域定位管理及安防报警等领域，近距离激活定位、远距离传输数据。

（2）按通信方式分类。

按通信方式分类可分为被动标签、半被动（也称为“半主动”）标签、主动标签3类。

被动标签：从接收的RFID读写器发送的电磁波中获取能量，激活后才能向外发送数据，从而使RFID标签能够读取数据信号。

半被动标签：类似于被动标签，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签，使标签处于工作状态。其优点是天线可以不用承担接收电磁波的任务，可充分用于回传信号。

主动标签：依靠自身安置的电池等能量源主动向外发送数据。

（3）按读写类型分类。

按读写类型分类可分为只读式标签和读写式标签。

只读式标签：只读式标签的内容只可读出不可写入。

读写式标签：读写式标签的内容在识别过程中可以被读写器读出，也可以被读写器写入；读写式标签内部使用的是随机存取存储器（RAM）或电擦除可编程只读存储器（EEPROM）。

（4）按信号频率波段分类。

按信号频率波段进行分类，RFID标签可以分为低频、中高频、超高频与微波4类。

低频标签：低频标签典型的工作频率为125～134.2kHz。低频标签一般为无源标签，通过电感耦合方式，从读写器耦合线圈的辐射近场中获得标签的工作能量，读写距离一般小于1m。

中高频标签：中高频标签的常见的工作频率为13.56MHz，其工作原理与低频标签基本相同，为无源标签。标签的工作能量通过电感耦合方式，从读写器耦合线圈的辐射近场中获得，读写距离一般小于1m。

超高频与微波标签：超高频标签的典型工作频率为433.92MHz、862（902）～928MHz；微波标签，典型工作频率为2.45GHz、5.8GHz。阅读距离一般大于1m，典型情况为4～7m，最大可达10m以上。阅读器天线一般为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的电子标签才可被读/写。

3.1.2　感知设备的硬件组成

1. 传感器的硬件组成

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源4个部分组成，如图3-1所示。

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

2. RFID系统的硬件组成

射频识别技术是利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境中。

一般而言，RFID系统由传送器、接收器、微处理器、天线、标签5个组件构成。传送器、接收器和微处理器通常被封装在一起，统称为读写器，所以工业界经常将RFID系统分为标签、读写器和天线三大组件。

1）标签

标签是射频识别系统的数据载体，存储着被识别物体的相关信息，通常附着在物体上。标签主要由芯片及微型天线组成，如图3-2所示。

2）读写器

读写器的基本组成包括射频模块、控制处理模块和天线3个部分，其基本结构如图3-3所示。射频模块包含接收器和发送器，控制处理模块通常采用专用集成电路组件和微处理器来实现其相应的功能。

3）天线

RFID标签天线一般与芯片组共同构成了完整的RFID电子标签应答器。由于材质与制造工艺的不同，RFID标签天线可分为金属蚀刻天线、印刷天线、镀铜天线等。

3.1.3　感知设备的工作原理

1. 传感器的工作原理

1）电感式传感器

电感式传感器的基本原理是电磁感应原理，即利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换为电感量的变化输出，再通过测量转换电路，将电感量的变化转换为电压或电流的变化，实现非电量的测量。此类电感器主要有变气隙式电感传感器、差动螺线管式电感传感器、差动变压器式电感传感器及电涡流式电感传感器。

2）电容式传感器

电容式传感器也常被称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，当在两筒间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2πeL/ln（D/d）。式中，L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的介电常数（见图3-4）。在实际测量中，D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低。

3）光电式传感器

光电式传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。在一般情况下，光电式传感器由3部分构成：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，如发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。接收器的前面装有光学元件如透镜和光圈等，在其后是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有反射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0°～25°的范围内改变发射角，使光束几乎从一条发射线发射，经过反射后，还是从原射线路径返回。

4）压电式传感器

压电式传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和质量小等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应：当对晶体施加交变电场时，会引起晶体机械变形的现象，又称为电致伸缩效应，用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。

压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如，石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

5）磁电式传感器

磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单，零位及性能稳定。利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。

根据电磁感应定律，当W匝线圈在均衡磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为Φ，则线圈内的感应电势e与磁通变化率dΦ/dt有如下关系：e=-W·dΦ/dt。根据这一原理，磁电式传感器可以设计成变磁通式和恒磁通式两种结构，用于测量线速度或角速度。如图3-5所示的分别为用于旋转角速度（旋转型）及振动速度（平移型）测量的变磁通式的传感器结构。在变磁通式结构中，永久磁铁1（俗称“磁钢”）与线圈3均固定，动铁心2（衔铁）的运动使气隙4和磁路磁阻变化，引起磁通变化而在线圈中产生感应电势，因此又称为变磁阻式结构。

在恒磁通式结构中，工作气隙中的磁通恒定，感应电势由永久磁铁与线圈之间的相对运动（线圈切割磁力线）而产生。这类结构有两种，分别为动圈式和动铁式，如图3-6所示。

图3-6中的磁路系统由圆柱形永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭及空气隙组成。气隙中的磁场均匀分布，测量线圈绕在筒形骨架上，通过膜片弹簧悬挂于气隙磁场中。

当线圈与磁铁间有相对运动时，线圈中产生的感应电势

e=-Blv

式中，B为气隙磁通密度（T）；l为气隙磁场中有效匝数为W的线圈总长度（m），l=laW（la为每匝线圈的平均长度）；v为线圈与磁铁沿轴线方向的相对运动速度。当传感器的结构确定后，B、la、W的值不变，感应电势e仅与相对速度v有关。传感器的灵敏度（e/v）随振动频率变化。为提高灵敏度，应选用磁能积较大的永久磁铁并具有尽量小的气隙长度，以提高气隙磁通密度B；增加la和W也能提高灵敏度，但它们会受体积、质量、内电阻及工作频率等因素的限制。为了保证传感器输出的线性度，要保证线圈始终在均匀磁场内运动。设计者的任务是选择合理的结构形式、材料和结构尺寸，以满足传感器的基本性能要求。

6）生物传感器

生物传感器技术是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科技术，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下相同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

生物传感器的原理：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息被相应的物理化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。

7）视觉传感器

视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素的能力。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率衡量，以像素表示。在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器的基准图像被设定为正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器会拒收只有七颗螺栓或者螺栓未对准的部件信息。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360°范围内旋转，视觉传感器都能进行判断。

2. RFID系统工作原理

RFID系统的工作原理与雷达相似，首先，读写器通过天线发出电子信号，标签接收信号发射内部存储的标识信息；其次，读写器通过天线接收并识别标签发回的信息；最后，读写器将识别结果发送给主机，RFID系统组成如图3-7所示。

标签和读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合，在耦合通道内，根据时序关系实现能量的传递和数据的交换。发生在读写器和标签间的射频信号耦合类型有两种（见图3-8）：一种是电感耦合，变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，理论依据为电磁感应定律；另一种是电磁反向散射耦合，雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息返回，理论依据是电磁波在空间中的传播特性。