一文了解无源传感器的定义及技术发展

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物联网(IoT)无处不在，虽然它功能强大，但也带来了一些挑战。每个感测元件按定义都是个电子器件，而所有电子器件的共通之处就是需要电源才能工作。


无论是有线联接乃至是时而更换的纽扣电池，为传感器供电相对都比较容易。但是，由于物联网的传感器部署范围远且广，许多不能提供电源、需长期监测、电池不易更换或者易燃易爆等危险场合的应用,必须采用无源传感器来实现测量。


在无线传感器网络应用中,由于节点数量多和分布范围大,电池更换问题也难以解决。因此,能够自供能的无源传感器具有广泛的应用前景,也是目前国内外研究的热点。

微型无源传感器



无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。


其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。


低功耗大规模集成电路(VLSI)设计的进步，先进电源管理技术的应用可以将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功耗控制在1mW以下。如此低的功耗使收集周围环境能量为微型传感器及其他电子器件供电(即自供能技术)成为可能。


光能、电磁辐射、温度变化(温差)、人体运动能量、振动源等都是潜在的能量源。


可将常用的自供电能源按类型分为三大类：动能、辐射能、热能。


1、动能


动能是广泛存在且容易获得的能源之一。通常利用一个与周围环境振动主频率发生谐振的质量块收集振动能量。研究人员将振动模型简化,得出了各种振动参数对输出功率的影响。


（1）输出功率与振动源幅度平方及质量块质量成正比；


（2）在给定激励条件下,输出功率与振动频率成反比。


机电能量转换有3种典型的方法：电磁感应方法、静电(电容)转换、压电转换。电磁感应机电转换装置,当线圈垂直于恒定磁场运动时,线圈产生电压输出；可变电容转换有两种不同方式：电压约束方式和电荷约束方式。由平板电容间电压公式可知,当电极板上电荷量Q或者电压V保持不变时,减小或者增加板间距离或极板长宽都可以提高输出电压。


现有技术条件下,线圈上的最大开路电压在15~30mV左右,需要一个转换比量级在102的变压器才能用作电源。静电转换可以直接产生2V至几伏电压,可以方便地和微机电系统结合。但静电转换需要一个独立电压源初始化转换过程。而压电转换不需要,且发生电压较高,无需变压器。压电转换唯一缺点是实现微型化及和微电子集成存在困难。


2、辐射能


辐射能(如太阳光和电磁波)无处不在。中午地表太阳直射下太阳能电池能够得到约100mWcm﹣3的能量密度，但是阴天和室内的太阳能电池获得的能量密度较低。太阳能是目前最为成熟的技术,其电压稳定,可直接为微传感器供电。


电磁波信号无处不在,收集空间电磁波供电使用范围更大。在VHF和UHF频段,接收天线产生的功率密度近似于E2/Z0,其中Z0是空间本征阻抗,E是局部电场强度(V/m时)。E为1V/m时,可收集能量密度仅0.26LWcm-2,而场强达到伏特每米的情况很少,可获得的电磁能极为有限。


某些特殊应用中,通过发射电磁能,接收端以特定方法耦合后使用,如正广泛使用的射频识别(RF ID)系统。其次,可通过设计新换能器或者应用新材料提高磁电转换的电压和功率,如超磁致伸缩材料与压电材料复合能得到较高磁电转换系


数,有可能用于电磁能收集。


3、热能


自然界存在各种不同的热源,通常利用热源存在或者发生的温度差实现热能收集。由卡诺循环原理可知温差⊿-------T限制了卡诺效率,即温差电最大转换效率。---有报道一种微型热电偶设备,可从20°C温差产生20μW的功率。但是在微小范围内,一个较大温差是罕见的。


无源传感器的类型


无源传感器主要有光纤无源传感器、声表面波无源传感器和基于能源材料的无源传感器等几类。


1、光纤无源传感器


光纤传感器的工作原理是：光源发出的光经过光导纤维传入光传感元件；在光传感元件中经光电转换将测量检测的参数调制成幅度、相伴、偏振等信息；最后利用微处理器，如频谱仪等进行信号处理。光纤传感器具有数据传输速度快和测试温度高的特点，因信息传播载体是光波而不受电磁辐射的影响。关于光纤无源传感器的研究和应用已比较成熟，目前国内外学者主要研究和关注的是声表面波无源传感器和基于能源材料的无源传感器。


2、声表面波无源传感器


声表面波(surface acoustic wave，SAW)是一种在固体浅表面传播的弹性波。由于声表面波的传播速度比电磁波慢100 000倍，且在它的传播路径上容易取样和进行处理。


1965年，美国怀特和沃尔特默首次采用叉指换能器激发AW，加速了声表面波技术的发展。图1为基于声表面波的典型无源传感器的实物照片。


根据工作模式的不同，可以把现有的无源SAW传感器分为谐振型和延迟线型两类。其中谐振型传感器主要用于来制作化学传感器，延迟线型传感器则主要用于温度、压力、应力等物理量的检测。

SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物，它由SAW振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成。SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，其本质是利用叉指换能器将机械能转化为电能。SAW传感器无需额外提供能量，系统会利用自身收集的能量进行工作，这就大大扩展了SAW的应用领域。


声表面波技术自60年代末发展至今，目前应用已涉及到许多学科领域，如设备系统监测、地震学、雷达通信、航空航天及石油勘探等，特别是近年来智能电网建设的日益推进，声表面波传感器等无源传感器在智能变电站等电气设备状态监测预警中的应用越来越受到重视。


基于SAW的温度传感系统采用射频识别(RFID)与SAW芯片混合集成且支持多点探测，为变电站中电力设备及关键部件状态的实时监控提供了一种有效的解决方案。


3、基于能源材料的无源传感器


基于能源材料的传感器可以将自然界中的光能、热能、机械能等转化为电能，从而实现为传感器系统供电。当前，基于能源材料传感器的国内外研究热点主要集中在光电、热电、压电无源传感技术领域。


基于晶体的电光效应原理，利用电光晶体或光波导调制器制成电光式传感器，配以光纤进行信号传输的传感测量系统，可以对复杂环境中或小空间内的电磁脉冲场进行高保真的测量。与传统的电测有源探头、同轴电缆传输的传感器相比，基于电光效应原理研制的各类无源传感器具有宽频带、探头部分无源化、抗干扰能力强、对被测对象扰动极小、灵敏度高等突出优点，可广泛应用于高电压、强电磁脉冲、雷电、强辐射区场强、高功率微波等电磁测量领域。


压电效应是压电传感器的主要工作原理，如图2所示。

由于具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，因此，压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷而产生电压，从而将机械能转化为电能，实现对压力、加速度等的测量传感。


热电型传感器是基于热电材料的热电效应，利用器件内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换。当器件两端存在温差时，热场驱动器件内的载流子定向运动，从而产生温差电流。由于温差电流与热场存在一定的相关性，因此温差电流不仅可用于热电型传感器系统的供电，同时还是灵敏有效的传感信号。


图3给出了热电型无源温度传感器的基本工作原理图，可以看出：外界温度变化触发内部热电器件，由热电器件为各个模块供电。内置的数字型温度传感器测量外界温度值，并将温度信号传给信号处理模块，再将温度数据发送。

基于热电效应的无源温度传感器概念，研制出相应的无源传感器系统。利用低温区热电材料碲化铋(Bi2Te3)对温度的敏感性及发电特性，实现了将温度传感信号和供电电源的合二为一。系统利用自身被触发时产生的电信号作为电源，为后端的数据处理电路和无线通信电路提供电能，实现了传感信号从采集、处理到无线发送的完全自供电运行。


无源传感器的技术发展


无源传感器可以有效解决因使用电池及电源带来的各种问题，但也面临着一些急需改进优化的技术问题。

表1比较了目前国内外几种典型的无源传感器的性能参数，可以看出：基于声表面波的无源传感器探测范围广、灵敏度高，但其无线信号传输距离有限，一般仅为20 m以内；压电材料能够产生较大的输出电压，但由于材料内阻较大，因此输出电流极小，仅能驱动一些微功率的传感器模块；基于热电材料的无源传感器的输出功率可以满足绝大部分传感器系统的供电需求，且由于使用了射频芯片，无线信号最大传输距离在100 m左右，但由于热电材料对温差要求严格，一般只适用于有热源存在的场合。


关于未来无源传感器的研究，应加强对多功能、长寿命、灵敏度高、监控距离远无源传感器的核心元件设计、加工制作及其组网技术的研究，突破无源传感器件用新型高性能智能传感材料的开发及其应用关键技术，实现多功能集成、高精度、高灵敏度、长寿命无源传感器的自主研发与国产化应用推广。


随着自供能技术的进一步研究和深入发展,自供能技术将在如下方向取得进展：（1）低功耗集成电子技术及先进电源管理的发展将极大地降低微型传感器的功耗。（2）通过新的换能器设计或者新材料的应用将进一步提高能量转换效率和功率。（3）几种收集方式结合将提高不同条件下收集能量的能力。可以预见,各种功能的无源传感器在物联网时代会在各个领域大显身手。

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无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。

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低功耗大规模集成电路(VLSI)设计的进步，先进电源管理技术的应用可以将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功耗控制在1mW以下。