1.5 物体状态与特性的识别

1.5.1 物联网中的信息获取与管理

传感网是物联网的重要技术支撑，它是由各种传感器组成的信息获取的网络，是物联网感知和获取信息的主要手段。作为物联网中获取信息的感知层，是物联网的最底层，它与其他两层的关系如图1-7所示，图中椭圆虚线内为通常所说的感知层。其功能是完成对相关信息的采集、转换和收集。中间层为传输层，主要完成有线和无线的入网的接入，实现信息的分发与传送；最上一层为应用层，是将收集到的各种信息处理后，由应用平台控制指令发送到控制器，供用户使用。故通常称为应用层。

1.5.2 传感器

传感器是一种能把被测量信息按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。应当指出，这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号，一般为电信号，如电压、电流、电阻、电容、频率等。社会进步到今天，人们周围使用着各种各样的传感器：电冰箱、微波炉、空调机有温度传感器；电视机有红外传感器；录像机和摄像机有湿度传感器、光传感器；液化气灶有气体传感器；汽车有速度、压力、湿度、流量、氧气等多种传感器，这些传感器的共同特点是利用各种物理、化学、生物效应等实现对被检测量的测量。可见，在传感器中包含着两个必不可少的概念：一是检测信号；二是能把检测的信息变换成一种与被测量有确定函数关系的而且便于传输和处理的量。例如，传声器（话筒）就是这种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号；气体传感器感受空气环境中气体浓度的变化；电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它们转换成相应的电信号。传感器的一般分类方法如图1-8所示。

在国家标准GB/T 7665—1987《传感器通用术语》中，传感器被定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。”原机械工业部在其制定的《过程检测控制仪表术语》中对传感器的定义是：“借助于检测元件接收物理量形式的信息，并按一定规律将它转换成同样或别种物理量形式的信息仪表。”《新韦氏大词典》中的定义是：“传感器是从一个系统接收功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。”

传感器常见的分类方法对不同领域、不同行业对传感器的分类有可能不同，因为成百上千种传感器进行分类本身就是一门科学。但对传感器进行分类将有助于从总体上认识和掌握传感器，而且对传感器的开发与应用都是很有意义的。由于传感器的种类繁多，一种被测量，可以用不同的传感器来测量，而且传感器应用的原理又各种各样，同一原理的传感器，又可以测量多种被测量。因此，对传感器的分类是仁者见仁，智者见智。

1.5.3 性能评价与选用原则

（1）传感器的性能及其评价方法

理论直线法通常取零点作为理论直线的零点，满量程输出作为终点，这两点的连线即为理论直线。所以理论直线与实际测试点无关。端点直线法是将传感器标定数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的直线作为拟合直线，这是一条特殊形式的理论直线。

最佳直线法是指使实际输出特性相对于所选拟合直线的最大正偏差等于最大负偏差的一条直线作为拟合直线。最小二乘法直线法是按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。灵敏度S是指传感器在稳态下输出量增量与被测输入量增量之比，即

显然，线性传感器的灵敏度是拟合直线的斜率；非线性传感器的灵敏度，通常也是用拟合直线的斜率表示的，非线性特别明显的传感器灵敏度可以用dy/dz表示，或用某一小（输入量）区间内拟合直线的斜率表示。

迟滞（滞后）特性是反映传感器正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中，输出—输入曲线的不重合程度，也就是说，对应同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号的大小却不相等，这就是迟滞现象。产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。实际评价用正反行程输出的最大偏差 max（ΔR）与满量程输出YFS的百分比来表示，即

重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续工作多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性就越好。重复性的好坏与许多随机因素有关，具有随机误差，要按统计规律来确定，用标定曲线间最大偏差max（ΔH）与满量程输出的百分比表示，即

分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。有时对该值用满量程输入值的百分数表示，称为分辨率。

阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则将“死区”的大小作为阈值；更多情况下，阈值主要取决于传感器噪声的大小，因而有的传感器只给出噪声电平。

稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其原性能的能力。用室温条件下传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效值来表示。

漂移是指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移或灵敏度漂移又分为时间漂移和温度漂移，即时漂和温漂。温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。

相间干扰只存在于（两相或三相等）传感器中，一般地说若给其中一相加载，其他各相的输出应为零，但实际上其他相的输出端仍有信号输出，二者比值的百分数就是相间干扰。

静态误差是评价传感器静态特性的综合指标，指传感器在满量程内，任意一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。

（2）传感器的动态特性及其评价

动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态响应特性可以分为稳态响应特性和瞬态响应特性。

稳态响应特性是指传感器在振幅稳定不变的正弦形式非电量的作用下的响应特性。稳态响应的重要性，在于工程上所遇到的各种非电量变化曲线都可以展成傅里叶级数或进行傅里叶变换，即用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。瞬态响应特性是指传感器在瞬变的非周期非电量作用下的响应特性。瞬变的波形多种多样，一般只选几种比较典型的规则波形，对传感器进行瞬态响应的分析。

截止频率和通频带是指当传感器的对数幅频特性曲线下降到零频率值以下3dB时，对应的频率为截止频率。传感器的幅值衰减-3dB时，对应的频率范围称为传感器的通频带。

谐振频率和固有频率是指幅频特性曲线在某一频率处具有峰值，这个工作频率就是谐振频率，固有频率是指在无阻尼时，传感器的自由振荡频率。

传感器标定原则：为了达到标定的目标，标定的基准必须要有长期稳定而且精度高的基准。精度的传递对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。在标定传感器时，必须要有比被标定的传感器精度高的标准器，该标准的精度还必须要由比它更高精度的标准器进行定期的标定，而这个标准器则需要更高一级的标准器来标定。

互换性有些时候传感器的标定并不容易进行，作为经常使用的替换方法是对经过一定时间工作的传感器进行更换。

动态标定用于确定传感器的动态性能指标，对传感器进行动态标定有两个目的：一是了解传感器的动态响应特性，确定其性能指标，改进或更换传感器或对传感器进行动态补偿，采用能够对动态误差修正的技术对测试结果进行处理；二是当传感器的静态灵敏度与动态灵敏度不同，或者传感器没有静态响应（如压电传感器）时，对传感器进行灵敏度标定。

传感器种类繁多，动态标定方法各异。下面介绍几种常用的标定方法。

1）冲击响应法具有所需设备少、操作简便、力值调整及波形控制方便的特点，因此被广泛采用。

2）频率响应法比较直观，精度比较高。但是需要性能优良的参考传感器，非电量正弦发生器的工作频率有限，实验时间长。

3）阶跃信号响应法。阶跃信号响应法的原理是，当传感器受到阶跃压力信号作用时，测得其响应，用基于机理分析的估计方法或实验建模方法求出传感器的频率特性、特征参数和性能指标。

（3）传感器的选用原则

传感器的选择方法：现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测试条件与目的：主要考虑被测量的选择、测量范围、过载的发生频度、测量要求精度、测量时间和输入信号的频带等。

传感器的性能：主要考虑精度、稳定性、响应速度、输出信号类型（模拟或数字）、静态特性、动态特性和环境特性，传感器的工作寿命或循环寿命、标定周期、信噪比等。

传感器应用中的注意事项：每一个传感器都有自己的性能和使用条件，因此对于特定传感器的适应性很大程度取决于传感器的使用方法。传感器的种类繁多，应用场合也各种各样，不可能将各种传感器的使用方法及注意事项一一列举。用户在使用传感器之前应特别阅读，消化说明书中的各项内容。其中主要的使用方法和注意事项如下。

1）正确地选择安装点和正确安装传感器都是非常重要的环节。若安装环节失误，轻者影响测量精度，重者会影响传感器的使用寿命，甚至损坏传感器。安装固定传感器的方式要简单可靠。传感器和测量仪表必须可靠连接，系统应有良好的接地，远离强电场、强磁场，传感器和仪表应远离强腐蚀性物体和易燃易爆物品。

2）传感器通过插头与供电电源和二次仪表连接时，应注意引线号不能接错、颠倒；连接传感器与测量仪表之间的连接电缆必须符合传感器及使用条件的要求。仪器输入端与输出端必须保持干燥和清洁，传感器不用时，应保持传感器插头和插座的清洁。

3）精度较高的传感器都需要定期校准，一般来说，需要3～6周校准一次。各种传感器都有一定的过载能力，但使用时应尽量不要超量程。在插拔仪表与外部设备连接线前，必须先切断仪表及相应设备电源。

4）传感器不使用时，应存放在温度为10～35℃，相对湿度不大于85%，无酸、无碱和无腐蚀性气体的房间内。