传感器技术在物流行业会发挥越来越重要的作用

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。

有源(a)和无源(b)传感器的信号流程

低功耗大规模集成电路(VLSI) 设计的进步, 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,获得能量.当受到外部简谐激励时, 可得到简谐的开路电压。

现有技术条件下,线圈上的 开路电压在 15~30mV 左右, 需要一个转换比量级在 10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 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﹣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。