了解物联网传感器和执行器

2021/4/3

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物联网(IoT)是过去几年中最热门的技术流行语,它全都涉及收集,共享和分析数据并从中创造价值。但是,如果没有准确的数据,物联网将成为无用的技术堆。因此,物联网设备管理以及物联网传感器和执行器的重要性使其能够感知世界并采取行动。

物联网由若干技术层(物联网背后的技术)组成,这些层使普通物能够共享它们在Internet上收集的数据,从而最终提供很大程度上取决于数据本身质量的情报,自主行动和价值。因此,传感器和执行器是物联网技术堆栈中不可或缺的一部分,并且是每个物联网系统开发中的成败因素。

显然,传感器和执行器对物联网很重要,但是它们到底是什么?传感器,也称为换能器,是一种设备,其任务是检测事件或周围环境的变化,并将这些物理现象(例如温度,光,空气湿度,运动,化学物质的存在等)转换为电脉冲。然后可以对其进行有意义的解释。另一方面,执行器可以看作是与传感器相反作用的工具。通过解释从控制系统发出的电脉冲并将其转换为机械运动,它实际上通过各种简单的动作(包括但不限于打开和关闭阀门,更改其他设备的位置或角度,激活它们或发出声音或光。简单来说,执行器称为“移动器”。

普通的电气传感器和执行器已经存在了数十年,并且在现代工业应用中无处不在,但物联网的出现为物联网传感器和执行器的应用开辟了全新的可能性,不仅在工业领域,而且在工业领域也是如此。商业和家庭使用领域。作为物联网必不可少的促成因素,传感器和执行器可帮助监控,控制和简化几乎所有领域的操作,从智能汽车到雨林保护。物联网彻底改变了它们的应用方式并扩大了其使用范围,它使传感器可以用于功能强大的基于云的分析软件,从而为机器,人员和环境开发智能解决方案。

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考虑到以上所有因素,毫无疑问,为了保持它正在经历的快速发展,物联网需要越来越高效(最好是低成本)的传感器解决方案。可靠的传感器和执行器系统是构建每个成功的智能部署的基础,因此,必须了解其中存在的IoT传感器解决方案和选项的种类。让我们探索物联网中最常用的传感器类型。

物联网传感器类型

传感器可以是独立的设备,也可以是嵌入普通对象或机器中以使其变得智能的设备,并且可以根据要测量的物理现象将其分为几类。以下列表概述了物联网中应用最广泛的一些传感器类型。

温度传感器

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这种最基本的传感器可在每种物联网用例中找到其应用,在这种情况下,跟踪空气,工作环境,机器或其他物体的热状况至关重要。温度传感器在制造工厂,仓库,天气报告系统和农业中特别有用,在这些工厂中,对土壤温度进行监控以提供平衡且最大化的生长。

  • 热敏电阻:一种电阻,其电阻(电阻)在很大程度上取决于温度。热敏电阻广泛用作电子设备中的传感器,例如用作电子温度计中的温度传感器或用于防止电流过大的系统中的温度传感器。
  • 电阻温度检测器:用于根据与温度变化相关的电阻变化来测量温度的仪器。
  • 热电偶:由两个不同导体组成的电路元件。通过利用在热电偶的连接器之间产生的电动势与温度差成正比这一事实,热电偶可以用作温度传感器,有时甚至可以用作具有非常低的电压和相对较高的电流的电源。

湿度传感器

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尽管它们在气象站中最明显,最广泛的用途是报告和预报天气,但令人惊讶的是,湿度和湿度传感器也广泛用于农业,环境监测,食品供应链,HVAC和健康监测。

  • 头发张力湿度传感器:传统和最古老的湿度传感器类型。该设备的设计基于人或马毛的特定属性,尽管目前也使用合成纤维或棉纤维。这些纤维与湿气接触后会改变其长度。显示刻度尺读数的指针连接到头发(或纤维)上,并对长度的变化做出反应。这种类型的湿度传感器的优点无疑是结构简单,价格便宜,而且还耐损坏。
  • 干湿计:此类设备的构造基于两个干湿计(所谓的“干湿”和“湿湿”)。湿温度计的水银容器内衬吸湿材料。它利用了潮湿空气抑制蒸发而干燥空气加速蒸发的现象。湿度越高,湿温度计的温度越低。干温度计显示环境温度,湿度可以根据温度差计算得出。

光照强度传感器

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依靠环境光强度,智能电视,移动电话或计算机屏幕可以借助光传感器来调节其亮度,但是用于检测环境光的传感器不仅在消费电子产品中很常见,而且在智慧城市应用中也很普遍。它们越来越多地用于调整路灯或城市照明水平,以提高经济性。

  • 光电电阻器:它是一种光敏元件,其电阻会通过辐射而变化。它可以很容易地连接到例如Arduino作为模拟光传感器。因此,可以构建例如在天黑后自动点亮的灯。光敏电阻也可以用作非常简单的接近传感器甚至温度传感器。
  • 光电二极管:基于光电效应工作的二极管。当光子到达光电二极管的结时,它们被吸收,这导致电子转移到导电带上,形成一个电子-空穴对。光电二极管广泛用于工业自动化(信号和控制系统),电信(光耦合器,光电链路)和许多其他行业。

声学传感器

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智能声学传感器使我们能够监控给定环境中的噪声水平。能够测量和提供数据以帮助防止噪声污染的方法,声学IoT传感器系统在智慧城市解决方案中逐渐普及。

  • 水听器:用于拾取在水或其他液体中传播的声音的麦克风。水听器是无源声纳的基本结构元素,例如用于在各种水生环境中探测鱼类。
  • 地震检波器:这是一种将地面振动(频率和振幅)转换成电压的传感器。您可以说这是地震仪的一种,在阿波罗16号(Apollo 16)的“主动地震实验”中已在月球上使用过。

水位传感器

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为了防止自然灾害,可以将水位监控传感器收集的数据用于洪水预警系统中进行分析和预测。除了环境保护外,该传感器还可以用于各种工业应用中,以控制和优化制造过程。

  • 静水压力传感器:用于测量液体填充水平。这些传感器基于使用所谓的静水悖论进行的液位测量进行操作–在储罐测量点测得的静水压力仅与液体填充的高度成比例,而与储罐的形状和体积无关。
  • 光学传感器:一种传感器,用于检测与液体接触后棱镜中的光折射所隐含的水位。光学传感器比典型的水位传感器具有一定优势,这是因为光学传感器受到可能破裂或简单磨损的机械和运动部件的限制。

位移传感器

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通过发射电磁辐射束,这种类型的传感器能​​够感应其目标物体的存在并确定将两者分开的距离。凭借其高可靠性和长寿命,难怪他们很快将其纳入了许多IoT领域,例如智能汽车,机器人技术,制造,机器,航空甚至智能停车解决方案。

  • 多普勒雷达:使用多普勒效应的雷达,即其源发出的波的频率与相对于该源移动的观察者记录的波的频率之差。雷达不仅用于检测物体并确定其位置,还用于了解其方向和速度。
  • 占用传感器:一种存在传感器,使用红外光或高频信号来检测办公室和卫生设施,走廊,通道,仓库等中的移动。

运动传感器

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智能建筑系统可能是运动传感器可以想象到的最廉价的物联网应用。尽管这一明显的事实大体上是正确的,但除了有助于监视侵入或盗窃的私人或公共场所外,运动传感器的使用还扩展到了能源管理解决方案,智能相机,自动化设备等许多其他领域。

  • 有源超声波运动传感器:发送和接收超声波无源波
  • 被动式红外运动传感器:检测红外辐射的变化
  • 有源雷达传感器:发射和接收电磁波
  • 还有一些传感器版本结合了上述所有与运动有关的原理。**被动红外传感器(PIR)**是一种这样的示例,它是用于运动检测的电子传感器,通常在警报系统,自动照明和通风系统等中使用。

姿态传感器

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这种传感器的任务是检测旋转并测量角速度,这使其非常适用于导航系统,机器人技术,消费类电子产品以及涉及旋转的制造过程。对于更日常的物联网应用,陀螺仪传感器越来越多地安装在运动员使用的物联网设备中,以精确测量身体运动,以分析和改善他们的运动表现。

  • 加速度计:该传感器不会保持恒定的方向,但会指示其所位于的对象的角速度。该组包括旋转自由度有限的机械陀螺仪(通常在笛卡尔坐标系的一个轴上),光学陀螺仪(激光和光纤),最后是使用科里奥利效应影响陀螺仪的陀螺仪。
  • 航向指示器:方向陀螺仪或航向指示器可让您观察其所附着的身体的旋转情况。陀螺仪通常被制成悬挂在合适结构中的快速旋转的刚性物体(通常是磁盘),使其能够相对于参考系统(例如其所附着的物体)自由旋转。

化学传感器

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能够检测化合物(固体,液体和气体)的传感器是工业安全系统,环境保护解决方案以及科学研究中必不可少的元素。此外,他们已经在物联网支持的空气质量监测中立足,可以帮助城市和州抵抗空气和水污染的有害影响。

  • 电化学呼吸分析仪:一种简单的传感器,用于确定血液中的酒精含量。电化学传感器具有抵抗薄荷醇,香烟烟雾或柠檬酸等副作用的能力,并且可以指示呼出空气中的酒精浓度,准确度为0.000‰。
  • 电子鼻:化学检测器或一组检测器,对环境中包含的不同类型的颗粒或它们的不同特征(例如存在特定的化学键,酸度,碱度,稳定相邻偶极子的能力,等等。)。通过使用此类检测器获得的信息可以了解环境的化学成分。

视觉传感器

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通过将光学数据转换为电脉冲,图像传感器使连接的对象能够查看周围的环境,并使用从提供的数据分析中获得的情报对周围的环境进行操作。每当需要智能设备“看到”其周围环境时,就会使用图像传感器,其中包括智能车辆,安全系统,雷达和声纳之类的军事装备,医学成像设备,当然还有数码相机。

  • 有源像素传感器:许多采用CMOS技术制成的光敏元件的排列。CMOS传感器可用于许多设备,例如网络摄像头,紧凑型数码相机,DSLR(数码单镜反光)相机,生产自动化中的控制元件,数字X射线相机等。
  • 电荷耦合设备:由许多光敏元件组成的系统,该系统进行配准,然后读取与落在其上的光量成比例的电信号。CCD传感器中使用的滤色镜经常出现在数码相机中,从而使它们能够记录矩阵给定点处特定光谱宽度的强度。

物联网执行器类型

顾名思义,执行器可以在其直接环境中起作用,以实现对其所嵌入的机器或设备的正确操作。它们虽然很小,但在操作过程中很少见到,但是它们的工作效果可以在车辆,工业机器或任何其他涉及自动化技术的电子设备中感受到。根据其构造模式和它们在特定物联网环境中的作用,它们可以分为四个主要类别:

  • 线性致动器–用于使物体或元件沿直线运动。
  • 马达–它们使设备组件或整个物体进行精确的旋转运动。
  • 继电器–此类别包括基于电磁的执行器,用于操作灯,加热器甚至智能汽车中的电源开关。
  • 电磁阀–作为锁定或触发机制的一部分,在家用电器中使用最广泛,它们还充当基于IoT的煤气和水泄漏监测系统的控制器。

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物联网传感器是一种看似微不足道的小型设备,可将数据馈送至物联网系统,而物联网系统是构建机器智能的真正基础。另一方面,执行器代表了每个智能企业背后的驱动力(从字面上看!)。在这两种情况下,物联网不仅对它们的感觉和操作方式感兴趣,而且还对使我们能够更快更好地做事的事物感兴趣。

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