物聯(lián)網(wǎng)方興未艾，無(wú)源傳感器大行其道

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 無(wú)處不在，雖然它功能強(qiáng)大，但也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。每個(gè)感測(cè)元件按定義都是個(gè)電子器件，而所有電子器件的共通之處就是需要電源才能工作。

無(wú)論是有線聯(lián)接乃至是時(shí)而更換的紐扣電池，為傳感器供電相對(duì)都比較容易。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器部署范圍遠(yuǎn)且廣，許多不能提供電源、需長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、電池不易更換或者易燃易爆等危險(xiǎn)場(chǎng)合的應(yīng)用,必須采用無(wú)源傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多和分布范圍大,電池更換問(wèn)題也難以解決。 因此,能夠自供能的無(wú)源傳感器具有廣泛的應(yīng)用前景,也是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

微型無(wú)源傳感器

無(wú)源傳感器不能直接轉(zhuǎn)換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵(lì)傳感器承擔(dān)將某個(gè)對(duì)象或過(guò)程的特定特性轉(zhuǎn)換成數(shù)量的工作。

其“對(duì)象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態(tài)可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)(即過(guò)程)的。對(duì)象特性被轉(zhuǎn)換量化后可以通過(guò)多種方式檢測(cè)。對(duì)象的特性可以是物理性質(zhì)的，也可以是化學(xué)性質(zhì)的。按照其工作原理，傳感器將對(duì)象特性或狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成可測(cè)定的電學(xué)量，然后將此電信號(hào)分離出來(lái)，送入傳感器系統(tǒng)加以評(píng)測(cè)或標(biāo)示。

有源(a)和無(wú)源(b)傳感器的信號(hào)流程

低功耗大規(guī)模集成電路(VLSI) 設(shè)計(jì)的進(jìn)步，先進(jìn)電源管理技術(shù)的應(yīng)用可以將微型傳感器及低功耗數(shù)字信號(hào)處理器的功耗控制在 1mW 以下。 如此低的功耗使收集周圍環(huán)境能量為微型傳感器及其他電子器件供電( 即自供能技術(shù)) 成為可能。

光能、電磁輻射、溫度變化(溫差)、人體運(yùn)動(dòng)能量、振動(dòng)源等都是潛在的能量源。

可將常用的自供電能源按類型分為三大類：動(dòng)能、輻射能、熱能。

1、動(dòng)能

動(dòng)能是廣泛存在且容易獲得的能源之一。 通常利用一個(gè)與周圍環(huán)境振動(dòng)主頻率發(fā)生諧振的質(zhì)量塊收集振動(dòng)能量。 研究人員將振動(dòng)模型簡(jiǎn)化,得出了各種振動(dòng)參數(shù)對(duì)輸出功率的影響。

（1）輸出功率與振動(dòng)源幅度平方及質(zhì)量塊質(zhì)量成正比；

（2）在給定激勵(lì)條件下,輸出功率與振動(dòng)頻率成反比。

機(jī)電能量轉(zhuǎn)換有3種典型的方法：電磁感應(yīng)方法、靜電(電容)轉(zhuǎn)換、壓電轉(zhuǎn)換。電磁感應(yīng)機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置,當(dāng)線圈垂直于恒定磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí),線圈產(chǎn)生電壓輸出；可變電容轉(zhuǎn)換有兩種不同方式：電壓約束方式和電荷約束方式。 由平板電容間電壓公式可知,當(dāng)電極板上電荷量Q或者電壓V保持不變時(shí),減小或者增加板間距離或極板長(zhǎng)寬都可以提高輸出電壓，獲得能量如下式：

由壓電材料本構(gòu)方程可知,當(dāng)受到外部簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí),可得到簡(jiǎn)諧的開(kāi)路電壓。

現(xiàn)有技術(shù)條件下,線圈上的最大開(kāi)路電壓在 15~30mV 左右, 需要一個(gè)轉(zhuǎn)換比量級(jí)在 102的變壓器才能用作電源。 靜電轉(zhuǎn)換可以直接產(chǎn)生 2V 至幾伏電壓, 可以方便地和微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合。 但靜電轉(zhuǎn)換需要一個(gè)獨(dú)立電壓源初始化轉(zhuǎn)換過(guò)程。 而壓電轉(zhuǎn)換不需要, 且發(fā)生電壓較高, 無(wú)需變壓器。 壓電轉(zhuǎn)換唯一缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)微型化及和微電子集成存在困難。

2、輻射能

輻射能(如太陽(yáng)光和電磁波)無(wú)處不在。 中午地表太陽(yáng)直射下太陽(yáng)能電池能夠得到約100mWcm﹣3的能量密度，但是陰天和室內(nèi)的太陽(yáng)能電池獲得的能量密度較低。太陽(yáng)能是目前最為成熟的技術(shù),其電壓穩(wěn)定,可直接為微傳感器供電。

電磁波信號(hào)無(wú)處不在,收集空間電磁波供電使用范圍更大。 在VHF和UHF頻段,接收天線產(chǎn)生的功率密度近似于E2/ Z0,其中Z0是空間本征阻抗, E是局部電場(chǎng)強(qiáng)度( V/ m時(shí))。E為1V/ m時(shí),可收集能量密度僅0. 26LWcm- 2,而場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到伏特每米的情況很少,可獲得的電磁能極為有限。

某些特殊應(yīng)用中,通過(guò)發(fā)射電磁能,接收端以特定方法耦合后使用,如正廣泛使用的射頻識(shí)別( RF ID)系統(tǒng)。 其次,可通過(guò)設(shè)計(jì)新?lián)Q能器或者應(yīng)用新材料提高磁電轉(zhuǎn)換的電壓和功率,如超磁致伸縮材料與壓電材料復(fù)合能得到較高磁電轉(zhuǎn)換系數(shù),有可能用于電磁能收集。

3、熱 能

自然界存在各種不同的熱源,通常利用熱源存在或者發(fā)生的溫度差實(shí)現(xiàn)熱能收集。 由卡諾循環(huán)原理可知溫差⊿-------T限制了卡諾效率,即溫差電最大轉(zhuǎn)換效率。---有報(bào)道一種微型熱電偶設(shè)備,可從20°C溫差產(chǎn)生20μW的功率。 但是在微小范圍內(nèi),一個(gè)較大溫差是罕見(jiàn)的。

無(wú)源傳感器的類型

無(wú)源傳感器主要有光纖無(wú)源傳感器、聲表面波無(wú)源傳感器和基于能源材料的無(wú)源傳感器等幾類。

1、光纖無(wú)源傳感器

光纖傳感器的工作原理是：光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光導(dǎo)纖維傳入光傳感元件；在光傳感元件中經(jīng)光電轉(zhuǎn)換將測(cè)量檢測(cè)的參數(shù)調(diào)制成幅度、相伴、偏振等信息；最后利用微處理器，如頻譜儀等進(jìn)行信號(hào)處理。光纖傳感器具有數(shù)據(jù)傳輸速度快和測(cè)試溫度高的特點(diǎn)，因信息傳播載體是光波而不受電磁輻射的影響。關(guān)于光纖無(wú)源傳感器的研究和應(yīng)用已比較成熟，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究和關(guān)注的是聲表面波無(wú)源傳感器和基于能源材料的無(wú)源傳感器。

2、聲表面波無(wú)源傳感器

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)是一種在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。由于聲表面波的傳播速度比電磁波?00 000倍，且在它的傳播路徑上容易取樣和進(jìn)行處理。

1965年，美國(guó)懷特和沃爾特默首次采用叉指換能器激發(fā)AW，加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展。圖1為基于聲表面波的典型無(wú)源傳感器的實(shí)物照片。

根據(jù)工作模式的不同，可以把現(xiàn)有的無(wú)源SAW傳感器分為諧振型和延遲線型兩類。其中諧振型傳感器主要用于來(lái)制作化學(xué)傳感器，延遲線型傳感器則主要用于溫度、壓力、應(yīng)力等物理量的檢測(cè)。

SAW傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它由SAW振蕩器、敏感的界面膜材料和振蕩電路組成。SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器，由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，其本質(zhì)是利用叉指換能器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。SAW傳感器無(wú)需額外提供能量，系統(tǒng)會(huì)利用自身收集的能量進(jìn)行工作，這就大大擴(kuò)展了SAW的應(yīng)用領(lǐng)域。

聲表面波技術(shù)自60年代末發(fā)展至今，目前應(yīng)用已涉及到許多學(xué)科領(lǐng)域，如設(shè)備系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、地震學(xué)、雷達(dá)通信、航空航天及石油勘探等，特別是近年來(lái)智能電網(wǎng)建設(shè)的日益推進(jìn)，聲表面波傳感器等無(wú)源傳感器在智能變電站等電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。

基于SAW的溫度傳感系統(tǒng)采用射頻識(shí)別(RFID)與SAW芯片混合集成且支持多點(diǎn)探測(cè)，為變電站中電力設(shè)備及關(guān)鍵部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了一種有效的解決方案。

3、基于能源材料的無(wú)源傳感器

基于能源材料的傳感器可以將自然界中的光能、熱能、機(jī)械能等轉(zhuǎn)化為電能，從而實(shí)現(xiàn)為傳感器系統(tǒng)供電。當(dāng)前，基于能源材料傳感器的國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在光電、熱電、壓電無(wú)源傳感技術(shù)領(lǐng)域。

基于晶體的電光效應(yīng)原理，利用電光晶體或光波導(dǎo)調(diào)制器制成電光式傳感器，配以光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膫鞲袦y(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)復(fù)雜環(huán)境中或小空間內(nèi)的電磁脈沖場(chǎng)進(jìn)行高保真的測(cè)量。與傳統(tǒng)的電測(cè)有源探頭、同軸電纜傳輸?shù)膫鞲衅飨啾?，基于電光效?yīng)原理研制的各類無(wú)源傳感器具有寬頻帶、探頭部分無(wú)源化、 抗干擾能力強(qiáng)、 對(duì)被測(cè)對(duì)象擾動(dòng)極小、靈敏度高等突出優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高電壓、強(qiáng)電磁脈沖、雷電、強(qiáng)輻射區(qū)場(chǎng)強(qiáng)、高功率微波等電磁測(cè)量領(lǐng)域。

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，如圖2所示。

由于具有壓電性的晶體對(duì)稱性較低，當(dāng)受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，晶胞中正負(fù)離子的相對(duì)位移使正負(fù)電荷中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化，而晶體表面電荷面密度等于極化強(qiáng)度在表面法向上的投影，因此，壓電材料受壓力作用形變時(shí)兩端面會(huì)出現(xiàn)異號(hào)電荷而產(chǎn)生電壓，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能， 實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、 加速度等的測(cè)量傳感。

熱電型傳感器是基于熱電材料的熱電效應(yīng)，利用器件內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)器件兩端存在溫差時(shí)，熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器件內(nèi)的載流子定向運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生溫差電流。由于溫差電流與熱場(chǎng)存在一定的相關(guān)性，因此溫差電流不僅可用于熱電型傳感器系統(tǒng)的供電，同時(shí)還是靈敏有效的傳感信號(hào)。

圖3給出了熱電型無(wú)源溫度傳感器的基本工作原理圖，可以看出：外界溫度變化觸發(fā)內(nèi)部熱電器件，由熱電器件為各個(gè)模塊供電。內(nèi)置的數(shù)字型溫度傳感器測(cè)量外界溫度值，并將溫度信號(hào)傳給信號(hào)處理模塊，再將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送。

基于熱電效應(yīng)的無(wú)源溫度傳感器概念，研制出相應(yīng)的無(wú)源傳感器系統(tǒng)。利用低溫區(qū)熱電材料碲化鉍(Bi2Te3)對(duì)溫度的敏感性及發(fā)電特性， 實(shí)現(xiàn)了將溫度傳感信號(hào)和供電電源的合二為一。系統(tǒng)利用自身被觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)作為電源， 為后端的數(shù)據(jù)處理電路和無(wú)線通信電路提供電能， 實(shí)現(xiàn)了傳感信號(hào)從采集、處理到無(wú)線發(fā)送的完全自供電運(yùn)行。

無(wú)源傳感器的技術(shù)發(fā)展

無(wú)源傳感器可以有效解決因使用電池及電源帶來(lái)的各種問(wèn)題，但也面臨著一些急需改進(jìn)優(yōu)化的技術(shù)問(wèn)題。

表1比較了目前國(guó)內(nèi)外幾種典型的無(wú)源傳感器的性能參數(shù)，可以看出：基于聲表面波的無(wú)源傳感器探測(cè)范圍廣、靈敏度高，但其無(wú)線信號(hào)傳輸距離有限，一般僅為20 m以內(nèi)；壓電材料能夠產(chǎn)生較大的輸出電壓，但由于材料內(nèi)阻較大，因此輸出電流極小，僅能驅(qū)動(dòng)一些微功率的傳感器模塊；基于熱電材料的無(wú)源傳感器的輸出功率可以滿足絕大部分傳感器系統(tǒng)的供電需求，且由于使用了射頻芯片，無(wú)線信號(hào)最大傳輸距離在100 m左右，但由于熱電材料對(duì)溫差要求嚴(yán)格，一般只適用于有熱源存在的場(chǎng)合。

關(guān)于未來(lái)無(wú)源傳感器的研究，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)多功能、長(zhǎng)壽命、靈敏度高、監(jiān)控距離遠(yuǎn)無(wú)源傳感器的核心元件設(shè)計(jì)、加工制作及其組網(wǎng)技術(shù)的研究，突破無(wú)源傳感器件用新型高性能智能傳感材料的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多功能集成、高精度、高靈敏度、長(zhǎng)壽命無(wú)源傳感器的自主研發(fā)與國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用推廣。

隨著自供能技術(shù)的進(jìn)一步研究和深入發(fā)展,自供能技術(shù)將在如下方向取得進(jìn)展：（1）低功耗集成電子技術(shù)及先進(jìn)電源管理的發(fā)展將極大地降低微型傳感器的功耗。（2）通過(guò)新的換能器設(shè)計(jì)或者新材料的應(yīng)用將進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率和功率。（3）幾種收集方式結(jié)合將提高不同條件下收集能量的能力。 可以預(yù)見(jiàn),各種功能的無(wú)源傳感器在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手。