2.3 各种传感器技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“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”。传感器技术是一个非常大的话题，如果展开来讲，可能会涉及太多的内容，故本节只做一个简单介绍，让读者能够了解边缘计算领域使用到的传感器种类、技术和发展方向。

传感器这个领域是一个非常细分和专精的行业，很多专业的厂商其实规模非常小，但是产品在市场上却是不可或缺的。在如今万物互联的时代，传感器的重要性更加明显，它们是数据的第一手来源，承担整个物联网和边缘网络神经末端的感觉细胞的作用。虽然它们往往不被注意，但却极为重要。下面将按照传感器的类型进行介绍。

1.视觉和成像传感器

视觉和成像传感器/检测器是可检测其视野内是否存在物体或颜色的电子设备，通常还可以将此信息转换为可视图像以供显示。视觉和成像传感器由摄像头、照明灯和控制部件集成而成，如今无论是在工业领域还是民用领域中的使用都非常普遍。

视觉和成像传感器在质量控制、存在感知、定位和定向、分拣、标签识别、抓取和引导等制造行业场景中有非常广泛的应用。在很多情况下，视觉系统并没有触摸屏可供编程，而是通过远程的程序或边缘端的内置程序运行的，通过这种程序控制生产系统对部件或过程进行干预和处理。这种视觉系统被称为嵌入式视觉系统，可以采集图像或视频信息，同时也能够通过处理和识别这些信息，给控制系统提供参考数据。在产品宣传中，这种视觉成像系统往往也被称为“智能”摄像头。不同的应用场景中，会要求采集黑白或彩色的图像。一般来说，黑白（灰度）图像的处理会相对简单，对软硬件系统的处理能力要求也相对比较低。只有在必须识别颜色的情况下，才建议采用识别和处理彩色图像的嵌入式视觉设备。

大多数的摄像头设备，其镜头周围会设置一圈辅助光源，在光线不足的情况下提供补充光源。有时，为了能够更好地识别图像的轮廓，也会采用背景颜色或背景辅助光源，以便能够更好地识别出复杂的外形。补充光源会根据视觉成像任务的不同，采用白光、红光、蓝光、绿光，甚至紫外线和红外线。

在很多场景中，需要用到高速摄像设备，以便捕捉到物体的运动路径和细节，比如高速生产线和打印机等。

光学检测在生产中的应用最为广泛。例如，用光学检测的方式扫描零件的表面，找出缺陷、错误等。在电路板的生产过程中，在非常早的时期就开始使用光学自动检测（AOI）设备来检测表面组装技术（SMT）生产线完成阶段的电路板生产和焊接质量，检查是否有元器件漏焊、错焊等情况。在其他行业中，光学检测的应用也越来越普遍。光学检测系统可以通过各种不同的编程和智能识别技术，来检查不同的目标结果。

当然，除了通用的摄像头系统，还有一些特殊的光学系统，如下面的几种。

（1）线扫描摄像机。线扫描摄像机通常只有几个像素的宽度，用于对连续运行的生产线、产品进行持续的拍照扫描。通过算法拼接图像，然后识别形状、缺陷等特征。随着机器视觉图像处理技术的发展，在某些高速度、大幅面、高精度的检测项目中，面阵相机很难满足检测的需求，线扫描系统则充分发挥了独特的优势，更好地满足了用户的需求。线扫描系统主要应用的行业领域有印刷制品、大型玻璃、粮食色选、LCD面板检测、PCB检测、钢铁检测、烟草异物剔除、光伏行业等，这些行业领域的产品的相同特点是幅面较宽、速度较快、精度高、流水线上产品的连续性高。

（2）3D摄像机。三维摄像技术主要有以下几种实现方式：立体视觉、飞行时间（TOF）和激光三角测量。这几种三维识别方式各有利弊。立体视觉可以非常准确，但在弱光下的效果不能令人满意，并且耗费较长的处理时间；飞行时间方法用于测量距离和体积，通常用于码垛作业和自动驾驶车辆；激光三角测量即使在弱光和识别复杂表面的场景下效果也非常好，但是识别和处理速度非常缓慢。在很多应用中，增加深度这个维度的3D图像识别技术已经变得非常重要，在人脸识别、自动驾驶、产品外形检查等方面有非常广泛的应用。

2.温度和湿度传感器

温度传感器是非常常用的环境和设备状态的检测器，主要有两种技术实现方式，分别是电阻温度检测器（RTD）和热敏电阻，如表2-2所示。

从上面的对比可以看出这两种传感器的不同特点和适用范围。除上面两种最常用的温度传感器外，还有振弦式温度传感器、半导体温度传感器和热电偶传感器等。这些类型的传感器也有特定的使用领域，比如振弦式温度传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。不过，由于材料的性质，其测量的范围比较有限，但是部署方便，不需要电源，被用于土壤、水、岩体等的温度测量。

湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式、电容式两大类。在实际的应用中，还会遇到各种不同的湿度传感器，如氯化锂元件、碳湿敏元件、氧化铝元件和陶瓷传感器。湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，所以不能密封，这使得其寿命往往比较短，必须定期更换。

3.水平位传感器

水平位传感器用于检测物质的平面高度，包括液体、粉末和颗粒材料的深度，被广泛应用于很多行业，包括石油制造、水处理、饮料和食品制造等。垃圾管理系统也是一种非常常见的应用，因为水平位传感器可以检测垃圾桶或垃圾箱中的垃圾水平。水平位传感器通常使用超声波、电容、振动或机械方法来测定物质的高度。

4.接近传感器（开关）

接近传感器是通过非接触的方式探测接近物体的电子装置，通常能够探测几毫米距离内接近的物体，并将结果转换成电流信号传送给控制器。近距离传感器通常是一个短距离探测设备，但也有可以探测十几厘米距离内的物体的种类。电容式接近传感器是一种常用的接近传感器，这种传感器利用电容器极板（其中一个极板附在被观测物体上）之间的分离距离缩短而产生的电容变化，作为从传感器确定物体的运动和位置的手段。接近传感器被广泛用于制造业的工件和设备的接近探测和预警。

在实际生产和生活中，常用的接近传感器还有电感式接近传感器、磁性接近传感器、光电接近传感器和超声波接近传感器。电感式接近传感器最常用于厚度超过1毫米的铁基金属物品的接近探测。磁性接近传感器比电感式接近传感器有更长的探测距离，可以检测出有色金属、塑料和木材中的磁铁，在各个行业都有非常广泛的应用。

光电接近传感器可以在灰尘和污染物非常严重的环境中工作，也可以安装在传送带和自动水槽等地方。光电接近传感器的工作原理是向接收器发送可见或不可见的光，一旦有东西挡住它，就会向系统发出警报。光电接近传感器主要分为以下三种类型。

（1）直穿型传感器：这种类型的光电接近传感器是最可靠的，但是成本也是最高的。光束向另一端的光线接收器发射，如果中间出现遮挡物，则会触发开关。这种传感器常常被用作设备安全光栅使用。

（2）反射型传感器：光束发射到物体表面并反射回同一端的接收器，这种模式的光发射和接收装置都安装在同一侧。这种类型的光电接近开关的安装成本较低，但是容易被反光或闪光的物品干扰。

（3）漫反射型传感器：可以根据普通物体少量的反射光探测到一定距离内的物体，而且能够根据物体对光束反射量的多少区分物体种类。因此，可以用于物体的分类等用途。

最后要介绍的接近传感器就是超声波接近传感器了，超声波接近传感器被广泛用于自动化生产过程，弥补了光电接近传感器的不足。由于不受环境光的影响，所以它能够检查明亮、黑暗或透明的物质，甚至可以用于探测消音材料。它也可以像光电接近传感器一样进行直穿、反射或漫反射部署。

5.压力传感器

压力传感器是用于检测气体或液体单位面积压力的一种电气设备，其可以检测并向控制和显示设备的输入端提供信号。压力传感器通常使用膜片和应变片桥来检测施加在单位面积上的力，关键的参数指标包括测量介质、最小和最大工作压力、全尺寸精度等。压力传感器用于需要控制或测量气体/液体压力信息的地方。

6.运动传感器

运动传感器/探测器可以感知部件、人员等的运动或停止状态，并向控制或显示设备的输入端提供信号。在工业上，运动检测设备的典型应用有检测输送机失速或轴承卡死等故障。某些运动传感器不但可以检测到运动，还可以提供速度、加速度、运动方向等信息。常用的运动传感器通常是采用光学、超声波或微波等进行探测。

7.金属传感器

金属传感器的适用范围非常广，可以分为利用电磁感应的高频振荡型、使用磁铁的磁阻感应型和利用电容变化的电容型，可以作为接近传感器、接触传感器或弯曲变形监测传感器的基础。金属传感器在自动化、安全、交通、医疗和许多其他领域中发挥着关键作用。

8.泄漏传感器

泄漏传感器用于对液体和气体的泄漏进行检测，这种传感器往往是根据现场的情况而采取的一种综合的检测方法。对于气体的泄漏检测，一般是通过安装气体检测探头进行检测，通过测量某种气体的浓度，确定是否有气体泄漏。例如，煤气、一氧化碳检测等。

对于液体的泄漏检测，根据情况会采用不同的方式。对于密闭容器的泄漏，通常可以采用水位检测传感器，一旦发现液位降低或液位降低的速度异常，则可以判定容器发生了泄漏。还有一种是连接到阀门、接口等可能泄漏处的点泄漏传感器，通常采用电极传感信号，如果液体接触或接近电极，便会触发传感器并报警。在特殊的情况下，还有采用声波或超声波及光学方法进行泄漏检测的。

9.电传感器

电传感器是一大类传感器和仪表的总称，通常用于测量与交直流电相关的参数，如电压、电流、相位、频率等。电传感器通常依靠霍尔效应检测电路和电荷相关的参数，但也有使用其他方法的情况。

多功能智能电表（图2-16）是最常见的测量电能和供电质量的设备，在能源物联网和边缘计算领域中发挥了非常重要的作用。