五种传感器的原理及应用

知识点：传感器

一、传感器定义

　　传感器是个复杂的设备，经常会被用来检测和响应电信号或光信号。传感器将物理参数（例如：温度、血压、湿度、速度等）转换成可以用电测量的信号。我们可以先来解释一下温度的例子，玻璃温度计中的水银使液体膨胀和收缩，从而将测量到的温度转换为可被校准玻璃管上的观察者读取的温度。

　　二、传感器选择的标准

　　在选择传感器时，必须考虑某些特性，具体如下：

1.准确性

2.环境条件——通常对温度/湿度有限制

3.范围——传感器的测量极限

4.校准——对于大多数测量设备而言必不可少，因为读数会随时间变化

5.分辨率——传感器检测到的最小增量

6.费用

7.重复性——在相同环境下重复测量变化的读数

三、传感器分类的标准

　　传感器分为以下标准：

1.主要输入数量（被测量者）

2.转导原理（利用物理和化学作用）

3.材料与技术

4.财产

5.应用程序

　　转导原理是有效方法所遵循的基本标准。通常，材料和技术标准由开发工程小组选择。

根据属性分类如下：

·温度传感器——热敏电阻、热电偶、RTD、IC等。

·压力传感器——光纤、真空、弹性液体压力计、LVDT、电子。

·流量传感器——电磁、压差、位置位移、热质量等。

·液位传感器——压差、超声波射频、雷达、热位移等。

·接近和位移传感器——LVDT、光电、电容、磁、超声波。

·生物传感器——共振镜、电化学、表面等离子体共振、光寻址电位测量。

·图像——电荷耦合器件、CMOS

·气体和化学传感器——半导体、红外、电导、电化学。

·加速度传感器——陀螺仪、加速度计。

·其他——湿度、湿度传感器、速度传感器、质量、倾斜传感器、力、粘度。

　　来自生物传感器组的表面等离子体共振和光可寻址电位是基于光学技术的新型传感器。与电荷耦合器件相比，CMOS图像传感器的分辨率较低，CMOS具有体积小、价格便宜、功耗低的优点，因此可以更好地替代电荷耦合器件。加速度计由于在未来的应用中（如飞机、汽车等）以及在视频游戏、玩具等领域中的重要作用而被独立分组。磁强计是测量磁通强度B（以特斯拉或As/m2为单位）的传感器。

根据传感器的电源或能量供应要求进行分类：

·有源传感器–需要电源的传感器称为有源传感器。示例：激光雷达（光探测和测距）、光电导单元。

·无源传感器–不需要电源的传感器称为无源传感器。例如：辐射计、胶片摄影。

根据应用分类如下：

·工业过程控制、测量和自动化

·非工业用途-飞机、医疗产品、汽车、消费电子产品、其他类型的传感器。

　　根据当前和未来的应用前景中，传感器可分为以下几类：

·加速计——它们基于微电子机械传感器技术。它们用于病人监测，包括配速器和车辆动态系统。

·生物传感器——它们基于电化学技术。它们用于食品测试、医疗设备、水测试和生物战剂检测。

·图像传感器——它们基于CMOS技术。它们被用于消费电子、生物测定、交通和安全监视以及个人电脑成像。

·运动探测器——基于红外线、超声波和微波/雷达技术。它们被用于电子游戏和模拟，光激活和安全检测。

四、五种常用的传感器类型

　　一些常用的传感器及其原理和应用说明如下：

（一）、温度传感器

　　该设备从源头收集有关温度的信息，并转换成其他设备或人可以理解的形式。温度传感器的最佳例证是玻璃水银温度计，会随着温度的变化而膨胀和收缩。外部温度是温度测量的来源，观察者观察汞的位置以测量温度。温度传感器有两种基本类型：

·接触式传感器——这种类型的传感器需要与被感测对象或介质直接物理接触。它们可以在在很大的温度范围内监控固体、液体和气体的温度。

·非接触式传感器——这种类型的传感器不需要与被检测的物体或介质发生任何物理接触。它们监控非反射性固体和液体，但由于天然透明性，因此对气体无用。这些传感器使用普朗克定律测量温度。该定律处理从热源辐射的热量以测量温度。

　　不同类型温度传感器的工作原理及实例

　　（i）热电偶——它们由两根电线（每根均为不同的均匀合金或金属）组成，通过在一端的连接形成测量接头，该测量接头对被测元件开放。电线的另一端端接到测量设备，在此形成参考结。由于两个结点的温度不同，电流流过电路，测量得到的毫伏来确定结点的温度。热电偶示意图如下。

　　（ii）电阻温度检测器（RTD）——这是一种热电阻，其制造目的是随着温度的变化改变电阻，它们比任何其他温度检测设备都贵。电阻式温度探测器示意图如下。

　　（iii）热敏电阻——它们是另一种电阻，电阻的大变化与温度的小变化成正比。

（二）、红外传感器

　　该设备发射或检测红外辐射以感知环境中的特定相位。一般来说，热辐射是由红外光谱中的所有物体发出的，红外传感器检测到这种人眼看不见的辐射。

优势

·易于连接

·市场上现货供应

缺点

·受到周围噪音干扰，如辐射、环境光等。

工作原理

　　其基本思想是利用红外发光二极管向物体发射红外光。同一类型的另一个红外二极管将用于探测物体反射波。红外Led传感器工作原理简图如下所示。

　　当红外接收器受到红外光照射时，导线上会产生电压差。由于产生的电压很小，很难被检测到，因此使用运算放大器（运放）来准确地检测低电压。

　　测量物体与接收传感器的距离：红外传感器组件的电特性可用于测量物体的距离，当红外接收器受到光照时，导线上会产生电位差。

应用

·热成像-根据黑体辐射定律，可以使用热成像来观察有或没有可见光的环境。

·加热-红外线可用于烹饪和加热食物，它们能把飞机机翼上的冰带走。它们广泛应用于印刷印染、塑料成型、塑料焊接等工业领域。

·光谱学-这项技术通过分析组成键来识别分子，这项技术利用光辐射来研究有机化合物。

·气象-当气象卫星配备有扫描辐射计时，可以计算云层高度、陆地和地表温度。

·光生物调节-用于癌症患者的化疗，这是用来治疗抗疱疹病毒。

·气候学-监测大气和地球之间的能量交换。

·通信——红外线激光为光纤通信提供光。这些辐射也用于手机和计算机外围设备之间的短程通信。

（三）、紫外线传感器

　　这些传感器测量入射紫外线的强度或功率。这种电磁辐射的波长比x射线长，但仍比可见光短。一种被称为聚晶金刚石的活性材料正被用于可靠的紫外传感，紫外线传感器可以发现环境暴露在紫外线辐射下的情况。

选择紫外线传感器的标准

·紫外传感器可以检测到的波长范围（纳米）

·工作温度

·准确度

·重量

·功率范围

工作原理

　　紫外线传感器接收一种类型的能量信号，并传输不同类型的能量信号。

　　为了观察和记录这些输出信号，它们被导向电表。为了生成图形和报告，输出信号被传输到模数转换器（ADC），然后再通过软件传输到计算机。

示例包括：

·紫外线光电管是一种辐射敏感的传感器，用于监测紫外线空气处理、紫外线水处理和太阳辐射。

·光传感器测量入射光的强度。

·紫外光谱传感器是用于科学摄影的电荷耦合器件（CCD）。

·紫外线探测器。

·杀菌紫外线探测器。

·光稳定性传感器。

应用

·测量紫外线光谱中晒伤皮肤的部分

·药房

·汽车

·机器人学

·溶剂处理和染色工艺的印染工业

·化学品生产、储存和运输用化学工业

（四）、触摸传感器

　　触摸传感器根据触摸位置充当可变电阻器。触摸传感器作为可变电阻工作的图。

　　触摸传感器由以下部件组成：

·全导电物质，如铜

·绝缘间隔材料，如泡沫或塑料

·部分导电材料

原理与工作

　　部分导电材料反对电流的流动。线性位置传感器的主要原理是，当电流必须通过的材料长度越长时，电流流就越相反。因此，材料的电阻通过改变其与完全导电材料接触的位置而变化。

　　通常，软件与触摸传感器相连。在这种情况下，内存是由软件提供的。当传感器被关闭时，他们可以记忆“最后一次接触的位置”。一旦传感器被激活，他们就能记住“第一次接触位置”，并理解与之相关的所有值。这个动作类似于移动鼠标并将其定位在鼠标垫的另一端，以便将光标移动到屏幕的远端。

应用

　　触摸传感器具有成本效益高、经久耐用的特点，被广泛应用于

·商业——医疗、销售、健身和游戏

·电器-烤箱、洗衣机/烘干机、洗碗机、冰箱

·运输-驾驶舱制造和车辆制造商之间的简化控制

·液位传感器

·工业自动化-位置和液位传感，自动化应用中的人工触摸控制

·消费电子产品-在各种消费产品中提供新的感觉和控制水平

（五）、接近传感器

　　接近传感器检测几乎没有任何接触点的物体的存在。由于传感器与被测物体之间没有接触，且缺少机械零件，因此这些传感器的使用寿命长，可靠性高。不同类型的接近传感器有感应式接近传感器、电容式接近传感器、超声波接近传感器、光电传感器、霍尔效应传感器等。

工作原理

　　接近传感器发射电磁或静电场或电磁辐射束（如红外线），并等待返回信号或场中的变化，被感测的物体称为接近传感器的目标。

　　感应式接近传感器-它们有一个振荡器作为输入，通过接近导电介质来改变损耗电阻。这些传感器是首选的金属目标。

　　电容式接近传感器-它们转换检测电极和接地电极两侧的静电电容变化。这是通过以振荡频率的变化接近附近的物体而发生的。为了检测附近的目标，将振荡频率转换为直流电压，并与预定阈值进行比较。这些传感器是塑料目标的首选。

应用

·在自动化工程中用于定义过程工程设备、生产系统和自动化设备的运行状态

·在窗口中使用，当窗口打开时会激活警报

·用于机械振动监测计算轴与支承轴承的距离差

五、原则

　　不同的定义被批准用于区分传感器和传感器。传感器可以被定义为一种元件，用一种形式的能量来感知，以产生相同或另一种形式的能量的变体。传感器利用转换原理将被测物转换成所需的输出。

　　根据所获得和产生的信号，原理可分为以下几类，即电、机械、热、化学、辐射和磁。

　　以超声波传感器为例。

　　超声波传感器用于检测物体的存在。它通过从设备头部发射超声波，然后从相关物体接收反射的超声波信号来实现。这有助于探测物体的位置、存在和移动。

　　由于超声波传感器依靠声音而不是光来检测，它被广泛应用于测量水位、医疗扫描程序和汽车工业。超声波利用其反射传感器可以探测透明物体，如透明薄膜、玻璃瓶、塑料瓶和平板玻璃。

工作

　　超声波的运动因介质的形状和类型而异。例如，超声波在均匀介质中直线运动，并在不同介质之间的边界处反射和传回。人体在空气中会引起相当大的反射，而且很容易被发现。

　　最好通过了解以下内容来解释超声波的传播：

　　一、多重反射

　　当波在传感器和检测对象之间被多次反射时，会发生多次反射。

　　二、限制区

　　最小感应距离和最大感应距离可调。这叫做极限区。

　　三、未探测区

　　未检测区域是传感器头表面与检测距离调整产生的最小检测距离之间的间隔。下图所示。

　　未检测区域是靠近传感器的区域，由于传感器头部配置和混响，无法进行检测。由于传感器和物体之间的多次反射，检测可能发生在不确定区域。

应用

　　传感器用于多种应用，如：

·冲击检测

·机器监控应用程序

·车辆动力学

·低功耗应用

·结构动力学

·医疗航天

·核仪器

·作为手机“触摸键盘”中的压力传感器

·接触灯座时变亮或变暗的灯

·电梯中的触控按钮

六、先进的传感器技术

　　传感器技术在制造领域有着广泛的应用。先进技术如下：

　　一、条形码识别——市场上销售的产品有一个通用产品代码（UPC），它是一个12位代码。其中五个数字代表制造商，另外五个数字代表产品。前六位数字用代码表示为亮条和暗条。第一位表示数字系统的类型，第二位表示奇偶性表示读数的准确性。剩下的六位数字用暗线和暗线表示，与前六位数字的顺序相反。条形码如下图所示。

　　条形码阅读器可以管理不同的条形码标准，即使不知道标准代码。条形码的缺点是，如果条形码被油脂或污垢遮盖，条形码扫描仪将无法读取。

　　二、转发器——在汽车部分，在许多情况下使用射频设备。转发器隐藏在钥匙的塑料头内，任何人都看不见。钥匙插入点火锁芯。当你转动钥匙时，电脑会向收发器发送一个无线电信号。在应答器对信号做出响应之前，计算机不会让发动机点火。这些转发器由无线电信号供电。

　　三、制造部件的电磁识别——这类似于条形码技术，数据可以在磁条上编码。使用磁条技术，即使代码隐藏在油脂或污垢中，也可以读取数据。

　　四、表面声波——此过程类似于射频识别。在这里，部件识别由雷达类型信号触发，并且与RF系统相比，被远距离传输。

　　五、光学字符识别——这是一种自动识别技术，使用字母数字字符作为信息源。在美国，邮件处理中心使用光学字符识别。它们也用于视觉系统和语音识别系统。

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1、GB5226.1-2008 机械电气安全

2、GB19517-2009国家电气设备安全技术规范