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傳感器類型大全及各類傳感器工作原理詳解

傳感器是一種復雜的設備,經常用于檢測和響應電子或光學信號。傳感器將物理參數(例如:溫度、血壓、濕度、速度等)轉換成一個可以用電來測量的信號。傳感器的選擇標準、各種類型及其工作原理。傳感器技術廣泛應用于制造領域。

傳感器是一種復雜的設備,經常用于檢測和響應電子或光學信號。傳感器將物理參數(例如:溫度、血壓、濕度、速度等)轉換成一個可以用電來測量的信號。讓我們來解釋一下溫度的例子:玻璃溫度計中的水銀使液體膨脹和收縮,從而將測量到的溫度轉換成可由校準玻璃管上的觀察器讀取的溫度。

常用傳感器圖片
圖1:常用傳感器的圖像

選擇傳感器的標準

選擇傳感器時,必須考慮某些功能。它們如下:
1. 準確性
2. 環境條件 - 通常對溫度/濕度有限制
3. 范圍 - 傳感器的測量極限
4. 校準 - 隨著讀數隨時間變化,對大多數測量設備至關重要
5. 分辨率 - 傳感器檢測到的最小增量
6. 成本
7. 重復性 - 在相同的環境下重復測量變化的讀數

傳感器類型

傳感器分為以下標準:
1. 主要輸入數量(Measurand)
2. 轉換原則(使用物理和化學效應)
3. 材料與技術
4. 屬性
5. 應用

轉換原則是有效方法遵循的基本標準。
通常,材料和技術標準由開發工程組選擇。

基于屬性的分類如下:

· 溫度 - 熱敏電阻,熱電偶,RTD,IC等等。
· 壓力 - 光纖,真空,彈性液體壓力計,LVDT,電子。
· 流量 - 電磁,差壓,位移,熱質量等
· 液位傳感器 - 差壓,超聲波射頻,雷達,熱位移等
· 接近和位移 - LVDT,光電,電容,磁,超聲波。
· 生物傳感器 - 共振鏡,電化學,表面等離子共振,光可尋址電位。
· 圖像 - 電荷耦合器件,CMOS
· 氣體和化學品 - 半導體,紅外線,電導率,電化學。
· 加速度 - 陀螺儀, 加速度計。
· 其他 - 濕度,濕度傳感器,速度傳感器,質量,傾斜傳感器,力,粘度。

表面等離子體共振和光尋址電位計是基于生物傳感器的新型光學技術。與電荷耦合器件相比,CMOS圖像傳感器具有較低的分辨率。CMOS具有體積小、成本低、功耗低等優點,是電荷耦合器件的較好替代品。加速度計是獨立分組的,因為它們在未來的應用中發揮著重要的作用,如飛機、汽車等,以及在電子游戲、玩具等領域。磁力儀是測量磁通量強度B(單位為特斯拉或As/m2)的傳感器。

基于應用的分類如下:

· 工業過程控制,測量和自動化
· 非工業用途 - 飛機,醫療產品,汽車,消費類電子產品,其他類型的傳感器。

傳感器可根據傳感器的功率或能量供應要求進行分類:

· 有源傳感器 - 需要電源的傳感器稱為有源傳感器。示例:LiDAR(光檢測和測距),光電導電池。
· 無源傳感器 - 不需要電源的傳感器稱為無源傳感器。示例:輻射計,膠片攝影。

在當前和未來的應用中,傳感器可以分為如下四類:

· 加速度計 - 這些基于Micro Electro Mechanical傳感器技術。它們用于患者監測,包括起搏器和車輛動力系統。
· 生物傳感器 - 這些都是基于電化學技術。它們用于食品檢測,醫療設備,水檢測和生物戰劑檢測。
· 圖像傳感器 - 這些都基于CMOS技術。它們用于消費電子,生物識別,交通和安全監控以及PC成像。
· 運動探測器 - 基于紅外線,超聲波和微波/ 雷達技術。它們用于視頻游戲和模擬,光激活和安全檢測。

傳感器類型詳解

一些常用的傳感器及各個類型傳感器工作原理和應用解釋如下:


Type1:溫度傳感器

1. 溫度傳感器

該設備從源中收集有關溫度的信息,并將其轉換為其他設備或人員可以理解的形式。溫度傳感器最好的例子是玻璃溫度計中的水銀。玻璃中的水銀隨著溫度的變化而膨脹和收縮。外部溫度是溫度測量的源元件。觀察者通過觀察水銀的位置來測量溫度。

溫度傳感器有兩種基本類型:

· 接觸傳感器——這類傳感器需要與被感知的對象或介質進行直接的物理接觸。它們可以在很寬的溫度范圍內監測固體、液體和氣體的溫度。
· 非接觸式傳感器——這種類型的傳感器不需要與被感知的對象或介質進行任何物理接觸。它們監督不反光的固體和液體,但由于自然透明,對氣體不起作用。這些傳感器使用普蘭克定律來測量溫度。這個定律處理從熱源輻射出來的熱量來測量溫度。

使用不同類型的溫度傳感器以及示例:

(1)熱電偶- 它們由兩根導線(每根導線由不同的均勻合金或金屬制成)制成,通過一端連接形成測量接頭。該測量接頭對被測元件開放。導線的另一端終止于測量裝置,在測量裝置中形成參考接合點。由于兩個連接點的溫度不同,電流流過電路。測量所得的毫伏電壓以確定結處的溫度。熱電偶溫度傳感器如下圖所示。

熱電偶溫度傳感器圖片
圖2:顯示熱電偶溫度傳感器的圖像

(2)電阻溫度檢測器(RTD) - 這是一種熱電阻,它是根據溫度的變化來改變電阻的。它們比任何其他溫度檢測設備都昂貴。電阻溫度探測器的原理圖如下圖所示。

(3)熱敏電阻 - 熱敏電阻是電阻的大變化與溫度的小變化成正比的另一種熱敏電阻。

Type2:紅外傳感器

2. 紅外傳感器


典型紅外傳感器圖片
圖3:典型紅外傳感器的圖像

該裝置發射和/或檢測紅外輻射以感測環境中的特定相。通常,熱輻射由紅外光譜中的所有物體發射。所述紅外線傳感器檢測到這種類型的輻射是不人眼可見的。

好處

· 易于連接
· 隨時可在市場上買到

缺點

· 周圍的噪音干擾,如輻射,環境光等。

工作

基本思想是利用IR LED將紅外波發送到物體。另一個相同類型的IR二極管用于檢測來自物體的反射波。該圖如下所示。

紅外傳感器的各種原理
圖4:簡化圖解釋紅外傳感器的工作原理

當IR接收器受到紅外光時,在引線上產生電壓差。產生的電壓較小,幾乎檢測不到,因此運算放大器(Op-amp)用于精確地檢測低電壓。

測量物體與接收器傳感器的距離:IR傳感器組件的電氣特性可用于測量物體的距離。當IR接收器受到光照時,在引線上產生電位差。

應用

· 熱成像 - 根據黑體輻射定律,可以使用熱成像觀察有無可見光照射的環境
· 加熱 - 紅外線可用于烹飪和加熱食品。它們可以從飛機的機翼上帶走冰。它們在工業領域很受歡迎,例如印刷,塑料成型和塑料焊接。
· 光譜學 - 該技術用于通過分析成分鍵來識別分子。該技術使用光輻射來研究有機化合物。
· 氣象學 - 當氣象衛星配備掃描輻射計時,可以實現云高,計算陸地和地面溫度。
· 光生物調節 - 用于癌癥患者的化療。這用于治療抗皰疹病毒。
· 氣候學 - 監測大氣與地球之間的能量交換。
· 通信 - 紅外激光為光纖通信提供光。這些輻射還用于移動設備和計算機外圍設備之間的短距離通信。

Type3:UV傳感器

3. 紫外線傳感器

這些傳感器測量入射紫外線輻射的強度或功率。這種形式的電磁輻射的波長比X射線長,但仍然比可見輻射短。稱為多晶金剛石的活性材料用于可靠的紫外線感測。紫外線傳感器可以發現環境暴露于紫外線輻射。

選擇UV傳感器的標準

· 波長范圍為納米(nm),可通過紫外線傳感器檢測。
· 工作溫度
· 準確性
· 重量
· 功率范圍

工作

UV傳感器接受一種類型的能量信號并傳輸不同類型的能量信號。
為了觀察和記錄這些輸出信號,將它們導向電表。要創建圖形和報告,輸出信號將傳輸到模數轉換器(ADC),然后傳輸到帶有軟件的計算機。

例子包括:

· 紫外光電管是輻射敏感傳感器,可監控紫外線空氣處理,紫外線水處理和太陽輻照度。
· 光傳感器測量入射光的強度。
· 紫外光譜傳感器是用于科學攝影的電荷耦合器件(CCD)。
· 紫外線探測器。
· 殺菌紫外線探測器。
· 光穩定性傳感器。

應用

· 測量紫外線光譜中曬傷人體皮膚的部分
· 藥房
· 汽車
· 機器人
· 用于溶劑處理和染色工藝的印刷工業
· 化學工業,用于化學品的生產,儲存和運輸


Type4:觸摸傳感器

4. 觸摸傳感器

觸摸傳感器根據觸摸位置充當可變電阻器。該圖如下所示。

觸摸傳感器作為可變電阻器的工作原理圖
圖5:顯示觸摸傳感器作為可變電阻器工作原理圖

觸摸傳感器由以下部分組成:
· 全導電物質,如銅
· 絕緣間隔材料,如泡沫或塑料
· 部分導電材料

觸摸傳感器工作原理

部分導電材料阻擋電流的流動。線性位置傳感器的主要原理是,當必須通過電流的材料的長度越大,電流就越反向流動。因此,通過改變材料與全導電材料接觸的位置來改變材料的電阻。

一般來說,軟件接口到觸摸傳感器。在這種情況下,軟件將提供存儲器。當傳感器停止工作時,他們可以記住“最后接觸的位置”。一旦傳感器被激活,他們就能記住“第一次觸碰的位置”,并理解與之相關的所有值。這種操作類似于移動鼠標并將其定位在鼠標墊的另一端,以便將光標移動到屏幕的遠端。

應用

觸摸傳感器具有成本效益和耐用性,可用于許多應用,例如
· 商業 - 醫療(醫用傳感器),自動售貨,健身和游戲
· 家電 - 烤箱,洗衣機/干衣機,洗碗機,冰箱
· 運輸 - 駕駛艙制造和車輛制造商之間的流線型控制
· 液位傳感器
· 工業自動化 - 自動化應用中的位置和液位傳感、人體觸摸控制
· 消費電子產品 - 為各種消費類產品提供新的感覺和控制水平

Type5:接近傳感器

5. 接近傳感器

接近傳感器檢測幾乎沒有任何接觸點的物體的存在。由于傳感器與感應物體之間沒有接觸,缺少機械部件,因此這些接近傳感器具有較長的使用壽命和較高的可靠性。不同類型的接近傳感器是電感式接近傳感器,電容式接近傳感器,超聲波接近傳感器,光電傳感器,霍爾效應傳感器等。


工作

接近傳感器發射電磁或靜電場或電磁輻射束(例如紅外線),并等待返回信號或場的變化。被感測的物體被稱為近距離傳感器的目標。
電感式接近傳感器 - 它們具有振蕩器作為輸入,通過接近導電介質來改變損耗電阻。這些傳感器是金屬目標的首選。
電容式接近傳感器 - 它們轉換由檢測電極和接地電極兩側的靜電電容變化。這通過以振蕩頻率的變化接近附近物體而發生。為了檢測附近的物體,將振蕩頻率轉換成直流電壓,該直流電壓與預定的閾值進行比較。這些傳感器是塑料目標的首選。

應用

· 用于自動化工程,以定義過程工程設備,生產系統和自動化工廠的運行狀態
· 在窗口中使用,窗口打開時會激活警報
· 用于機器振動監測,計算軸與其支撐軸承之間的距離差

原理

批準不同的定義以區分傳感器和換能器。傳感器可以被定義為以一種形式的能量感測以產生相同或另一種形式的能量的變體的元素。傳感器使用轉換原理將被測量轉換為所需的輸出。
基于獲得和創建的信號,該原理可以分為以下組,即電氣,機械,熱,化學,輻射和磁性。
我們以超聲波傳感器為例。
超聲波傳感器用于檢測物體的存在。它通過從裝置頭發射超聲波然后從有關物體接收反射的超聲波信號來實現這一點。這有助于檢測物體的位置,存在和移動。


Type6:超聲波傳感器

6. 超聲波傳感器

超聲波傳感器原理圖
圖6:超聲波傳感器的原理圖

由于超聲波傳感器依靠聲音而不是光線進行檢測,因此它被廣泛用于測量水位,醫療掃描程序以及汽車工業。超聲波可以使用其反射傳感器檢測透明物體,如透明薄膜,玻璃瓶,塑料瓶和平板玻璃。

工作

超聲波的移動因介質的形狀和類型而不同。例如,超聲波在均勻介質中直線移動,并在不同介質之間的邊界處被反射和傳回。空氣中的人體引起相當大的反射并且可以容易地檢測到。
通過了解以下內容可以最好地解釋超聲波的傳播:
1. 多重反思
當波在傳感器和檢測對象之間反射不止一次時,會發生多次反射。
2. 極限區域
可以調整最小感應距離和最大感應距離。這稱為限制區域。
3. 未檢測區
未檢測區域是傳感器頭表面與檢測距離調整產生的最小檢測距離之間的間隔。該圖如下所示。

超聲波傳感器中的感應范圍圖
圖7:超聲波傳感器中的感應范圍圖

Undetection區域是靠近傳感器的區域,由于傳感器頭配置和混響,無法進行檢測。由于傳感器和物體之間的多次反射,檢測可能發生在不確定區域中。

應用
傳感器用于多種應用,例如:
· 沖擊檢測
· 機器監控應用
· 車輛動力學
· 低功耗應用
· 結構動力學
· 醫療航空航天
· 核儀器儀表
· 作為手機觸摸鍵盤中的壓力傳感器
· 燈泡接觸底座時會變亮或變暗
· 電梯中的觸敏按鈕


高級傳感器技術

傳感器技術廣泛應用于制造領域。


先進技術如下:

1.條形碼識別 - 市場上銷售的產品具有通用產品代碼(UPC),這是一個12位數的代碼。其中五個數字表示制造商,另外五個表示產品。前六位數字由代碼表示為淺色和深色條。第一個數字表示數字系統的類型,第二個數字表示數字系統,表示讀數的準確性。其余六位數字由代碼表示為暗條和亮條,反轉前六位的順序。條形碼如下圖所示。


掃描條形碼的典型圖片
圖8:條形碼閱讀器掃描條形碼的典型圖像

即使不了解標準代碼,條形碼閱讀器也可以管理不同的條形碼標準。條形碼的缺點是如果條形碼被油脂或污垢隱藏,則條形掃描儀無法讀取。

2. 轉發器 - 在汽車部分,在許多情況下使用射頻設備。發送應答器隱藏在鑰匙的塑料頭內,任何人都看不到。鑰匙插入點火鎖芯。當您轉動鑰匙時,計算機會將無線電信號發送到發送應答器。在發送應答器響應信號之前,計算機不會讓引擎點燃。這些轉發器由無線電信號激勵。發送應答器的數字如下圖所示:

密鑰中使用的嵌入式轉發器圖片
圖9:密鑰中使用的嵌入式轉發器的圖像

3. 制造部件的電磁識別 - 這類似于條形碼技術,其中數據可以在磁條上編碼。通過磁條,即使代碼被油脂或污垢隱藏,也可以讀取數據。

4. 表面聲波 - 此過程類似于RF識別。這里,部件識別由雷達類型信號觸發,并且與RF系統相比在長距離上傳輸。

5. 光學字符識別 - 這是一種使用字母數字字符作為信息來源的自動識別技術。在美國,光學字符識別用于郵件處理中心。它們還用于視覺系統和語音識別系統。


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