常用的传感器的原理和应用

2020-08-28 14:22
143

  当今社会,传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

828.jpg

一、传感器定义


  传感器是复杂的设备,经常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、压力、液位等)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。


8281.jpg



四、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。


  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