五種常用的傳感器原理解析

一臺(tái)設(shè)備所采用的的傳感器是否先進(jìn)、可靠有時(shí)直接決定了設(shè)備的先進(jìn)性和可靠性。
很多機(jī)械工程師在觀念上有一個(gè)誤區(qū)：機(jī)械工程師只負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)的東西，傳感器、電氣元件選用及控制方案是電氣工程師或系統(tǒng)工程師的事。如果你是某個(gè)項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)工程師，在方案構(gòu)想階段就要考慮到選用哪些類型的傳感器以及設(shè)備的動(dòng)作流程和控制方式。

一、傳感器定義

傳感器是個(gè)復(fù)雜的設(shè)備，經(jīng)常會(huì)被用來檢測(cè)和響應(yīng)電信號(hào)或光信號(hào)。傳感器將物理參數(shù)（例如：溫度、血壓、濕度、速度等）轉(zhuǎn)換成可以用電測(cè)量的信號(hào)。 我們可以先來解釋一下溫度的例子，玻璃溫度計(jì)中的水銀使液體膨脹和收縮，從而將測(cè)量到的溫度轉(zhuǎn)換為可被校準(zhǔn)玻璃管上的觀察者讀取的溫度。

二、傳感器選擇的標(biāo)準(zhǔn)

在選擇傳感器時(shí)，必須考慮某些特性，具體如下： 1、準(zhǔn)確性 2、環(huán)境條件——通常對(duì)溫度/濕度有限制 3、范圍——傳感器的測(cè)量極限 4、校準(zhǔn)——對(duì)于大多數(shù)測(cè)量設(shè)備而言必不可少，因?yàn)樽x數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化 5、分辨率——傳感器檢測(cè)到的最小增量 6、價(jià)格 7、重復(fù)性——在相同環(huán)境下重復(fù)測(cè)量變化的讀數(shù)

三、傳感器分類的標(biāo)準(zhǔn)

傳感器分為以下標(biāo)準(zhǔn)： 1、主要輸入數(shù)量（被測(cè)量者） 2、轉(zhuǎn)導(dǎo)原理（利用物理和化學(xué)作用） 3、材料與技術(shù) 4、財(cái)產(chǎn) 5、應(yīng)用程序 轉(zhuǎn)導(dǎo)原理是有效方法所遵循的基本標(biāo)準(zhǔn)。通常，材料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由開發(fā)工程小組選擇。 根據(jù)屬性分類如下： ·溫度傳感器——熱敏電阻、熱電偶、RTD、IC等。 ·壓力傳感器——光纖、真空、彈性液體壓力計(jì)、LVDT、電子。 ·流量傳感器——電磁、壓差、位置位移、熱質(zhì)量等。 ·液位傳感器——壓差、超聲波射頻、雷達(dá)、熱位移等。 ·接近和位移傳感器——LVDT、光電、電容、磁、超聲波。 ·生物傳感器——共振鏡、電化學(xué)、表面等離子體共振、光尋址電位測(cè)量。 ·圖像——電荷耦合器件、CMOS ·氣體和化學(xué)傳感器——半導(dǎo)體、紅外、電導(dǎo)、電化學(xué)。 ·加速度傳感器——陀螺儀、加速度計(jì)。 ·其他——濕度、濕度傳感器、速度傳感器、質(zhì)量、傾斜傳感器、力、粘度。

來自生物傳感器組的表面等離子體共振和光可尋址電位是基于光學(xué)技術(shù)的新型傳感器。與電荷耦合器件相比，CMOS圖像傳感器的分辨率較低，CMOS具有體積小、價(jià)格便宜、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此可以更好地替代電荷耦合器件。加速度計(jì)由于在未來的應(yīng)用中（如飛機(jī)、汽車等）以及在視頻游戲、玩具等領(lǐng)域中的重要作用而被獨(dú)立分組。磁強(qiáng)計(jì)是測(cè)量磁通強(qiáng)度B（以特斯拉或As/m2為單位）的傳感器。 根據(jù)傳感器的電源或能量供應(yīng)要求進(jìn)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：激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）、光電導(dǎo)單元。

·無源傳感器–不需要電源的傳感器稱為無源傳感器。例如：輻射計(jì)、膠片攝影。 根據(jù)應(yīng)用分類如下： ·工業(yè)過程控制、測(cè)量和自動(dòng)化 ·非工業(yè)用途-飛機(jī)、醫(yī)療產(chǎn)品、汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品、其他類型的傳感器。 根據(jù)當(dāng)前和未來的應(yīng)用前景中，傳感器可分為以下幾類： ·加速計(jì)——它們基于微電子機(jī)械傳感器技術(shù)。它們用于病人監(jiān)測(cè)，包括配速器和車輛動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 ·生物傳感器——它們基于電化學(xué)技術(shù)。它們用于食品測(cè)試、醫(yī)療設(shè)備、水測(cè)試和生物戰(zhàn)劑檢測(cè)。 ·圖像傳感器——它們基于CMOS技術(shù)。它們被用于消費(fèi)電子、生物測(cè)定、交通和安全監(jiān)視以及個(gè)人電腦成像。 ·運(yùn)動(dòng)探測(cè)器——基于紅外線、超聲波和微波/雷達(dá)技術(shù)。它們被用于電子游戲和模擬，光激活和安全檢測(cè)。

四、五種常用的傳感器類型

一些常用的傳感器及其原理和應(yīng)用說明如下：

（一）溫度傳感器

該設(shè)備從源頭收集有關(guān)溫度的信息，并轉(zhuǎn)換成其他設(shè)備或人可以理解的形式。溫度傳感器的最佳例證是玻璃水銀溫度計(jì)，會(huì)隨著溫度的變化而膨脹和收縮。外部溫度是溫度測(cè)量的來源，觀察者觀察汞的位置以測(cè)量溫度。溫度傳感器有兩種基本類型：

·接觸式傳感器 這種類型的傳感器需要與被感測(cè)對(duì)象或介質(zhì)直接物理接觸。它們可以在在很大的溫度范圍內(nèi)監(jiān)控固體、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檢測(cè)的物體或介質(zhì)發(fā)生任何物理接觸。它們監(jiān)控非反射性固體和液體，但由于天然透明性，因此對(duì)氣體無用。這些傳感器使用普朗克定律測(cè)量溫度。該定律處理從熱源輻射的熱量以測(cè)量溫度。 不同類型溫度傳感器的工作原理及實(shí)例 （i）熱電偶——它們由兩根電線（每根均為不同的均勻合金或金屬）組成，通過在一端的連接形成測(cè)量接頭，該測(cè)量接頭對(duì)被測(cè)元件開放。電線的另一端端接到測(cè)量設(shè)備，在此形成參考結(jié)。由于兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，電流流過電路，測(cè)量得到的毫伏來確定結(jié)點(diǎn)的溫度。熱電偶示意圖如下。 （ii）電阻溫度檢測(cè)器（RTD）——這是一種熱電阻，其制造目的是隨著溫度的變化改變電阻，它們比任何其他溫度檢測(cè)設(shè)備都貴。電阻式溫度探測(cè)器示意圖如下。 （iii）熱敏電阻——它們是另一種電阻，電阻的大變化與溫度的小變化成正比。

（二）紅外傳感器

該設(shè)備發(fā)射或檢測(cè)紅外輻射以感知環(huán)境中的特定相位。一般來說，熱輻射是由紅外光譜中的所有物體發(fā)出的，紅外傳感器檢測(cè)到這種人眼看不見的輻射。 優(yōu)勢(shì) 易于連接，市場(chǎng)上現(xiàn)貨供應(yīng) 缺點(diǎn) 受到周圍噪音干擾，如輻射、環(huán)境光等。

工作原理 其基本思想是利用紅外發(fā)光二極管向物體發(fā)射紅外光。同一類型的另一個(gè)紅外二極管將用于探測(cè)物體反射波。紅外Led傳感器工作原理簡(jiǎn)圖如下所示。 當(dāng)紅外接收器受到紅外光照射時(shí)，導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生電壓差。由于產(chǎn)生的電壓很小，很難被檢測(cè)到，因此使用運(yùn)算放大器（運(yùn)放）來準(zhǔn)確地檢測(cè)低電壓。 測(cè)量物體與接收傳感器的距離：紅外傳感器組件的電特性可用于測(cè)量物體的距離，當(dāng)紅外接收器受到光照時(shí)，導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生電位差。

應(yīng)用 熱成像 根據(jù)黑體輻射定律，可以使用熱成像來觀察有或沒有可見光的環(huán)境。 ·加熱 紅外線可用于烹飪和加熱食物，它們能把飛機(jī)機(jī)翼上的冰帶走。它們廣泛應(yīng)用于印刷印染、塑料成型、塑料焊接等工業(yè)領(lǐng)域。 ·光譜學(xué) 這項(xiàng)技術(shù)通過分析組成鍵來識(shí)別分子，這項(xiàng)技術(shù)利用光輻射來研究有機(jī)化合物。 ·氣象 當(dāng)氣象衛(wèi)星配備有掃描輻射計(jì)時(shí)，可以計(jì)算云層高度、陸地和地表溫度。 ·光生物調(diào)節(jié) 用于癌癥患者的化療，這是用來治療抗皰疹病毒。 ·氣候?qū)W 監(jiān)測(cè)大氣和地球之間的能量交換。 ·通信 紅外線激光為光纖通信提供光。這些輻射也用于手機(jī)和計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備之間的短程通信。

（三）紫外線傳感器

這些傳感器測(cè)量入射紫外線的強(qiáng)度或功率。這種電磁輻射的波長(zhǎng)比x射線長(zhǎng)，但仍比可見光短。一種被稱為聚晶金剛石的活性材料正被用于可靠的紫外傳感，紫外線傳感器可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境暴露在紫外線輻射下的情況。 選擇紫外線傳感器的標(biāo)準(zhǔn) ·紫外傳感器可以檢測(cè)到的波長(zhǎng)范圍（納米） ·工作溫度 ·準(zhǔn)確度 ·重量 ·功率范圍 工作原理 紫外線傳感器接收一種類型的能量信號(hào)，并傳輸不同類型的能量信號(hào)。 為了觀察和記錄這些輸出信號(hào)，它們被導(dǎo)向電表。為了生成圖形和報(bào)告，輸出信號(hào)被傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），然后再通過軟件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。 示例包括： ·紫外線光電管是一種輻射敏感的傳感器，用于監(jiān)測(cè)紫外線空氣處理、紫外線水處理和太陽輻射。 ·光傳感器測(cè)量入射光的強(qiáng)度。 ·紫外光譜傳感器是用于科學(xué)攝影的電荷耦合器件（CCD）。 ·紫外線探測(cè)器。 ·殺菌紫外線探測(cè)器。 ·光穩(wěn)定性傳感器。 應(yīng)用 ·測(cè)量紫外線光譜中曬傷皮膚的部分 ·藥房 ·汽車 ·機(jī)器人學(xué) ·溶劑處理和染色工藝的印染工業(yè) ·化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸用化學(xué)工業(yè)

（四）觸摸傳感器

觸摸傳感器根據(jù)觸摸位置充當(dāng)可變電阻器。觸摸傳感器作為可變電阻工作的圖。 觸摸傳感器由以下部件組成： ·全導(dǎo)電物質(zhì)，如銅 ·絕緣間隔材料，如泡沫或塑料 ·部分導(dǎo)電材料

原理與工作

部分導(dǎo)電材料反對(duì)電流的流動(dòng)。線性位置傳感器的主要原理是，當(dāng)電流必須通過的材料長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，電流流就越相反。因此，材料的電阻通過改變其與完全導(dǎo)電材料接觸的位置而變化。

通常，軟件與觸摸傳感器相連。在這種情況下，內(nèi)存是由軟件提供的。當(dāng)傳感器被關(guān)閉時(shí)，他們可以記憶“最后一次接觸的位置”。一旦傳感器被激活，他們就能記住“第一次接觸位置”，并理解與之相關(guān)的所有值。這個(gè)動(dòng)作類似于移動(dòng)鼠標(biāo)并將其定位在鼠標(biāo)墊的另一端，以便將光標(biāo)移動(dòng)到屏幕的遠(yuǎn)端。

應(yīng)用

觸摸傳感器具有成本效益高、經(jīng)久耐用的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于 ·商業(yè)——醫(yī)療、銷售、健身和游戲 ·電器-烤箱、洗衣機(jī)/烘干機(jī)、洗碗機(jī)、冰箱 ·運(yùn)輸-駕駛艙制造和車輛制造商之間的簡(jiǎn)化控制 ·液位傳感器 ·工業(yè)自動(dòng)化-位置和液位傳感，自動(dòng)化應(yīng)用中的人工觸摸控制 ·消費(fèi)電子產(chǎn)品-在各種消費(fèi)產(chǎn)品中提供新的感覺和控制水平

（五）接近傳感器

接近傳感器檢測(cè)幾乎沒有任何接觸點(diǎn)的物體的存在。由于傳感器與被測(cè)物體之間沒有接觸，且缺少機(jī)械零件，因此這些傳感器的使用壽命長(zhǎng)，可靠性高。不同類型的接近傳感器有感應(yīng)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(yīng)傳感器等。 工作原理 接近傳感器發(fā)射電磁或靜電場(chǎng)或電磁輻射束（如紅外線），并等待返回信號(hào)或場(chǎng)中的變化，被感測(cè)的物體稱為接近傳感器的目標(biāo)。

感應(yīng)式接近傳感器-它們有一個(gè)振蕩器作為輸入，通過接近導(dǎo)電介質(zhì)來改變損耗電阻。這些傳感器是首選的金屬目標(biāo)。

電容式接近傳感器-它們轉(zhuǎn)換檢測(cè)電極和接地電極兩側(cè)的靜電電容變化。這是通過以振蕩頻率的變化接近附近的物體而發(fā)生的。為了檢測(cè)附近的目標(biāo)，將振蕩頻率轉(zhuǎn)換為直流電壓，并與預(yù)定閾值進(jìn)行比較。這些傳感器是塑料目標(biāo)的首選。 應(yīng)用 ·在自動(dòng)化工程中用于定義過程工程設(shè)備、生產(chǎn)系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) ·在窗口中使用，當(dāng)窗口打開時(shí)會(huì)激活警報(bào) ·用于機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)計(jì)算軸與支承軸承的距離差

五、原則

不同的定義被批準(zhǔn)用于區(qū)分傳感器和傳感器。傳感器可以被定義為一種元件，用一種形式的能量來感知，以產(chǎn)生相同或另一種形式的能量的變體。傳感器利用轉(zhuǎn)換原理將被測(cè)物轉(zhuǎn)換成所需的輸出。 根據(jù)所獲得和產(chǎn)生的信號(hào)，原理可分為以下幾類，即電、機(jī)械、熱、化學(xué)、輻射和磁。 以超聲波傳感器為例。

超聲波傳感器用于檢測(cè)物體的存在。它通過從設(shè)備頭部發(fā)射超聲波，然后從相關(guān)物體接收反射的超聲波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。這有助于探測(cè)物體的位置、存在和移動(dòng)。

由于超聲波傳感器依靠聲音而不是光來檢測(cè)，它被廣泛應(yīng)用于測(cè)量水位、醫(yī)療掃描程序和汽車工業(yè)。超聲波利用其反射傳感器可以探測(cè)透明物體，如透明薄膜、玻璃瓶、塑料瓶和平板玻璃。 工作 超聲波的運(yùn)動(dòng)因介質(zhì)的形狀和類型而異。例如，超聲波在均勻介質(zhì)中直線運(yùn)動(dòng)，并在不同介質(zhì)之間的邊界處反射和傳回。人體在空氣中會(huì)引起相當(dāng)大的反射，而且很容易被發(fā)現(xiàn)。

最好通過了解以下內(nèi)容來解釋超聲波的傳播：

一、多重反射

當(dāng)波在傳感器和檢測(cè)對(duì)象之間被多次反射時(shí)，會(huì)發(fā)生多次反射。

二、限制區(qū)

最小感應(yīng)距離和最大感應(yīng)距離可調(diào)。這叫做極限區(qū)。

三、未探測(cè)區(qū)
未檢測(cè)區(qū)域是傳感器頭表面與檢測(cè)距離調(diào)整產(chǎn)生的最小檢測(cè)距離之間的間隔。下圖所示。
未檢測(cè)區(qū)域是靠近傳感器的區(qū)域，由于傳感器頭部配置和混響，無法進(jìn)行檢測(cè)。由于傳感器和物體之間的多次反射，檢測(cè)可能發(fā)生在不確定區(qū)域。 應(yīng)用 傳感器用于多種應(yīng)用，如： ·沖擊檢測(cè) ·機(jī)器監(jiān)控應(yīng)用程序 ·車輛動(dòng)力學(xué) ·低功耗應(yīng)用 ·結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué) ·醫(yī)療航天 ·核儀器 ·作為手機(jī)“觸摸鍵盤”中的壓力傳感器 ·接觸燈座時(shí)變亮或變暗的燈 ·電梯中的觸控按鈕

六、先進(jìn)的傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)在制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)技術(shù)如下：

一、條形碼識(shí)別

市場(chǎng)上銷售的產(chǎn)品有一個(gè)通用產(chǎn)品代碼（UPC），它是一個(gè)12位代碼。其中五個(gè)數(shù)字代表制造商，另外五個(gè)數(shù)字代表產(chǎn)品。前六位數(shù)字用代碼表示為亮條和暗條。第一位表示數(shù)字系統(tǒng)的類型，第二位表示奇偶性表示讀數(shù)的準(zhǔn)確性。剩下的六位數(shù)字用暗線和暗線表示，與前六位數(shù)字的順序相反。條形碼如下圖所示。 條形碼閱讀器可以管理不同的條形碼標(biāo)準(zhǔn)，即使不知道標(biāo)準(zhǔn)代碼。條形碼的缺點(diǎn)是，如果條形碼被油脂或污垢遮蓋，條形碼掃描儀將無法讀取。

二、轉(zhuǎn)發(fā)器

在汽車部分，在許多情況下使用射頻設(shè)備。轉(zhuǎn)發(fā)器隱藏在鑰匙的塑料頭內(nèi)，任何人都看不見。鑰匙插入點(diǎn)火鎖芯。當(dāng)你轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙時(shí)，電腦會(huì)向收發(fā)器發(fā)送一個(gè)無線電信號(hào)。在應(yīng)答器對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)之前，計(jì)算機(jī)不會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。這些轉(zhuǎn)發(fā)器由無線電信號(hào)供電。

三、制造部件的電磁識(shí)別

這類似于條形碼技術(shù)，數(shù)據(jù)可以在磁條上編碼。使用磁條技術(shù)，即使代碼隱藏在油脂或污垢中，也可以讀取數(shù)據(jù)。

四、表面聲波

此過程類似于射頻識(shí)別。在這里，部件識(shí)別由雷達(dá)類型信號(hào)觸發(fā)，并且與RF系統(tǒng)相比，被遠(yuǎn)距離傳輸。

五、光學(xué)字符識(shí)別

這是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，使用字母數(shù)字字符作為信息源。在美國，郵件處理中心使用光學(xué)字符識(shí)別。它們也用于視覺系統(tǒng)和語音識(shí)別系統(tǒng)。

編輯：黃飛