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传感器的原理和应用

发布时间: 2021-09-21  点击次数: 1441次

五种常用的传感器的原理和应用


  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。今天带大家来全面了解传感器!




  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,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。

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


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