传感器类型大全及各类传感器工作原理详解

DIOADE · 发表于 2020-1-7 18:19

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传感器是一种复杂的设备，经常用于检测和响应电子或光学信号。传感器将物理参数(例如:温度、血压、湿度、速度等)转换成一个可以用电来测量的信号。传感器的选择标准、各种类型及其工作原理。传感器技术广泛应用于制造领域。

传感器是一种复杂的设备，经常用于检测和响应电子或光学信号。传感器将物理参数(例如:温度、血压、湿度、速度等)转换成一个可以用电来测量的信号。让我们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成可由校准玻璃管上的观察器读取的温度。

图1：常用传感器的图像

选择传感器的标准

选择传感器时，必须考虑某些功能。它们如下：
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 - 随着读数随时间变化，对大多数测量设备至关重要
5. 分辨率 - 传感器检测到的最小增量
6. 成本
7. 重复性 - 在相同的环境下重复测量变化的读数

传感器类型

传感器分为以下标准：
1. 主要输入数量（Measurand）
2. 转换原则（使用物理和化学效应）
3. 材料与技术
4. 属性
5. 应用

转换原则是有效方法遵循的基本标准。
通常，材料和技术标准由开发工程组选择。

基于属性的分类如下：

· 温度 - 热敏电阻，热电偶，RTD，IC等等。
· 压力 - 光纤，真空，弹性液体压力计，LVDT，电子。
· 流量 - 电磁，差压，位移，热质量等
· 液位传感器 - 差压，超声波射频，雷达，热位移等
· 接近和位移 - LVDT，光电，电容，磁，超声波。
· 生物传感器 - 共振镜，电化学，表面等离子共振，光可寻址电位。
· 图像 - 电荷耦合器件，CMOS
· 气体和化学品 - 半导体，红外线，电导率，电化学。
· 加速度 - 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。

表面等离子体共振和光寻址电位计是基于生物传感器的新型光学技术。与电荷耦合器件相比，CMOS图像传感器具有较低的分辨率。CMOS具有体积小、成本低、功耗低等优点，是电荷耦合器件的较好替代品。加速度计是独立分组的，因为它们在未来的应用中发挥着重要的作用，如飞机、汽车等，以及在电子游戏、玩具等领域。磁力仪是测量磁通量强度B(单位为特斯拉或As/m2)的传感器。

基于应用的分类如下：

· 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，消费类电子产品，其他类型的传感器。

传感器可根据传感器的功率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：LiDAR（光检测和测距），光电导电池。
· 无源传感器 - 不需要电源的传感器称为无源传感器。示例：辐射计，胶片摄影。

在当前和未来的应用中，传感器可以分为如下四类：

· 加速度计 - 这些基于Micro Electro Mechanical传感器技术。它们用于患者监测，包括起搏器和车辆动力系统。
· 生物传感器 - 这些都是基于电化学技术。它们用于食品检测，医疗设备，水检测和生物战剂检测。
· 图像传感器 - 这些都基于CMOS技术。它们用于消费电子，生物识别，交通和安全监控以及PC成像。
· 运动探测器 - 基于红外线，超声波和微波/ 雷达技术。它们用于视频游戏和模拟，光激活和安全检测。

传感器类型详解

一些常用的传感器及各个类型传感器工作原理和应用解释如下：

Type1：温度传感器

1. 温度传感器

该设备从源中收集有关温度的信息，并将其转换为其他设备或人员可以理解的形式。温度传感器最好的例子是玻璃温度计中的水银。玻璃中的水银随着温度的变化而膨胀和收缩。外部温度是温度测量的源元件。观察者通过观察水银的位置来测量温度。

温度传感器有两种基本类型:

· 接触传感器——这类传感器需要与被感知的对象或介质进行直接的物理接触。它们可以在很宽的温度范围内监测固体、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感知的对象或介质进行任何物理接触。它们监督不反光的固体和液体，但由于自然透明，对气体不起作用。这些传感器使用普兰克定律来测量温度。这个定律处理从热源辐射出来的热量来测量温度。

使用不同类型的温度传感器以及示例：

（1）热电偶- 它们由两根导线（每根导线由不同的均匀合金或金属制成）制成，通过一端连接形成测量接头。该测量接头对被测元件开放。导线的另一端终止于测量装置，在测量装置中形成参考接合点。由于两个连接点的温度不同，电流流过电路。测量所得的毫伏电压以确定结处的温度。热电偶温度传感器如下图所示。

图2：显示热电偶温度传感器的图像

（2）电阻温度检测器（RTD） - 这是一种热电阻，它是根据温度的变化来改变电阻的。它们比任何其他温度检测设备都昂贵。电阻温度探测器的原理图如下图所示。

（3）热敏电阻 - 热敏电阻是电阻的大变化与温度的小变化成正比的另一种热敏电阻。

Type2：红外传感器

2. 红外传感器

图3：典型红外传感器的图像

该装置发射和/或检测红外辐射以感测环境中的特定相。通常，热辐射由红外光谱中的所有物体发射。所述红外线传感器检测到这种类型的辐射是不人眼可见的。

好处

· 易于连接
· 随时可在市场上买到

缺点

· 周围的噪音干扰，如辐射，环境光等。

工作

基本思想是利用IR LED将红外波发送到物体。另一个相同类型的IR二极管用于检测来自物体的反射波。该图如下所示。

图4：简化图解释红外传感器的工作原理

当IR接收器受到红外光时，在引线上产生电压差。产生的电压较小，几乎检测不到，因此运算放大器（Op-amp）用于精确地检测低电压。

测量物体与接收器传感器的距离：IR传感器组件的电气特性可用于测量物体的距离。当IR接收器受到光照时，在引线上产生电位差。

应用

· 热成像 - 根据黑体辐射定律，可以使用热成像观察有无可见光照射的环境
· 加热 - 红外线可用于烹饪和加热食品。它们可以从飞机的机翼上带走冰。它们在工业领域很受欢迎，例如印刷，塑料成型和塑料焊接。
· 光谱学 - 该技术用于通过分析成分键来识别分子。该技术使用光辐射来研究有机化合物。
· 气象学 - 当气象卫星配备扫描辐射计时，可以实现云高，计算陆地和地面温度。
· 光生物调节 - 用于癌症患者的化疗。这用于治疗抗疱疹病毒。
· 气候学 - 监测大气与地球之间的能量交换。
· 通信 - 红外激光为光纤通信提供光。这些辐射还用于移动设备和计算机外围设备之间的短距离通信。

Type3：UV传感器

3. 紫外线传感器

这些传感器测量入射紫外线辐射的强度或功率。这种形式的电磁辐射的波长比X射线长，但仍然比可见辐射短。称为多晶金刚石的活性材料用于可靠的紫外线感测。紫外线传感器可以发现环境暴露于紫外线辐射。

选择UV传感器的标准

· 波长范围为纳米（nm），可通过紫外线传感器检测。
· 工作温度
· 准确性
· 重量
· 功率范围

工作

UV传感器接受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，将它们导向电表。要创建图形和报告，输出信号将传输到模数转换器（ADC），然后传输到带有软件的计算机。

例子包括：

· 紫外光电管是辐射敏感传感器，可监控紫外线空气处理，紫外线水处理和太阳辐照度。
· 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人体皮肤的部分
· 药房
· 汽车
· 机器人
· 用于溶剂处理和染色工艺的印刷工业
· 化学工业，用于化学品的生产，储存和运输

Type4：触摸传感器

4. 触摸传感器

触摸传感器根据触摸位置充当可变电阻器。该图如下所示。

图5：显示触摸传感器作为可变电阻器工作原理图

触摸传感器由以下部分组成：
· 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

触摸传感器工作原理

部分导电材料阻挡电流的流动。线性位置传感器的主要原理是，当必须通过电流的材料的长度越大，电流就越反向流动。因此，通过改变材料与全导电材料接触的位置来改变材料的电阻。

一般来说，软件接口到触摸传感器。在这种情况下，软件将提供存储器。当传感器停止工作时，他们可以记住“最后接触的位置”。一旦传感器被激活，他们就能记住“第一次触碰的位置”，并理解与之相关的所有值。这种操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和耐用性，可用于许多应用，例如
· 商业 - 医疗（医用传感器），自动售货，健身和游戏
· 家电 - 烤箱，洗衣机/干衣机，洗碗机，冰箱
· 运输 - 驾驶舱制造和车辆制造商之间的流线型控制
· 液位传感器
· 工业自动化 - 自动化应用中的位置和液位传感、人体触摸控制
· 消费电子产品 - 为各种消费类产品提供新的感觉和控制水平

Type5：接近传感器

5. 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。由于传感器与感应物体之间没有接触，缺少机械部件，因此这些接近传感器具有较长的使用寿命和较高的可靠性。不同类型的接近传感器是电感式接近传感器，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

接近传感器发射电磁或静电场或电磁辐射束（例如红外线），并等待返回信号或场的变化。被感测的物体被称为近距离传感器的目标。
电感式接近传感器 - 它们具有振荡器作为输入，通过接近导电介质来改变损耗电阻。这些传感器是金属目标的首选。
电容式接近传感器 - 它们转换由检测电极和接地电极两侧的静电电容变化。这通过以振荡频率的变化接近附近物体而发生。为了检测附近的物体，将振荡频率转换成直流电压，该直流电压与预定的阈值进行比较。这些传感器是塑料目标的首选。

应用

· 用于自动化工程，以定义过程工程设备，生产系统和自动化工厂的运行状态
· 在窗口中使用，窗口打开时会激活警报
· 用于机器振动监测，计算轴与其支撑轴承之间的距离差

原理

批准不同的定义以区分传感器和换能器。传感器可以被定义为以一种形式的能量感测以产生相同或另一种形式的能量的变体的元素。传感器使用转换原理将被测量转换为所需的输出。
基于获得和创建的信号，该原理可以分为以下组，即电气，机械，热，化学，辐射和磁性。
我们以超声波传感器为例。
超声波传感器用于检测物体的存在。它通过从装置头发射超声波然后从有关物体接收反射的超声波信号来实现这一点。这有助于检测物体的位置，存在和移动。

Type6：超声波传感器

6. 超声波传感器

图6：超声波传感器的原理图

由于超声波传感器依靠声音而不是光线进行检测，因此它被广泛用于测量水位，医疗扫描程序以及汽车工业。超声波可以使用其反射传感器检测透明物体，如透明薄膜，玻璃瓶，塑料瓶和平板玻璃。

工作

超声波的移动因介质的形状和类型而不同。例如，超声波在均匀介质中直线移动，并在不同介质之间的边界处被反射和传回。空气中的人体引起相当大的反射并且可以容易地检测到。
通过了解以下内容可以最好地解释超声波的传播：
1. 多重反思
当波在传感器和检测对象之间反射不止一次时，会发生多次反射。
2. 极限区域
可以调整最小感应距离和最大感应距离。这称为限制区域。
3. 未检测区
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。该图如下所示。

图7：超声波传感器中的感应范围图

Undetection区域是靠近传感器的区域，由于传感器头配置和混响，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中。

应用
传感器用于多种应用，例如：
· 冲击检测
· 机器监控应用
· 车辆动力学
· 低功耗应用
· 结构动力学
· 医疗航空航天
· 核仪器仪表
· 作为手机触摸键盘中的压力传感器
· 灯泡接触底座时会变亮或变暗
· 电梯中的触敏按钮

高级传感器技术

传感器技术广泛应用于制造领域。

先进技术如下：

1.条形码识别 - 市场上销售的产品具有通用产品代码（UPC），这是一个12位数的代码。其中五个数字表示制造商，另外五个表示产品。前六位数字由代码表示为浅色和深色条。第一个数字表示数字系统的类型，第二个数字表示数字系统，表示读数的准确性。其余六位数字由代码表示为暗条和亮条，反转前六位的顺序。条形码如下图所示。

图8：条形码阅读器扫描条形码的典型图像

即使不了解标准代码，条形码阅读器也可以管理不同的条形码标准。条形码的缺点是如果条形码被油脂或污垢隐藏，则条形扫描仪无法读取。

2. 转发器 - 在汽车部分，在许多情况下使用射频设备。发送应答器隐藏在钥匙的塑料头内，任何人都看不到。钥匙插入点火锁芯。当您转动钥匙时，计算机会将无线电信号发送到发送应答器。在发送应答器响应信号之前，计算机不会让引擎点燃。这些转发器由无线电信号激励。发送应答器的数字如下图所示：

图9：密钥中使用的嵌入式转发器的图像

3. 制造部件的电磁识别 - 这类似于条形码技术，其中数据可以在磁条上编码。通过磁条，即使代码被油脂或污垢隐藏，也可以读取数据。

4. 表面声波 - 此过程类似于RF识别。这里，部件识别由雷达类型信号触发，并且与RF系统相比在长距离上传输。

5. 光学字符识别 - 这是一种使用字母数字字符作为信息来源的自动识别技术。在美国，光学字符识别用于邮件处理中心。它们还用于视觉系统和语音识别系统。