传感器的原理和应用

传感器的原理和应用一、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。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。温度传感器的最佳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·功率范围工作原理紫外线传感器接收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，它们被导向电表。为了生成图形和报告，输出信号被传输到模数转换器（ADC），然后再通过软件传输到计算机。示例包括：·紫外线光电管是一种辐射敏感的传感器，用于监测紫外线空气处理、紫外线水处理和太阳辐射。·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皮肤的部分·药房·汽车·机器人学·溶剂处理和染色工艺的印染工业·化学品生产、储存和运输用化学工业（四）、触摸传感器触摸传感器根据触摸位置充当可变电阻器。触摸传感器作为可变电阻工作的图。触摸传感器由以下部件组成：·全导电物质，如铜·绝缘间隔材料，如泡沫或塑料·部分导电材料原理与工作部分导电材料反对电流的流动。线性位置传感器的主要原理是，当电流必须通过的材料长度越长时，电流流就越相反。因此，材料的电阻通过改变其与完全导电材料接触的位置而变化。通常，软件与触摸传感器相连。在这种情况下，内存是由软件提供的。当传感器被关闭时，他们可以记忆“最后一次接触的位置”。一旦传感器被激活，他们就能记住“第一次接触位置”，并理解与之相关的所有值。这个动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高、经久耐用的特点，被广泛应用于·商业——医疗、销售、健身和游戏·电器-烤箱、洗衣机/烘干机、洗碗机、冰箱·运输-驾驶舱制造和车辆制造商之间的简化控制·液位传感器·工业自动化-位置和液位传感，自动化应用中的人工触摸控制·消费电子产品-在各种消费产品中提供新的感觉和控制水平（五）、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。由于传感器与被测物体之间没有接触，且缺少机械零件，因此这些传感器的使用寿命长，可靠性高。不同类型的接近传感器有感应式接近传感器、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。工作原理接近传感器发射电磁或静电场或电磁辐射束（如红外线），并等待返回信号或场中的变化，被感测的物体称为接近传感器的目标。感应式接近传感器-它们有一个振荡器作为输入，通过接近导电介质来改变损耗电阻。这些传感器是首选的金属目标。电容式接近传感器-它们转换检测电极和接地电极两侧的静电电容变化。这是通过以振荡频率的变化接近附近的物体而发生的。为了检测附近的目标，将振荡频率转换为直流电压，并与预定阈值进行比较。这些传感器是塑料目标的首选。应用·在自动化工程中用于定义过程工程设备、生产系统和自动化设备的运行状态·在窗口中使用，当窗口打开时会激活警报·用于机械振动监测计算轴与支承轴承的距离差五、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。工作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·电梯中的触控按钮六、先进的传感器技术传感器技术在制造领域有着广泛的应用。先进技术如下：一、条形码识别——市场上销售的产品有一个通用产品代码（UPC），它是一个12位代码。其中五个数字代表制造商，另外五个数字代表产品。前六位数字用代码表示为亮条和暗条。第一位表示数字系统的类型，第二位表示奇偶性表示读数的准确性。剩下的六位数字用暗线和暗线表示，与前六位数字的顺序相反。条形码如下图所示。条形码阅读器可以管理不同的条形码标准，即使不知道标准代码。条形码的缺点是，如果条形码被油脂或污垢遮盖，条形码扫描仪将无法读取。二、转发器——在汽车部分，在许多情况下使用射频设备。转发器隐藏在钥匙的塑料头内，任何人都看不见。钥匙插入点火锁芯。当你转动钥匙时，电脑会向收发器发送一个无线电信号。在应答器对信号做出响应之前，计算机不会让发动机点火。这些转发器由无线电信号供电。三、制造部件的电磁识别——这类似于条形码技术，数据可以在磁条上编码。使用磁条技术，即使代码隐藏在油脂或污垢中，也可以读取数据。四、表面声波——此过程类似于射频识别。在这里，部件识别由雷达类型信号触发，并且与RF系统相比，被远距离传输。五、光学字符识别——这是一种自动识别技术，使用字母数字字符作为信息源。在美国，邮件处理中心使用光学字符识别。它们也用于视觉系统和语音识别系统。传感器的概念及分类传感器应用范围广泛,在各个领域、行业备受青睐。传感器的常见构成要素除了敏感元件和转换元件外,还包括变换电路和辅助电源。其中:敏感元件的直观性最强,能够输出与之相关的各类物理量信号;转换元件的价值在于更改上述元件输出的内容,转变为电信号的形式;变换电路的主要作用是放大、调制转换元件输出的电信号;无论是转换元件还是变换电路,都离不开辅助电源的供电[1]。1.1传感器的概念传感器作为一种常见装置,可感知外界信息并进行转化,使之以可利用的信号形式存在。传感器的价值和作用在于转化感知到的模拟信号,使之以电信号的形式显示。这一过程被称为模数变化过程,主要构成元素为传感器末梢和信号变化装置。前者的作用在于感知外界信息。传感器具备数字化、智能化、系统化、微型化和网络化等特征,为自动检测及控制过程中的首要环节。充分发挥传感器的作用和价值,能够使物体更加立体、形象。依据感知功能,可将传感器细分为热、光、磁、气和色等各类敏感元件。文章不一一举例,着重探讨温、光、力和磁四个方面[2]。1.2传感器的分类第一,温度传感器。此类传感器的核心是热敏元件。通常,温度传感器中,热敏软件由双金属片、铜、铂和半导体等各类热电阻构成,甚至可以由热电偶构成。半导体热敏传感器体积小,灵敏度和准确性都非常高,制作工艺也非常简单,费用低,应用普遍。第二,光传感器。目前,光电技术的发展速度非常快,由其滋生的光敏元件应用比较普遍。光敏元件的生产工艺比较简单,价格比较便宜,广泛应用于许多领域,比如光电二极管、光电耦合器和光敏电阻器等。第三,力敏传感器。以往材料的形变和位移通常用物理量测量,而现在则被传感器取代。目前,半导体器件技术发展较快。无论是半导体材料的电阻效能,还是器件物理特性,都通过力学原理进行测量。这一测量方法受到了人们的广泛关注。力敏传感器具备非常高的灵敏度,体积相对较小,非常轻便,便于搬运、收纳。它普遍应用于测量器件压力、加速度,甚至可以应用于工业控制[3]。第四,磁敏传感器。它依托磁场原理制作而成。霍尔器件作为一种磁敏传感器,应用普遍。霍尔器件和磁阻器件分别依据霍尔效应和磁阻效应原理制作而成。一旦出现外加磁场,周围磁场增大时,半导体电阻随之增大。电子元器件中,磁敏二极管和磁敏三极管应用普遍,而电子产品审计过程中,常用电子元器件。现阶段,磁敏元件生产工艺比较完备,磁敏传感器正是以磁敏元件为基础制作而成,可以用于测量电学量、磁学量和力学量[4]。传感器的种类和作用传感器是各种仪器仪表的重要组成部分，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。那么，传感器的种类和作用都有哪些呢？

一、传感器的种类

在生产和生活中，传感器的种类主要有：

1、光传感器

光传感器利用的是半导体的光导效应或光生伏特效应。光生伏特效应是通过光照射，将半导体PN结处产生的电压或电流作为输出加以检测。如光敏二级管，光敏三级管等。这些效应都是利用了光的量子性质。最常见的应用实例，就是光控灯。

2、温度传感器

用于检测温度的物理效应当中，除了利用塞贝克效应的热电偶外，通常利用Pt，W等的金属和氧气物半导体以及非氧化物半导体，有机半导体等的电阻随温度变化来作为温度传感器的。此外，还有利用PN结处电流——电压特性随温度的变化，利用居里温度附近磁特性和介电常数变化的传感器，利用介电常数和压电常数的变化，来检测其共振频率变化的温度的传感器等，如常见的空调的控温。3、压力传感器

压力传感器大多利用了某种压阻效应。压阻效应是指当压力施加于电阻体上时，会使其电阻值发生变化，该现象称为压阻现象，比金属电阻的变化要明显得多，主要是因在受压后其电子或空穴的迁移率发生变化。比较常见的应用像电子称。4、磁传感器

磁传感器的常用效应是霍尔效应与磁阻效应。利用霍尔效应的元件是霍尔元件，它是在一半导体薄片两端之间通以电流，如果在薄片垂直方向外加一磁场，则载流子在罗伦兹力的作用下，将沿着与磁场方向垂直的方向移动，若在该方向上设置电极，则可检测出电压来(霍尔电压)。典型应用如电动车的调速方法。

5、气体传感器

气体传感器实际就是半导体气体传感器。主要是气体的吸附效应。如半导体SnO2烧结制成的气敏传感器，其为多晶体，当表面吸附气体分子时，就会在气体分子与烧结体之间发生电子交换。控制载流子运动的晶粒界面处的势垒会发生变化。若在烧结体上设置两个电极，其间电阻将随气体分子吸附情况而增减。一般在还原性气体中电阻值会减少，在氧化性气体中电阻值会增加。最常见的应用实例，就是各种烟雾报警器了。

二、传感器的作用

传感器的作用是什么，传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号近来显著地增加，因而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”传感器的五大特性及四大设计要点传感器是将一种物理量经过电路转换成一种能以另外一种直观的可表达的物理量的描述。本文对传感器的概念、原理及特性进行逐一介绍，进而解析传感器设计的要点。一、传感器的概念传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。二、传感器的工作原理传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波，经过tda2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号，再通过V/F转换器变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动——静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。三、传感器的特性介绍1、静态特性：是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。2、动态特性：是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。3、线性度：通常情况下，传感器的实际静