五种常用的传感器原理及应用

一、传感器定义

传感器是一种构造复杂的装置，它常被用于探测并对电信号或光信号作出反应。此类设备能够将诸如温度、血压、湿度、速度等物理量转化为电信号。以温度为例，我们首先可以阐述玻璃温度计的工作原理：其中的水银在温度变化时会膨胀或收缩，这一变化使得温度计中的水银柱在可校准的玻璃管中上下移动，从而使得观察者能够读取到相应的温度值。

二、传感器选择的标准

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

校准是至关重要的，尤其是对于大多数测量设备来说，这是因为随着时间的推移，读数会发生变化。

5.分辨率——传感器检测到的最小增量

6.价格

7.重复性——在相同环境下重复测量变化的读数

三、传感器分类的标准

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

转导原理构成了有效方法所应遵循的根本准则。一般情况下，开发工程小组会负责挑选相应的材料和技术标准。

根据属性分类如下：

·温度传感器——热敏电阻、热电偶、RTD、IC等。

压力传感器涵盖多种类型，包括光纤式、真空型、弹性液体式、LVDT型以及电子式。

·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。

生物传感器涉及共振镜技术、电化学检测、表面等离子体共振以及光寻址电位测量等多种方法。

·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。

其他方面包括湿度、湿度检测设备、速度检测装置、物品重量、倾斜检测传感器、作用力以及粘稠度。

生物传感器组的表面等离子体共振与光可寻址电位，均属于光学技术领域的新型传感器。相较于电荷耦合器件，CMOS图像传感器的分辨率略逊一筹，但CMOS传感器以其体积小巧、价格低廉、功耗较低等优势，更适宜替代电荷耦合器件。此外，加速度计因其在未来应用（如飞机、汽车等）及视频游戏、玩具等领域的关键作用，被单独归类分组。磁强计这一设备主要用于检测磁通量的大小，其测量的单位可以是特斯拉或阿斯加德/平方米。

根据传感器的电源或能量供应要求进行分类：

传感器需供电才能工作，这类传感器被称为有源传感器。例如，激光雷达（即光探测与测距技术）和光电导单元都属于这一类别。

无源传感器，顾名思义，是指那些无需外部电源即可正常工作的传感器。典型的例子包括辐射计和胶片摄影设备。

根据应用分类如下：

·工业过程控制、测量和自动化

非工业领域涵盖飞机、医疗设备、汽车、消费型电子产品以及各式各样的传感器。

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，这些设备依托于微电子机械传感器技术制造而成；它们在病人监测领域发挥重要作用，涵盖配速器以及车辆动态系统的应用。

生物传感器，这类设备依赖电化学技术进行工作。它们广泛应用于食品检测、医疗设备制造、水质监测以及生物战剂的探测。

图像传感器，这些设备采用CMOS技术制造。它们广泛应用于消费电子产品、生物识别技术、交通监控、安全监控以及个人电脑的成像系统。

运动探测器，采用红外线、超声波以及微波/雷达技术进行研发。这类设备广泛应用于电子游戏、模拟操作、光敏激活以及安全检测等领域。

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

该设备负责搜集温度相关数据，并将其转化为便于其他设备或人员解读的格式。玻璃水银温度计堪称温度传感器的典范，其内部水银柱会随温度升降而相应膨胀或收缩。外部环境中的温度是进行温度测量的起点，观测者通过观察水银柱的位置来推断温度。温度传感器主要分为两大类：

接触式传感器开元ky888棋牌官方版，这类传感器必须与被检测物体或介质进行直接的物理接触，它们具备在广泛温度区间内对固体、液体以及气体温度进行监控的能力。

非接触式传感器，这类传感器在检测物体或介质时无需任何物理接触。它们能够监测非反射性的固体和液体，然而，由于气体具有天然的透明性，这类传感器对气体则无法发挥作用。此类传感器通过运用普朗克定律来测量温度，该定律专门处理由热源辐射出的热量，以此作为测量温度的依据。

不同类型温度传感器的工作原理及实例

热电偶由两根电线构成，每根电线都是一种均匀的合金或金属，且各不相同。这两根电线在末端连接，形成测量接头，该接头与被测元件相连接。另一端则连接到测量设备上，构成参考结。由于两个结点的温度存在差异，电流便会流经电路，通过测量得到的毫伏值来确定结点的温度。下面是热电偶的示意图。

电阻温度检测器，简称RTD，它本质上是一种热电阻，其设计初衷是能够根据温度的升降来调整自身的电阻值。这类设备相较于其他类型的温度检测装置，价格通常更为昂贵。下面是电阻式温度探测器的示意图。

热敏电阻，这类电阻的特性在于其电阻值会随温度的微小变化而发生显著改变，两者之间呈现出正比关系。

（二）、红外传感器

该设备能够发射或接收红外辐射，以此来识别周围环境中的特定状态。通常情况下，热能以红外光谱的形式由各种物体释放出来，而红外传感器则能够探测到这种肉眼无法察觉的辐射。

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

其核心原理在于运用红外发光二极管向目标物体发射红外光线开元棋官方正版下载，而另一款同类型红外二极管则负责接收物体反射回来的波。下面展示的是红外LED传感器的运作原理图。

红外光照射到红外接收器上时，会在导线上引发电压的变化。然而，这种电压值通常非常微小，以至于难以被直接探测。为此，我们采用运算放大器（简称运放）这一设备，以便能够精确地测量这种低电压。

通过红外传感器组件的电特性，可以实现对物体距离的测量；红外接收器在光照下，会在导线上产生电位差。

应用

热成像技术，依据黑体辐射定律，能够用于观测即便在无可见光条件下亦能显现的环境。

红外线加热技术不仅适用于烹饪和食物的加热，还能有效去除飞机机翼上的冰雪。此外，该技术在印刷、染料加工、塑料加工成型以及塑料焊接等多个工业环节中得到了广泛的应用。

光谱学技术通过剖析分子构成的键来鉴定分子，同时，它运用光辐射的手段对有机化合物进行深入研究。

气象卫星一旦装备了扫描辐射计时功能，便能够测定云层的高度以及陆地和地表的温度。

·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。

光纤通信依赖红外线激光来传输光信号，此类辐射同样应用于手机及电脑外围设备间的近距离通讯。

（三）、紫外线传感器

这些设备能够测定紫外线照射的强度或能量。此类电磁波段的波长介于X射线与可见光之间，尽管更长，却依然较短。一种名为聚晶金刚石的活性物质正被广泛应用于稳定的紫外探测中，而紫外线探测器则能识别出环境是否受到紫外辐射的影响。

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

紫外线探测器能够捕捉特定种类的能量波，同时将不同种类的能量波进行传递。

为了观测并记录这些产生的信号，它们被引导至电表；为了制作图表和撰写报告，这些信号随后被发送至模数转换器（ADC），最终再通过软件传递至电脑。

示例包括：

紫外线光电管属于一种对辐射极为敏感的传感器，其主要功能在于对紫外线在空气中的处理、水中的处理以及太阳辐射进行监测。

·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

传感器通过检测触摸点来扮演变阻器的角色。以下是展示触摸传感器作为变阻器运作原理的示意图。

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

某些导电物质阻碍电流的传输。线性位置传感器的工作原理在于，电流必须穿越的介质长度越长开元ky888棋牌官网版，其流动方向就越趋近于相反。基于此，通过调整材料与完全导电物质接触点的位置，可以改变材料的电阻值。

软件通常与触摸传感器相连接。在这种配置下，内存功能由软件负责提供。当传感器处于关闭状态时，它们能够保留“上一次接触点的位置”信息。传感器一旦激活，便能够记住“首次接触点的位置”，并识别与之相关的所有数据。这一过程与将鼠标移动至鼠标垫的对面，以将屏幕光标移至屏幕边缘的行为相似。

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

接近传感器能够准确探测到几乎没有接触点的物体。这种传感器与被测物体之间不发生接触，且不含机械部件，因而其使用寿命较长，且可靠性极高。市场上存在多种类型的接近传感器，包括感应式、电容式、超声波式、光电式以及霍尔效应式等。

工作原理

接近传感器会发出电磁场、静电场或电磁辐射束（例如红外线），随后它将静候反射信号或场域内的变动，而那个被探测到的物体则被视为接近传感器的目标。

感应式接近传感器，其内部配备有振荡器作为能量来源，通过感应导电介质的变化来调整其内部损耗电阻。这类传感器在检测金属目标时表现出色，因而被广泛选为首选。

电容式传感器能够将检测电极与接地电极之间静电电容的变化进行转换。这种转换是通过物体靠近时振荡频率的变化来实现的。为了探测周围的目标，传感器会将振荡频率转化为直流电压，并将其与设定的阈值进行对比。这类传感器在检测塑料目标方面具有显著优势。

应用

在自动化领域，该定义被用于明确过程工程设备、生产系统以及自动化设备的操作和运行情况。

·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

针对传感器及其区分，已有多重定义获准使用。一种元件，通过吸收特定形式的能量来感知，进而产生相同或不同形式的能量变化，即为我们所说的传感器。传感器运用转换原理，将待测物体转化为所需输出的形式。

依据所获取及生成的不同信号，其原理可以被划分为若干种类别，具体包括：电能、机械能、热能、化学能、辐射能以及磁能。

以超声波传感器为例。

超声波传感器的主要功能是探测物体是否存在。其工作原理是，首先从设备前端发出超声波，接着从物体表面接收其反射回来的信号。这一过程有助于准确判断物体的具体位置、确认其存在与否，以及追踪其运动轨迹。

超声波传感器依赖声波而非光线进行探测，因此它在众多领域得到了广泛的应用，包括水位监测、医疗扫描以及汽车制造等行业。这种传感器通过反射原理，能够探测到诸如透明薄膜、玻璃瓶、塑料瓶和平板玻璃等透明物体。

工作

超声波的传播特性会随着介质的形态与种类产生变化。在一致性较好的介质中，超声波会沿直线前进；而当它遇到不同介质的分界线时，则会发生反射和回波现象。在空气中，人体对超声波的反射作用尤为显著，这使得其容易被探测到。

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

该区域未经过检测，位于传感器头部表面与检测距离调整所形成的最小检测范围之间，具体情形请参考下方的插图。

该区域位于传感器附近，但由于传感器前端的设计和声音的回响，检测工作无法进行。此外，传感器与物体之间的多次反射作用，可能导致检测在无法预知的区域内发生。

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：

在市场上销售的商品都配备了一个通用的产品代码，即UPC，该代码由12位数字组成。在这12位数字中，前五位是制造商的标识，后五位则是产品的标识。这前六位数字通过亮条和暗条的形式呈现，其中第一位数字指示了数字系统的类型，第二位则表明了读数的准确性。接下来的六位数字同样以亮条和暗条的形式展现，且其顺序与前六位数字相反。条形码的具体形态如图所示。

条形码阅读器能够应对多种条形码规范，即便面对未知的编码也能进行管理。然而，条形码存在一定的不足之处，那就是一旦条形码被油脂或是污垢所覆盖，扫描仪便无法正确识别。

在汽车领域，射频设备的应用十分普遍。这些转发器被巧妙地安置在钥匙的塑料外壳中，不易被人察觉。当钥匙插入点火开关时，随着钥匙的转动，电脑会向收发器发出无线电信号。在收到应答器的反馈之前，发动机点火系统将保持关闭状态。此类转发器通过无线电信号获取能量供应。

三、在制造部件时，我们采用电磁识别技术，这种方法与条形码技术相似，信息能够被嵌入到磁条之中。即便代码被油脂或污垢所覆盖，借助磁条技术，我们依然能够成功读取数据。

四、在表面声波技术中，其运作原理与射频识别技术相仿。具体来说，部件的识别是通过雷达式的信号来触发的，并且相较于RF系统，它能够实现更远的距离传输。

五、光学字符识别技术，一种基于字母数字字符进行信息处理的自动识别方法。在美国，这一技术广泛应用于邮件处理中心。此外，它还被用于视觉系统和语音识别系统的构建。