传感器是指“接收刺激并借助电子信号作出反应的设备”。对于任何智能电子系统而言,传感器都是最核心的组件之一。 它们构成了物理世界与数字世界之间的接口。物理世界由物理定律决定,而数字世界诠释了可为各类应用使用的信息。

如今,传感器技术广泛应用于各种新的应用领域和大众市场,例如汽车、智慧城市基础设施、工业自动化与控制等。 这些产品和设施都使用了大量传感器,以便收集数据并输入主控制系统,从而实现智能决策。

智能手机和物联网的发展催生了更多类型的传感器,而高度集成、智能、低功耗的传感器更是蓬勃发展。其中, 有些传感器设计用于感知物理属性,有些用于检测运动或邻近性(使用光学和光)和流动性。为此,人们采用了各种技术, 包括感应、磁阻、超声波、光学、压力和电容等。

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换能器

换能器是将任何非电量转换为成比例的电量(电压或电流)的设备。随后,可以将其作为位移、温度、压力、应变或其他物理参数进行测量。 执行器和传感器都属于换能器,并且任何运行中的换能器在任何特定时刻都充当传感器或执行器。

市场上的换能器种类繁多,包括温度、压力、位移、电感、电阻、电容、霍尔效应、水平、流量以及测力传感器等。选择换能器时, 需要考虑静态响应、动态响应、环境因素和可靠性等诸多因素。

在使用应变片的换能器中,换能器设计中的相应输出通常与待测量参数有关。应变片多数由半导体或金属箔制成,通常用于确定测压元件测得的力。 金属箔器件通常由铜镍合金或镍铬箔制成,以网格布局排列,并利用由箔元素变形引起的电阻变化。

LVDT 和 RVDT(线性和旋转可变差动晶体管)通常与测压元件和测试系统结合使用,用于测量线性和旋转位移。LVDT 是一种常见的机电换能器,可以将物体的直线运动转换为相应的电信号。

半导体器件使用硅或锗应变片,并利用这些材料的压阻特性。目前,压电换能器已广泛应用于各类传感和驱动应用。挤压或拉伸压电材料时, 会在材料上产生电荷,这称为“正压电效应”。

压力传感器将压力转换为数字或模拟信号。尽管应变片是这类关键应用的首选技术,但可以借助多种技术来实现这一目标。向压力传感器施压时, 其将提供与该压力成比例的输出电压。电压输出必须经过校验,以准确反映压力水平。

运动

运动传感器用于检测物体的运动,并可以通过确定是否存在目标来触发动作。其在我们的日常生活中发挥的作用越来越大。

加速计可能是最广为人知的一种运动传感器。它是一种机电设备,可以用来测量加速度。这些力可能是静态的, 比如将我们约束在地球上的恒定重力,也可能是由加速计移动或振动引起的动态力。一些加速计采用压电效应, 其中的微观晶体结构受到加速力的作用而产生电压。另一种方法是感测电容的变化。两个相邻的微观结构之间存在一定的电容。 如果加速力移动其中一个微观结构,电容就会发生变化。添加一些电路将电容转换为电压,便成为了加速计。

无源红外 (PIR) 传感器和反射式红外传感器也是常见的运动传感器。由于 PIR 传感器可以检测到温暖的物体, 因此能够覆盖较宽的传感区域。这类传感器不会发射光,而是检测与周围环境温度不同的物体移动时产生的红外线变化量。 反射式红外传感器从 LED 发出红外线,然后通过检测反射光线确定物体的距离。

位置

位置传感器用于提供位置反馈,能够为各种系统提供精确的运动控制、计数和编码功能。其可以探测到目标物体、人体、 物质以及磁场或电场干扰,并将其转化为电输出,以便采取进一步行动。

位置传感器分为多种类型,它们以不同的传感技术为基础,每种都有其优势和局限性。有接触式设备类型,如限位开关、 电阻式位置传感器;也有非接触式设备类型,包括磁传感器(霍尔效应和磁阻传感器)、超声波传感器、接近传感器和光电传感器。

陀螺仪(陀螺仪传感器)利用地球引力来确定方向。其包括一个称为转子的自由转盘。转子安装在尺寸更大、更加稳定的转轮中心的转轴上。 当转轴转动时,转子保持静止以指示中心重力,从而确定哪个方向朝下。陀螺仪始终能够测量物体绕着特定轴的旋转角速度。

定位控制反馈回路需要频繁实施位置测量,因其可以通过角度移动和旋转来测量任何设备从参考位置到新位置的行进距离。位置传感技术包括霍尔效应、电阻式和磁阻式。

随着传感技术的进步,定位装置外形越来越紧凑,功能也不断完善,为更多应用开辟了道路。要选择合适的位置传感器,关键是了解传感器尺寸、测量范围、 线性度、分辨率、精度、可重复性、安装限制和环境恶劣程度等方面的相关要求。

接近传感器

接近传感器属于分立传感器,用于检测是否有物体靠近传感器表面。它们能在没有任何物理接触的情况下检测附近是否有物体存在。 接近传感器发射一束电磁辐射,并查看磁场或返回信号的变化。智能手机通常使用接近传感器来检测手机贴近耳朵通话时的无意触屏。 其典型应用包括在自动化机器和制造系统中实施检测、定位、检查和计数。接近传感器有四种基本类型:电感式接近传感器、 电容式接近传感器、超声波接近传感器和光电式传感器。

电感式接近传感器可以对黑色和有色金属物体作出反应。它们还能透过一层非金属材料来检测金属。电感式接近传感器由缠绕在软铁芯上的线圈组成。 当含铁物体靠近时,传感器的电感发生变化。这种变化转换至电压触发开关信号。电容式传感器无需物理接触便可以对感应面周围电介质的变化作出响应, 因此经过调整后能够感测几乎任何物质。电容式传感器还可以透过一层玻璃、塑料或薄纸盒来感测物质。

光电传感器能以非接触方式感测几乎任何物质或物体,最远感测距离可达 10 米。它由一个光源(通常是一个红外或可见光 LED,即发光二极管) 和一个探测器(光电二极管)组成。超声波传感器利用高频 (20 KHz) 声波的反射来检测零件或零件距离。超声波传感器是检测透明物体的最佳仪器。

电流

电流传感器用于检测电流并将其转换为易于测量的输出电压,该电压与所测量的电流成正比。电流传感器种类繁多, 每种均适用于特定的电流范围和环境条件。电流传感器的选择取决于幅度、带宽、精度、耐用性、隔离度、成本、 尺寸以及成本等方面的要求。所产生的值既可以转换成数字形式,以供控制或监测系统使用,也可以采用模拟形式保存, 经由电流测试仪器直接显示。

电流传感电阻器是最常用的电流传感器。可以将其视为电流-电压转换器;在电流路径中插入一个电阻,电流便以线性方式转换为电压。 电流传感器所使用的技术非常重要。各类传感器各有特色,适用的应用也不尽相同。

电流传感器基于开环或闭环霍尔效应技术。闭环传感器具有一个有源驱动式线圈,可以产生与被测电流产生的磁场相反的磁场。 霍尔传感器用作空值检测器件,其输出信号与线圈的驱动电流成正比,后者与被测电流成正比。

在开环电流传感器中,初级电流产生的磁通量集中在磁路中,并被霍尔传感器测量出。霍尔器件的输出信号经过调节准确(瞬时)表示初级电流。

光学检测仪

光传感器是一种将光能转换为电信号输出的无源器件。光传感器通常被称为光电器件或光电开关,因为它们将光能(光子) 转换为电子信号(电子)。常见的光强度传感器包括光电晶体管、光敏电阻和光电二极管等。

光电传感器使用光束来检测物体是否存在。它通过发光元件发出光束(可见光或红外光)。反射型光电传感器用于检测从目标物体反射的光束。 光束从发光元件发出,被光束接收元件接收。发光和光束接收元件封装在一个外壳中。传感器接收从目标物体反射的光线。

另一方面,光电晶体管根据检测到的光照水平来确定电路中可以流过的电流量。所以,如果传感器处于黑暗的房间里,只会让少量的电流流过。 如果它检测到明亮的光线,则会让更多的电流流过。光敏电阻由硫化镉制成,传感器处于黑暗环境时其电阻最大。当光敏电阻暴露在光线下时, 其电阻随光强度成比例下降。连接到电路并经电位器平衡后,光强度的变化将显示为电压变化。这些传感器简单可靠,价格便宜,广泛用于测量光强度。

在光纤传感器技术中,系统不再使用空气作为传输介质,而是通过光纤电缆在光源和检测器之间进行光传输。光纤传感器可分为两大类: 内部传感器和外部传感器。在内部传感器中,光纤电缆本身就是传感器;而在外部传感器中,光纤电缆的作用是将光引导至传统传感器, 或从常规传感器引导光。

湿度

湿度是指空气中的含水量。空气中的水汽含量可能会影响人体舒适度以及不同行业中的各种制造工艺。水汽的存在也会影响各种物理、化学和生物过程。

湿度传感器通过检测空气中的电流或温度的变化来测量湿度。湿度传感器有三种基本类型:电容式、电阻式和热敏式。这三类传感器均监测大 气中的微小变化,以便计算空气中的湿度。

电容式湿度传感器在两个电极之间放置一个金属氧化物薄带,用于测量相对湿度。金属氧化物的电容随着大气的相对湿度而变化。 这种传感器主要用于气象、商业和工业领域。

电阻式湿度传感器利用盐离子来测量原子的电阻抗。随着湿度的变化,盐介质其中一侧的电极电阻也会发生变化。两个热传感器依靠周围空气的湿气导电。 一个传感器封装在干燥的氮气中,另一个传感器测量环境空气。两个传感器的测量差值便是湿度。

热湿度传感器的设计原理是根据周围空气的湿度来传导电流。为此,传感器会计算湿空气与干空气的导热率偏差。

温度

温度传感器用于测量物体或系统产生的热能或冷量。它能感测或检测温度的任何物理变化,并产生模拟或数字输出。

温度传感器包括两种基本的物理类型:接触式温度传感器和非接触式温度传感器。接触式温度传感器需要与被测物体发生物理接触, 并通过传导方式来监测温度变化。非接触式温度传感器使用对流和辐射来监测温度的变化。

很多器件都可用于测量温度,其中最常见的是热电偶、热电阻、电阻温度检测器 (RTD) 和红外式。热电偶使用范围最广。 其价格低廉,并具有很宽的测温范围(通常高达 1200 摄氏度)。热电偶由两根异种金属丝组成,其两端接在一起形成传感端。 配合参比端使用时,参比端与实际温度之间的温差显示为电势。

热电阻属于半导体器件,其电阻随温度而变化,但温度与电阻呈非线性关系。它们适合在高达 100℃ 的有限范围内进行高灵敏度测量。

RTD 使用精密导线作为感测元件,这种导线通常由铂制成。其利用金属电阻随温度变化的现象,从而获得了较宽范围内的线性, 性能更稳定,精度和分辨率也优于热电偶。

红外传感器利用辐射热量从远处感测温度。此类非接触式传感器也可用于感测视域以生成表面热图。

压力

压力传感器是一种检测压力并将压力转换为模拟电信号的器件,其中信号的幅度取决于施加的压力。压力定义为流体在其周围 单位面积上施加的力。由于此类传感器将压力转换成电信号,所以也被称为压力变送器。

绝对压力是基于理想真空测得的压力,例如大气压力。常用的计量单位是帕斯卡 (Pa)。差压是两个测量点之间的压力差。 差压通常以磅/平方英寸 (psid) 作为测量单位。表压是相对于环境压力测得的压力,比如血压。常用的测量单位是每平方英寸表压 (psig)。

压力的国际单位是帕斯卡 (N/m2),其他常见压力单位包括每平方英寸磅数 (PSI)、大气压 (atm)、巴、英寸汞柱 (Hg) 和毫米汞柱 (mm Hg)。

压力传感器广泛用于汽车、制造、航空、生物医学测量、空调、液压测量等领域。在汽车行业,压力传感器是发动机及其安全性不可或缺的组成部分。 在发动机中,这些传感器用于监测机油和冷却液的压力并调节发动机的输出功率,以便在踩下加速踏板或施加制动时让汽车达到合适的速度。 在数字血压监测器和呼吸机等仪器中,要使用压力传感器根据患者的健康状况和需求对这些仪器进行优化。

接触

触摸传感器用于捕获和记录设备和/或物体受到的物理触摸或包围。借此,设备或物体能够检测通常由人类用户或操作员发出的触摸或靠近动作。 触控传感输入设备为新颖交互技术的实现提供了多种可能性,它能可靠地取代机械按钮和开关以消除机械磨损。这些传感器可以配置成简单的滑块、 转轮或触摸板,以提供直观的用户界面。

触摸传感器主要适用于物体或个人与其发生接触的情形。触摸传感器也称为触觉传感器,它对触摸、力或压力敏感。 它可以借助电容式或电阻式传感技术来实现。

电容式感应是一种基于电容耦合的技术,可以检测和测量任何导电或与空气有介电差异的物体。电容式触摸屏基于人体(通常是指尖) 中的电脉冲来区分和感测特定的触摸位置。因此电容式触摸屏不需要用户在屏幕表面上施加任何实际的作用力。

电容式触摸屏经久耐用,颇受欢迎,广泛应用于各类应用。电容式触摸屏非常清晰,透明度高达 90%。其清晰度优于电阻技术,因此适用于智能手机。

流量

流量传感器(或流量计)用于测量线性、非线性、质量以及体积流体或气体的流速。流量传感器利用电气和机械子系统来测量 流体物理属性的变化,并进行流量计算。流量传感器适用于工作温度范围 -20℃ 至 +400℃ 的气体和工作温度范围 -50℃ 至 +180℃ 的液体,可测量 0 m/s 至 100 m/s 的流速及方向。其可用于检测泄漏、堵塞和管道破裂。流量测量对于各类 设备的控制而言都很重要。这类传感器通常用于医疗设备、暖通空调系统、汽车、化工厂、工业过程和智能能源应用。选择流 量计时,需要考虑校准和维护的便捷性、两次故障的平均间隔时间以及特定工厂的备件可用性。

流量传感器的选择依据为需求规格说明,如流量信息、流体特性(连续或累计)、数据类型(本地或远程)等。若为远程数据, 则可以进行模拟或数字传输。此外,还需要在最高工作温度下评估工艺流体因素的特性和流动特性,例如压力、温度、允许压降、 密度(或比重)、电导率、粘度和蒸发气压。

流量传感器分为接触式和非接触式两大类。 如果被测液体或气体接触到传感器的运动部件时不会阻塞管道,则使用接触式流量传感器。 而非接触式流量传感器没有运动部件,通常用于跟踪液体或气体。同样,这种流量传感器可以是体积流量传感或质量流量传感器系统。 气体流量传感器采用基于质量流量的系统。

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