傳感器的原理和應用一、傳感器定義傳感器是復雜的設備，經常被用來檢測和響應電信號或光信號。傳感器將物理參數（例如：溫度、血壓、濕度、速度等）轉換成可以用電測量的信號。我們可以先來解釋一下溫度的例子，玻璃溫度計中的水銀使液體膨脹和收縮，從而將測量到的溫度轉換為可被校準玻璃管上的觀察者讀取的溫度。二、傳感器選擇標準在選擇傳感器時，必須考慮某些特性，具體如下：1.準確性2.環境條件——通常對溫度/濕度有限制3.范圍——傳感器的測量極限4.校準——對于大多數測量設備而言必不可少，因為讀數會隨時間變化5.分辨率——傳感器檢測到的最小增量6.費用7.重復性——在相同環境下重復測量變化的讀數三、傳感器分類標準傳感器分為以下標準：1.主要輸入數量（被測量者）2.轉導原理（利用物理和化學作用）3.材料與技術4.財產5.應用程序轉導原理是有效方法所遵循的基本標準。通常，材料和技術標準由開發工程小組選擇。根據屬性分類如下：·溫度傳感器——熱敏電阻、熱電偶、RTD、IC等?！毫鞲衅鳌饫w、真空、彈性液體壓力計、LVDT、電子?！ち髁總鞲衅鳌姶拧翰睢⑽恢梦灰?、熱質量等?！ひ何粋鞲衅鳌獕翰?、超聲波射頻、雷達、熱位移等?！そ咏臀灰苽鞲衅鳌狶VDT、光電、電容、磁、超聲波?！ど飩鞲衅鳌舱耒R、電化學、表面等離子體共振、光尋址電位測量?！D像——電荷耦合器件、CMOS·氣體和化學傳感器——半導體、紅外、電導、電化學?！ぜ铀俣葌鞲衅鳌勇輧x、加速度計?！て渌獫穸取穸葌鞲衅?、速度傳感器、質量、傾斜傳感器、力、粘度。來自生物傳感器組的表面等離子體共振和光可尋址電位是基于光學技術的新型傳感器。與電荷耦合器件相比，CMOS圖像傳感器的分辨率較低，CMOS具有體積小、價格便宜、功耗低的優點，因此可以更好地替代電荷耦合器件。加速度計由于在未來的應用中（如飛機、汽車等）以及在視頻游戲、玩具等領域中的重要作用而被獨立分組。磁強計是測量磁通強度B（以特斯拉或As/m2為單位）的傳感器。根據傳感器的電源或能量供應要求進行分類：·有源傳感器–需要電源的傳感器稱為有源傳感器。示例：激光雷達（光探測和測距）、光電導單元?！o源傳感器–不需要電源的傳感器稱為無源傳感器。例如：輻射計、膠片攝影。根據應用分類如下：·工業過程控制、測量和自動化·非工業用途-飛機、醫療產品、汽車、消費電子產品、其他類型的傳感器。根據當前和未來的應用前景中，傳感器可分為以下幾類：·加速計——它們基于微電子機械傳感器技術。它們用于病人監測，包括配速器和車輛動態系統?！ど飩鞲衅鳌鼈兓陔娀瘜W技術。它們用于食品測試、醫療設備、水測試和生物戰劑檢測?！D像傳感器——它們基于CMOS技術。它們被用于消費電子、生物測定、交通和安全監視以及個人電腦成像?！み\動探測器——基于紅外線、超聲波和微波/雷達技術。它們被用于電子游戲和模擬，光激活和安全檢測。四、五種常用的傳感器類型一些常用的傳感器及其原理和應用說明如下：（一）、溫度傳感器該設備從源頭收集有關溫度的信息，并轉換成其他設備或人可以理解的形式。溫度傳感器的最佳例證是玻璃水銀溫度計，會隨著溫度的變化而膨脹和收縮。外部溫度是溫度測量的來源，觀察者觀察汞的位置以測量溫度。溫度傳感器有兩種基本類型：·接觸式傳感器——這種類型的傳感器需要與被感測對象或介質直接物理接觸。它們可以在在很大的溫度范圍內監控固體、液體和氣體的溫度。·非接觸式傳感器——這種類型的傳感器不需要與被檢測的物體或介質發生任何物理接觸。它們監控非反射性固體和液體，但由于天然透明性，因此對氣體無用。這些傳感器使用普朗克定律測量溫度。該定律處理從熱源輻射的熱量以測量溫度。不同類型溫度傳感器的工作原理及實例（i）熱電偶——它們由兩根電線（每根均為不同的均勻合金或金屬）組成，通過在一端的連接形成測量接頭，該測量接頭對被測元件開放。電線的另一端端接到測量設備，在此形成參考結。由于兩個結點的溫度不同，電流流過電路，測量得到的毫伏來確定結點的溫度。熱電偶示意圖如下。（ii）電阻溫度檢測器（RTD）——這是一種熱電阻，其制造目的是隨著溫度的變化改變電阻，它們比任何其他溫度檢測設備都貴。電阻式溫度探測器示意圖如下。（iii）熱敏電阻——它們是另一種電阻，電阻的大變化與溫度的小變化成正比。（二）、紅外傳感器該設備發射或檢測紅外輻射以感知環境中的特定相位。一般來說，熱輻射是由紅外光譜中的所有物體發出的，紅外傳感器檢測到這種人眼看不見的輻射。優勢·易于連接·市場上現貨供應缺點·受到周圍噪音干擾，如輻射、環境光等。工作原理其基本思想是利用紅外發光二極管向物體發射紅外光。同一類型的另一個紅外二極管將用于探測物體反射波。紅外Led傳感器工作原理簡圖如下所示。當紅外接收器受到紅外光照射時，導線上會產生電壓差。由于產生的電壓很小，很難被檢測到，因此使用運算放大器（運放）來準確地檢測低電壓。測量物體與接收傳感器的距離：紅外傳感器組件的電特性可用于測量物體的距離，當紅外接收器受到光照時，導線上會產生電位差。應用·熱成像-根據黑體輻射定律，可以使用熱成像來觀察有或沒有可見光的環境?！ぜ訜?紅外線可用于烹飪和加熱食物，它們能把飛機機翼上的冰帶走。它們廣泛應用于印刷印染、塑料成型、塑料焊接等工業領域?！す庾V學-這項技術通過分析組成鍵來識別分子，這項技術利用光輻射來研究有機化合物?！庀?當氣象衛星配備有掃描輻射計時，可以計算云層高度、陸地和地表溫度?！す馍镎{節-用于癌癥患者的化療，這是用來治療抗皰疹病毒?！夂驅W-監測大氣和地球之間的能量交換。·通信——紅外線激光為光纖通信提供光。這些輻射也用于手機和計算機外圍設備之間的短程通信。（三）、紫外線傳感器這些傳感器測量入射紫外線的強度或功率。這種電磁輻射的波長比x射線長，但仍比可見光短。一種被稱為聚晶金剛石的活性材料正被用于可靠的紫外傳感，紫外線傳感器可以發現環境暴露在紫外線輻射下的情況。選擇紫外線傳感器的標準·紫外傳感器可以檢測到的波長范圍（納米）·工作溫度·準確度·重量·功率范圍工作原理紫外線傳感器接收一種類型的能量信號，并傳輸不同類型的能量信號。為了觀察和記錄這些輸出信號，它們被導向電表。為了生成圖形和報告，輸出信號被傳輸到模數轉換器（ADC），然后再通過軟件傳輸到計算機。示例包括：·紫外線光電管是一種輻射敏感的傳感器，用于監測紫外線空氣處理、紫外線水處理和太陽輻射?！す鈧鞲衅鳒y量入射光的強度?！ぷ贤夤庾V傳感器是用于科學攝影的電荷耦合器件（CCD）?！ぷ贤饩€探測器。·殺菌紫外線探測器?！す夥€定性傳感器。應用·測量紫外線光譜中曬傷皮膚的部分·藥房·汽車·機器人學·溶劑處理和染色工藝的印染工業·化學品生產、儲存和運輸用化學工業（四）、觸摸傳感器觸摸傳感器根據觸摸位置充當可變電阻器。觸摸傳感器作為可變電阻工作的圖。觸摸傳感器由以下部件組成：·全導電物質，如銅·絕緣間隔材料，如泡沫或塑料·部分導電材料原理與工作部分導電材料反對電流的流動。線性位置傳感器的主要原理是，當電流必須通過的材料長度越長時，電流流就越相反。因此，材料的電阻通過改變其與完全導電材料接觸的位置而變化。通常，軟件與觸摸傳感器相連。在這種情況下，內存是由軟件提供的。當傳感器被關閉時，他們可以記憶“最后一次接觸的位置”。一旦傳感器被激活，他們就能記住“第一次接觸位置”，并理解與之相關的所有值。這個動作類似于移動鼠標并將其定位在鼠標墊的另一端，以便將光標移動到屏幕的遠端。應用觸摸傳感器具有成本效益高、經久耐用的特點，被廣泛應用于·商業——醫療、銷售、健身和游戲·電器-烤箱、洗衣機/烘干機、洗碗機、冰箱·運輸-駕駛艙制造和車輛制造商之間的簡化控制·液位傳感器·工業自動化-位置和液位傳感，自動化應用中的人工觸摸控制·消費電子產品-在各種消費產品中提供新的感覺和控制水平（五）、接近傳感器接近傳感器檢測幾乎沒有任何接觸點的物體的存在。由于傳感器與被測物體之間沒有接觸，且缺少機械零件，因此這些傳感器的使用壽命長，可靠性高。不同類型的接近傳感器有感應式接近傳感器、電容式接近傳感器、超聲波接近傳感器、光電傳感器、霍爾效應傳感器等。工作原理接近傳感器發射電磁或靜電場或電磁輻射束（如紅外線），并等待返回信號或場中的變化，被感測的物體稱為接近傳感器的目標。感應式接近傳感器-它們有一個振蕩器作為輸入，通過接近導電介質來改變損耗電阻。這些傳感器是首選的金屬目標。電容式接近傳感器-它們轉換檢測電極和接地電極兩側的靜電電容變化。這是通過以振蕩頻率的變化接近附近的物體而發生的。為了檢測附近的目標，將振蕩頻率轉換為直流電壓，并與預定閾值進行比較。這些傳感器是塑料目標的首選。應用·在自動化工程中用于定義過程工程設備、生產系統和自動化設備的運行狀態·在窗口中使用，當窗口打開時會激活警報·用于機械振動監測計算軸與支承軸承的距離差五、原則不同的定義被批準用于區分傳感器和傳感器。傳感器可以被定義為一種元件，用一種形式的能量來感知，以產生相同或另一種形式的能量的變體。傳感器利用轉換原理將被測物轉換成所需的輸出。根據所獲得和產生的信號，原理可分為以下幾類，即電、機械、熱、化學、輻射和磁。以超聲波傳感器為例。超聲波傳感器用于檢測物體的存在。它通過從設備頭部發射超聲波，然后從相關物體接收反射的超聲波信號來實現。這有助于探測物體的位置、存在和移動。由于超聲波傳感器依靠聲音而不是光來檢測，它被廣泛應用于測量水位、醫療掃描程序和汽車工業。超聲波利用其反射傳感器可以探測透明物體，如透明薄膜、玻璃瓶、塑料瓶和平板玻璃。工作超聲波的運動因介質的形狀和類型而異。例如，超聲波在均勻介質中直線運動，并在不同介質之間的邊界處反射和傳回。人體在空氣中會引起相當大的反射，而且很容易被發現。最好通過了解以下內容來解釋超聲波的傳播：一、多重反射當波在傳感器和檢測對象之間被多次反射時，會發生多次反射。二、限制區最小感應距離和最大感應距離可調。這叫做極限區。三、未探測區未檢測區域是傳感器頭表面與檢測距離調整產生的最小檢測距離之間的間隔。下圖所示。未檢測區域是靠近傳感器的區域，由于傳感器頭部配置和混響，無法進行檢測。由于傳感器和物體之間的多次反射，檢測可能發生在不確定區域。應用傳感器用于多種應用，如：·沖擊檢測·機器監控應用程序·車輛動力學·低功耗應用·結構動力學·醫療航天·核儀器·作為手機“觸摸鍵盤”中的壓力傳感器·接觸燈座時變亮或變暗的燈·電梯中的觸控按鈕六、先進的傳感器技術傳感器技術在制造領域有著廣泛的應用。先進技術如下：一、條形碼識別——市場上銷售的產品有一個通用產品代碼（UPC），它是一個12位代碼。其中五個數字代表制造商，另外五個數字代表產品。前六位數字用代碼表示為亮條和暗條。第一位表示數字系統的類型，第二位表示奇偶性表示讀數的準確性。剩下的六位數字用暗線和暗線表示，與前六位數字的順序相反。條形碼如下圖所示。條形碼閱讀器可以管理不同的條形碼標準，即使不知道標準代碼。條形碼的缺點是，如果條形碼被油脂或污垢遮蓋，條形碼掃描儀將無法讀取。二、轉發器——在汽車部分，在許多情況下使用射頻設備。轉發器隱藏在鑰匙的塑料頭內，任何人都看不見。鑰匙插入點火鎖芯。當你轉動鑰匙時，電腦會向收發器發送一個無線電信號。在應答器對信號做出響應之前，計算機不會讓發動機點火。這些轉發器由無線電信號供電。三、制造部件的電磁識別——這類似于條形碼技術，數據可以在磁條上編碼。使用磁條技術，即使代碼隱藏在油脂或污垢中，也可以讀取數據。四、表面聲波——此過程類似于射頻識別。在這里，部件識別由雷達類型信號觸發，并且與RF系統相比，被遠距離傳輸。五、光學字符識別——這是一種自動識別技術，使用字母數字字符作為信息源。在美國，郵件處理中心使用光學字符識別。它們也用于視覺系統和語音識別系統。傳感器的概念及分類傳感器應用范圍廣泛,在各個領域、行業備受青睞。傳感器的常見構成要素除了敏感元件和轉換元件外,還包括變換電路和輔助電源。其中:敏感元件的直觀性最強,能夠輸出與之相關的各類物理量信號;轉換元件的價值在于更改上述元件輸出的內容,轉變為電信號的形式;變換電路的主要作用是放大、調制轉換元件輸出的電信號;無論是轉換元件還是變換電路,都離不開輔助電源的供電[1]。1.1傳感器的概念傳感器作為一種常見裝置,可感知外界信息并進行轉化,使之以可利用的信號形式存在。傳感器的價值和作用在于轉化感知到的模擬信號,使之以電信號的形式顯示。這一過程被稱為模數變化過程,主要構成元素為傳感器末梢和信號變化裝置。前者的作用在于感知外界信息。傳感器具備數字化、智能化、系統化、微型化和網絡化等特征,為自動檢測及控制過程中的首要環節。充分發揮傳感器的作用和價值,能夠使物體更加立體、形象。依據感知功能,可將傳感器細分為熱、光、磁、氣和色等各類敏感元件。文章不一一舉例,著重探討溫、光、力和磁四個方面[2]。1.2傳感器的分類第一,溫度傳感器。此類傳感器的核心是熱敏元件。通常,溫度傳感器中,熱敏軟件由雙金屬片、銅、鉑和半導體等各類熱電阻構成,甚至可以由熱電偶構成。半導體熱敏傳感器體積小,靈敏度和準確性都非常高,制作工藝也非常簡單,費用低,應用普遍。第二,光傳感器。目前,光電技術的發展速度非?？?由其滋生的光敏元件應用比較普遍。光敏元件的生產工藝比較簡單,價格比較便宜,廣泛應用于許多領域,比如光電二極管、光電耦合器和光敏電阻器等。第三,力敏傳感器。以往材料的形變和位移通常用物理量測量,而現在則被傳感器取代。目前,半導體器件技術發展較快。無論是半導體材料的電阻效能,還是器件物理特性,都通過力學原理進行測量。這一測量方法受到了人們的廣泛關注。力敏傳感器具備非常高的靈敏度,體積相對較小,非常輕便,便于搬運、收納。它普遍應用于測量器件壓力、加速度,甚至可以應用于工業控制[3]。第四,磁敏傳感器。它依托磁場原理制作而成。霍爾器件作為一種磁敏傳感器,應用普遍?；魻柶骷痛抛杵骷謩e依據霍爾效應和磁阻效應原理制作而成。一旦出現外加磁場,周圍磁場增大時,半導體電阻隨之增大。電子元器件中,磁敏二極管和磁敏三極管應用普遍,而電子產品審計過程中,常用電子元器件?，F階段,磁敏元件生產工藝比較完備,磁敏傳感器正是以磁敏元件為基礎制作而成,可以用于測量電學量、磁學量和力學量[4]。傳感器的種類和作用傳感器是各種儀器儀表的重要組成部分，它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。那么，傳感器的種類和作用都有哪些呢？

一、傳感器的種類

在生產和生活中，傳感器的種類主要有：

1、光傳感器

光傳感器利用的是半導體的光導效應或光生伏特效應。光生伏特效應是通過光照射，將半導體PN結處產生的電壓或電流作為輸出加以檢測。如光敏二級管，光敏三級管等。這些效應都是利用了光的量子性質。最常見的應用實例，就是光控燈。

2、溫度傳感器

用于檢測溫度的物理效應當中，除了利用塞貝克效應的熱電偶外，通常利用Pt，W等的金屬和氧氣物半導體以及非氧化物半導體，有機半導體等的電阻隨溫度變化來作為溫度傳感器的。此外，還有利用PN結處電流——電壓特性隨溫度的變化，利用居里溫度附近磁特性和介電常數變化的傳感器，利用介電常數和壓電常數的變化，來檢測其共振頻率變化的溫度的傳感器等，如常見的空調的控溫。3、壓力傳感器

壓力傳感器大多利用了某種壓阻效應。壓阻效應是指當壓力施加于電阻體上時，會使其電阻值發生變化，該現象稱為壓阻現象，比金屬電阻的變化要明顯得多，主要是因在受壓后其電子或空穴的遷移率發生變化。比較常見的應用像電子稱。4、磁傳感器

磁傳感器的常用效應是霍爾效應與磁阻效應。利用霍爾效應的元件是霍爾元件，它是在一半導體薄片兩端之間通以電流，如果在薄片垂直方向外加一磁場，則載流子在羅倫茲力的作用下，將沿著與磁場方向垂直的方向移動，若在該方向上設置電極，則可檢測出電壓來(霍爾電壓)。典型應用如電動車的調速方法。

5、氣體傳感器

氣體傳感器實際就是半導體氣體傳感器。主要是氣體的吸附效應。如半導體SnO2燒結制成的氣敏傳感器，其為多晶體，當表面吸附氣體分子時，就會在氣體分子與燒結體之間發生電子交換?？刂戚d流子運動的晶粒界面處的勢壘會發生變化。若在燒結體上設置兩個電極，其間電阻將隨氣體分子吸附情況而增減。一般在還原性氣體中電阻值會減少，在氧化性氣體中電阻值會增加。最常見的應用實例，就是各種煙霧報警器了。

二、傳感器的作用

傳感器的作用是什么，傳感器實際上是一種功能塊，其作用是將來自外界的各種信號轉換成電信號。傳感器所檢測的信號近來顯著地增加，因而其品種也極其繁多。為了對各種各樣的信號進行檢測、控制，就必須獲得盡量簡單易于處理的信號，這樣的要求只有電信號能夠滿足。電信號能較容易地進行放大、反饋、濾波、微分、存貯、遠距離操作等。因此作為一種功能塊的傳感器可狹義的定義為：“將外界的輸入信號變換為電信號的一類元件。”傳感器的五大特性及四大設計要點傳感器是將一種物理量經過電路轉換成一種能以另外一種直觀的可表達的物理量的描述。本文對傳感器的概念、原理及特性進行逐一介紹，進而解析傳感器設計的要點。一、傳感器的概念傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。二、傳感器的工作原理傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產生400Hz的方波，經過tda2030功率放大器即產生交流激磁功率電源，通過能源環形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運算放大器AD822的工作電源;由基準電源AD589與雙運放AD822組成的高精度穩壓電源產生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉換器的工作電源。當彈性軸受扭時，應變橋檢測得到的mV級的應變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強信號，再通過V/F轉換器變換成頻率信號，通過信號環形變壓器T2從旋轉的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平，既可提供給專用二次儀表或頻率計顯示也可直接送計算機處理。由于該旋轉變壓器動——靜環之間只有零點幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內，形成有效的屏蔽，因此具有很強的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的?；瘜W傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。三、傳感器的特性介紹1、靜態特性：是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。2、動態特性：是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。3、線性度：通常情況下，傳感器的實際靜