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传感器和换能器导论

在本教程中,我们将学习一些关于传感器和换能器的知识,如何选择传感器,传感器和换能器的要求,传感器的分类,模拟和数字传感器的一些例子。

我们生活在一个模拟的世界里,用数字的通讯手段和电子信号控制机械物体。这是因为传感器和传感器等设备的存在,它们帮助我们将数据或信息从一个领域转换到另一个领域。

简介

在任何主要系统中,无论是机械系统还是电子系统,测量都是一个重要的子系统。测量系统由传感器、执行器、换能器和信号处理装置组成。这些元件和设备的使用不仅限于测量系统。

这些也被用于执行特定任务的系统中,与现实世界进行通信。这种通信可以是任何东西,比如从开关读取信号的状态,或者触发特定的输出来点亮LED。

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传感器和换能器的定义

传感器和传感器这两个词在测量系统中被广泛使用。传感器是一种产生与被测量有关的信号的元件。根据美国仪器协会的说法,“传感器是一种根据被测的特定数量提供可用输出的设备。”sensor这个词的原意是“感知”。

简单地说,传感器是一种检测物理刺激中的变化和事件,并提供可测量和/或记录的相应输出信号的设备。在这里,输出信号可以是任何可测量的信号,通常是一个电量。

传感器是在系统中执行输入功能的设备,因为它们“感知”数量的变化。传感器的最好例子是水银温度计。这里被测量的量是热量或温度。根据液体汞的膨胀和收缩,测量的温度在校准的玻璃管上转换为可读的值。

执行器是与传感器工作相反的设备。传感器将物理事件转换为电信号,而执行器则将电信号转换为物理事件。当传感器用于系统的输入时,执行器用于执行系统的输出功能,因为它们控制外部设备。

换能器是把一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常能量以信号的形式存在。传感器是传感器和执行器的统称。

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传感器的选择标准

以下是在选择传感器时需要考虑的某些特性。

  1. 类型的感知:被感知的参数,如温度或压力。
  2. 工作原理:传感器的工作原理。
  3. 能源消耗:传感器所消耗的功率在确定系统总功率方面起着重要的作用。
  4. 准确性:传感器的精度是选择传感器的关键因素。
  5. 环境条件:传感器的使用条件将是选择传感器质量的一个因素。
  6. 成本:根据应用成本,可以使用低成本传感器或高成本传感器。
  7. 分辨率和范围:可感知的最小值和测量的极限是很重要的。
  8. 校准和可重复性:值随时间的变化以及在类似条件下重复测量的能力。

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传感器或传感器的基本要求

传感器的基本要求是:

  1. 范围:它表示输入的极限,在此范围内它可以变化。在测量温度时,热电偶的量程可达25 - 250 0C。
  2. 准确性:它是实际测量值与真实值之间的精确程度。精度用全量程输出的百分比表示。
  3. 灵敏度:灵敏度是输入物理信号和输出电信号之间的关系。它是传感器的输出变化与输入值的单位变化的比值,导致了输出的变化。
  4. 稳定性:它是传感器在一段时间内对恒定输入产生相同输出的能力。
  5. 可重复性:它是传感器的能力,以相同的输入值为不同的应用产生相同的输出。
  6. 响应时间:它是输出的变化速度与输入的阶梯式变化。
  7. 线性:它是用非线性的百分比来指定的。非线性是指实际测量曲线与理想测量曲线的偏差。
  8. 强度:当传感器在极端的操作条件下使用时,它是一种持久性的衡量标准。
  9. 磁滞:滞回被定义为在传感器指定的范围内,当输入参数先增大后减小时,在任何可测量值处输出的最大差值。迟滞是指当换能器在相反的操作方向上使用时,它不能忠实地重复其功能的特性。

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传感器的分类

传感器的分类方案可以非常简单,也可以非常复杂。被感知到的刺激是这个分类中的一个重要因素。

有些刺激是

  1. 声:波,频谱和波速。
  2. 电:目前,电荷,潜力,电场介电常数和电导率。
  3. 磁性:磁场,磁通量和磁导率。
  4. 热:温度,比热和热导率。
  5. 机械:位置,加速度,力,压力,应力,应变,质量,密度,动量,扭矩,形状,方向,粗糙度,刚度,柔度,结晶度和结构。
  6. 光:波,波速,折射率,反射率,吸收率和发射率。

传感器的转换现象也是传感器分类的一个重要因素。一些转换现象是磁电、热电和光电。

根据传感器的应用,可将其分类如下。

I.位移,位置和接近传感器

  1. 电阻元件或电位器
  2. 电容元件
  3. 应变测量元素
  4. 感应距离传感器
  5. 涡流接近传感器
  6. 差动变压器
  7. 光学编码器
  8. 霍尔效应传感器
  9. 气动传感器
  10. 接近开关
  11. 旋转编码器

2温度传感器

  1. 热敏电阻
  2. 热电偶
  3. 双金属条
  4. 电阻温度探测器
  5. 恒温器

3光传感器

  1. 光电二极体
  2. 光电晶体管
  3. 光敏电阻

四、速度和运动

  1. 热释电传感器
  2. 测速发电机
  3. 增量式编码器

诉流体压力

  1. 隔膜压力表
  2. 触觉传感器
  3. 压电式传感器
  4. 胶囊,风箱,压力管

六、液体流量和液位

  1. 涡轮流量计
  2. 孔板和文丘里管

7红外传感器

  1. 红外发射和接收对

8力

  1. 应变仪
  2. 负载细胞

9触摸传感器

  1. 电阻式触控传感器
  2. 电容式触摸传感器

x紫外线传感器

  1. 紫外线检测器
  2. 照片稳定传感器
  3. 紫外线管照片
  4. 杀菌紫外线检测器

所有传感器可根据功率或信号要求分为两种类型。它们是主动传感器和被动传感器。

为了操作有源传感器,需要外部电源的电源信号。这个信号叫做激励信号,基于这个激励信号传感器产生输出。应变计是主动传感器的一个例子。它是一种压敏电阻桥接网络,本身不产生输出电信号。施加的力的大小可以通过将其与网络的阻力联系起来来测量。电阻可以通过电流通过来测量。电流充当激励信号。

相比之下,被动传感器直接产生输出电信号响应输入刺激。无源传感器所需的所有功率都是从测量中获得的。热电偶是一种无源传感器。

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常用传感器和换能器

一些最常用的传感器和传感器的不同刺激(被测量的数量)是

  1. 对于感知光,输入器件或传感器是光二极管、光晶体管、光依赖电阻和太阳能电池。输出设备或执行器是led,显示器,灯和光纤。
  2. 用于感知温度的传感器有热敏电阻、热电偶、电阻温度探测器和恒温器。执行器是加热器。
  3. 对于传感位置,输入器件是电位器、接近传感器和差动变压器。输出设备有电机和面板仪表。
  4. 对于压力的感知,传感器是应变计和测压传感器。执行器是升降机,千斤顶和电磁振动。
  5. 对于感知声音,输入设备是麦克风,输出设备是扬声器和蜂鸣器。
  6. 对于感知速度,所使用的传感器是测速发生器和多普勒效应传感器。执行器是马达和刹车。

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一个使用传感器的简单系统

公共寻址系统是使用传感器和执行器的系统的一个例子。

1.公共地址系统

它由一个麦克风、一个放大器和一个扬声器组成。所述传感器或具有输入功能的装置为麦克风。它能感知声音信号并将其转化为电信号。放大器接收这些电信号并放大它们的强度。

所述执行器或具有输出功能的装置为扬声器。它从放大器接收放大的电信号,并将它们转换回声音信号,但具有更大的覆盖范围。

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模拟传感器

模拟传感器在一定范围内产生连续变化的输出信号。通常输出信号是电压,这个输出信号与被测电压成正比。被测量的量,如速度、温度、压力、应变等,本质上都是连续的,因此它们是模拟量。

用于测量光强度的硫化镉电池(CdS Cell)是一种模拟传感器。CdS电池的电阻根据入射光的强度而变化。当连接到分压器网络时,通过改变输出电压可以观察到电阻的变化。在这个电路中,输出可以在0v到5v之间的任何地方变化。

2.模拟信号

热电偶或温度计是一种模拟传感器。下面的设置用于使用热电偶测量容器中液体的温度。

3.热电偶传感器

上述设置的输出信号如下图所示:

4.热电偶的输出

模拟传感器的输出随着时间的推移趋于平稳和连续的变化。因此,采用模拟传感器的电路的响应时间和精度较低。为了在基于微控制器的系统中使用这些信号,可以使用模数转换器。

模拟传感器通常需要外部电源和某种形式的放大,以产生适当的输出信号。运算放大器在提供放大和滤波方面非常有用。

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数字传感器

数字传感器产生离散的数字信号。数字传感器的输出只有两种状态,即“ON”和“OFF”。ON是逻辑1,OFF是逻辑0。按钮开关是数字传感器的最好例子。在这种情况下,开关只有两种可能的状态:要么在按下时为ON,要么在释放时为OFF,要么不按。

下面的设置使用光传感器来测量速度并产生数字信号。

5.数字传感器的例子

在上述设置中,转盘连接到电机的轴上,并具有许多透明槽。光传感器捕获光的存在或不存在,并相应地向计数器发送逻辑1或逻辑0信号。计数器显示磁盘的速度。精度可以通过增加光盘上的透明槽来提高,因为它允许在相同的时间内进行更多计数。

一般来说,与模拟传感器相比,数字传感器的精度较高。精度取决于用于表示被测值的比特数。比特数越高,精度越高。

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下一个位置传感器

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