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。
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。
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。
- 类型的感知:被感知的参数,如温度或压力。
- 工作原理:传感器的工作原理。
- 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。
- 准确性:传感器的精度是选择传感器的关键因素。
- 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。
- 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。
- 分辨率和范围:可感知的最小值和测量的极限是很重要的。
- 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。
传感器或传感器的基本要求
传感器的基本要求是:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 响应时间:它是输出的变化速度与输入的阶梯式变化。
- 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。
- 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。
- 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。
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
- 声:波,频谱和波速。
- 电:目前,电荷,潜力,电场介电常数和电导率。
- 磁性:磁场,磁通量和磁导率。
- 热:温度,比热和热导率。
- 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。
- 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
- 电阻元件或电位器
- 电容元件
- 应变测量元素
- 感应距离传感器
- 涡流接近传感器
- 差动变压器
- 光学编码器
- 霍尔效应传感器
- 气动传感器
- 接近开关
- 旋转编码器
2温度传感器
- 热敏电阻
- 热电偶
- 双金属条
- 电阻温度探测器
- 恒温器
3光传感器
- 光电二极体
- 光电晶体管
- 光敏电阻
四、速度和运动
- 热释电传感器
- 测速发电机
- 增量式编码器
诉流体压力
- 隔膜压力表
- 触觉传感器
- 压电式传感器
- 胶囊,风箱,压力管
六、液体流量和液位
- 涡轮流量计
- 孔板和文丘里管
7红外传感器
- 红外发射和接收对
8力
- 应变仪
- 负载细胞
9触摸传感器
- 电阻式触控传感器
- 电容式触摸传感器
x紫外线传感器
- 紫外线检测器
- 照片稳定传感器
- 紫外线管照片
- 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。
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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
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。
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。
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。
上述设置的输出信号如下图所示:
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。
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。
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。
一个回应
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