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傳感器篇(一)

什麼叫傳感器

微型化、數字化、智慧化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展,讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官,讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

傳感器

溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度並轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器是溫度測量儀錶的核心部分,品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類,按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。

溫度傳感器

 

  • 接觸式

接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測物件有良好的接觸,又稱溫度計。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡,從而使溫度計的示值能直接表示被測物件的溫度。

一般測量精度較高。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件,可用於測量1.6~300K範圍內的溫度。

  • 非接觸式

它的敏感元件與被測物件互不接觸,又稱非接觸式測溫儀錶。這種儀錶可用來測量運動物體、小標的和熱容量小或溫度變化迅速(瞬變)物件的錶面溫度,也可用於測量溫度場的溫度分佈。最常用的非接觸式測溫儀錶基於黑體輻射的基本定律,稱為輻射測溫儀錶。輻射測溫法包括亮度法(見光學高溫計)、輻射法(見輻射高溫計)和比色法(見比色溫度計)。

  • 非接觸測溫優點

測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制,因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對於1800℃以上的高溫,主要採用非接觸測溫方法。隨著紅外技術的發展,輻射測溫 逐漸由可見光向紅外線擴展,700℃以下直至常溫都已採用,且解析度很高。

  • 工作原理

電阻傳感

金屬隨著溫度變化,其電阻值也發生變化。

對於不同金屬來說,溫度每變化一度,電阻值變化是不同的,而電阻值又可以直接作為輸出信號。

電阻共有兩種變化型別

正溫度繫數

溫度升高 = 阻值增加

溫度降低 = 阻值減少

負溫度繫數

溫度升高 = 阻值減少

溫度降低 = 阻值增加

熱電偶傳感

熱電偶由兩個不同材料的金屬線組成,在末端焊接在一起。再測出不加熱部位的環境溫度,就可以準確知道加熱點的溫度。由於它必須有兩種不同材質的導體,所以稱之為熱電偶。不同材質做出的熱電偶使用於不同的溫度範圍,它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時,輸出電位差的變化量。對於大多數金屬材料支撐的熱電偶而言,這個數值大約在5~40微伏/℃之間。

  • 挑選方法

  1. 熱電偶

    熱電偶是溫度測量中最常用的溫度傳感器。其主要好處是寬溫度範圍和適應各種大氣環境,而且結實、價低,無需供電,也是最便宜的。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構成,當熱電偶一端受熱時,熱電偶電路中就有電勢差。可用測量的電勢差來計算溫度。

  2. 熱敏電阻

    熱敏電阻是用半導體材料, 大多為負溫度繫數,即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變,因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差,並且與生產工藝有很大關係。製造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。

加速度傳感器

加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中,通過對質量塊所受慣性力的測量,利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據傳感器敏感元件的不同,常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。

  • 分類

壓電式

壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬於慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應,在加速度計受振時,質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低於加速度計的固有頻率時,則力的變化與被測加速度成正比。

壓阻式

基於世界領先的MEMS硅微加工技術,壓阻式加速度傳感器具有體積小、低功耗等特點,易於集成在各種模擬和數字電路中,廣泛應用於汽車碰撞實驗、測試儀器、設備振動監測等領域。

電容式

電容式加速度傳感器是基於電容原理的極距變化型的電容傳感器。電容式加速度傳感器/電容式加速度計是對比較通用的加速度傳感器。在某些領域無可替代,如安全氣囊,手機移動設備等。電容式加速度傳感器/電容式加速度計採用了微機電系統(MEMS)工藝,在大量生產時變得經濟,從而保證了較低的成本。

伺服式

伺服式加速度傳感器是一種閉環測試系統,具有動態性 能好、動態範圍大和線性度好等特點。其工作原理,傳感器的振動系統由 “m-k”系統組成,與一般加速度計相同,但質量m上還接著一個電磁線圈,當基座上有 加速度輸入時,質量塊偏離平衡位置,該位移大小由位移傳感器檢測出來,經伺服放大器 放大後轉換為電流輸出,該電流流過電磁線圈,在永久磁鐵的磁場中產生電磁恢復力,力圖使質量塊保持在儀錶殼體中原來的平衡位置上,所以伺服加速度傳感器在閉環狀態下工作。

光纖傳感器

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經過光纖送入調製器,使待測引數與進入調製區的光相互作用後,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等)發生變化,成為被調製的信號源,在經過光纖送入光探測器,經解調後,獲得被測引數。

光纖傳感器

  • 原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調製器,使待測引數與進入調製區的光相互作用後,導致光的光學性質(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等)發生變化,稱為被調製的信號光,再利用被測量對光的傳輸特性施加的影響,完成測量。

光纖傳感器工作原理

(1)功能型——利用光纖本身的某種敏感特性或功能製成

(2)傳光型——光纖僅僅起傳輸光的作用,它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化。

  • 特點

  1. 靈敏度較高;

  2. 幾何形狀具有多方面的適應性,可以製成任意形狀的光纖傳感器;

  3. 可以製造傳感各種不同物理信息(聲、磁、溫度、旋轉等)的器件;

  4. 可以用於高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環境;

  5. 而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。

 

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