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传感器的工作原理
发布人:称重传感器  发布时间:2019/1/14 17:26:03  点击量:85

【广州兰瑟电子科技有限公司】详细介绍传感器的工作原理

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求,传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节,可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。那么接下来兰瑟电子小编就为大家介绍一下传感器的工作原理、应用、应用常见问题及解决方法、分类、主要功能、选型方法及十大品牌。


传感器的工作原理

1、传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路、辅助电源四部分构成,其中,敏感元件直接接收测量,用于输出被测量有关的物理量信号,敏感元件主要包括热敏、光敏、湿敏、气敏、力敏、声敏、磁敏、色敏、味敏、放射性敏感等十大类;转换元件用于将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;

2、变换电路用于将转换元件输出电信号进行放大、调制等处理;辅助电源用于为系统(主要是敏感元件和转换元件)提供能量。

 

传感器的分类

一、按用途

压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器。

二、按原理

振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等;

三、按输出信号

1、模拟传感器:将被测量的非电学量转换成模拟电信号;

2、数字传感器:将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换);

3、膺数字传感器:将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换);

4、开关传感器:当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

四、按其制造工艺

1、集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的,通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上;

2、薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上;

3、厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形;

4、陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶、凝胶等)生产,完成适当的预备性操作之后,已成形的元件在高温中进行烧结。

五、按测量目

1、物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的;

2、化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的;

3、生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的,用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。

六、按其构成

1、基本型传感器:是一种最基本的单个变换装置;

2、组合型传感器:是由不同单个变换装置组合而构成的传感器;

3、应用型传感器:是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而构成的传感器。

七、按作用形式

1、主动型传感器又有作用型和反作用型,此种传感器对被测对象能发出一定探测信号,能检测探测信号在被测对象中所产生的变化,或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号,检测探测信号变化方式的称为作用型,检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型,雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例,而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例;

2、被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号,如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

 

传感器的主要功能

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:

1、光敏传感器——视觉;

2、声敏传感器——听觉;

3、气敏传感器——嗅觉;

4、化学传感器——味觉;

5、压敏、温敏;

6、流体传感器——触觉;

敏感元件的分类:

①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应;

②化学类,基于化学反应的原理;

③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能;

④通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。

 

传感器选型方法

1、需要考虑测量对象与测量环境   

众所周知,即使是测量同一个量,也有许多种原理的传感器可以选择,但是要确定哪一种更合适需要考虑到测量对象和测量环境,具体而言包括以下几个方面:量程的大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式是接触式的还是非接触式的、信号引出的方式、有线还是非接触测量,确定好以上问题后就能确定选用何种类型的传感器,接下来再考虑传感器的具体性能指标。   

2、线性范围

线性范围指的是输出与输入成正比的范围,传感器的线性范围越宽,则其量程越大,测量精度也能得到一定保障,在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求,但是事实上,任何传感器都不能保证绝对的线性,当要求测量精度比较低时,一定范围内可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的。

3、需要考虑灵敏度

一般而言,在传感器的线性范围内,其灵敏度越高越好,这样便于信号处理,但有一点不能忽视,传感器的灵敏度高,意味着与被测量无关的噪声也容易混入,这样便会影响测量精度,因此,选择传感器时最好选择较高的信噪比,尽量减少外界无关的干扰信号。另外,传感器的灵敏度是有方向性的,如果对方向性要求高,而且被测量是单向量,最好选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,最好选择交叉灵敏度小的传感器。   

4、频率响应特性   

传感器被测量的频率范围是由频率响应特性决定的,必须在允许频率范围内保持不失真,事实上,传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好,传感器的频率响应高意味着可测的信号频率范围越宽,在选择传感器时中,应根据信号的特点响应特性,以免产生过大的误差。   

5、精度   

精度是传感器的一个重要的性能指标,它关系到整个测量系统测量精度。一般而言,传感器精度越高价格就越贵,所以只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选择精度过高的传感器,假如测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器而不是绝对量值精度高的。

6、稳定性   

稳定性是指在传感器使用一段时间后其性能保持不变的能力,影响稳定性的因素除了传感器本身结构之外,传感器的使用环境也大有影响,因此,在选型前,应先调查其使用环境,然后再根据具体环境选择,或采取一定措施减少环境的影响。


传感器的应用

1、传感器在手机中的应用:重力传感器,在极品飞车、天天跑酷等游戏中有着近乎完美的体现;加速度传感器,例如手机的摇一摇功能就是对手机的加速度进行感应;光线传感器,例如手机的自动调光功能;距离传感器,例如接电话时手机离开耳朵屏幕变亮,手机贴近耳朵屏幕变黑,手机中的传感器数不胜数,很多功能都是利用传感器来实现的,就不一一列举了;

2、除手机外,传感器在日常生活中也有着广泛的应用,常见的如:自动门,通过对人体红外微波的传感来控制其开关状态;烟雾报警器,通过对烟雾浓度的传感来实现报警的目的;电子秤,通过力学传感来测量人或其他物品的重量;水位报警,温度报警、湿度报警等也都利用的是传感器来完成其功能。

 

传感器应用常见问题及解决方法

1、标签纸连续打印位置不一致

连续打印时打印位置不一致的原因,主要是由于纸张在通道中的抖动以及纸本身间隙的不一致,造成传感器探测的波形的不稳定,从而使连续打印的定位不准确。解决方法:解决纸张在通道中抖动的问题(特别是小标签):通过增加缓冲机构,或增加类似斑马Z4M的传感器压紧机构解决。解决标签本身间隙不一致的问题:通过更改固件程序,更改标签定位方式,利用标签间隙后沿定位可以尽量的减小间隙误差的影响;

2、标签纸衬纸电平不稳定

由于纸在通道中变化距离相对透射传感器与反射接收器之间设计距离变化范围较大,导致发光出力变化率大,纸的透光强度变化大,是透射传感器电平不稳定的主要原因,在设计过程中,要充分考虑传感器的检测范围和介质在通道内的抖动,使因为介质抖动造成的输出电压变化过大,造成检测失误或无法检测,如纸在通道中上下活动距离1mm,透射传感器或反射接收器之间设计距离至少为5 mm,电气参数设计上至少要保证纸的透光强度在10%范围内变化时,透射传感器电平在判别电平范围内(无纸和衬纸电压差大于1V);

3、热敏方式打印的标志判别时无法正常识别

热敏纸上的热敏材料对红外光的反射很强,导致传感器无法识别热敏打印的黑标,由于我们使用的传感器为红外光探测器件,而且热敏纸对红外光的反射很强,造成被检测介质的其他部分与标记部分的反射率差别大大减小,造成标记无法正常识别,因此,在传感器的选择和使用过程中应充分考虑不同介质的反光率(透率)的影响;

4、传感器的老化

光电传感器由于灵敏度高,发光管随时间温度等因素,发光功率会有微弱下降;对接收管而言,若连续接收反射光时,其表现的参数漂移就很大,因此在应用光电传感器时,在设计中尽量避开老化这一问题,如:

POS机纸将尽的检测,平时有纸时,光电传感器接收管是接收不到反射光的,纸将尽时,纸筒落到纸仓凹槽,光电传感器接收管才探测到反射光从而报警;

②采用间歇发光的方法,当检测传感器时才接通发光管的电源,不检测时关闭发光管电源,减小发光管和接收管的老化;

5、传感器的检测电压阈值

不同的传感器和检测介质,其判别的电压阈值差别很大,选取切实可行的判别阈值,对正确检测不同的介质意义重大,二值检测:此时应使传感器工作在饱和区和截至区,电压差别大,阈值的选取比较容易,调整传感器的负载电阻,通过简单的电平识别,即可正确判断,如纸存在检测,有中间状态的检测:如标签纸需检测有纸、无纸和衬纸,此时应使传感器尽量工作在线性区,这样,不同的状态变化,其输出电压的变化最明显,最有利于不同状态的判别,这样可以根据传感器在不同状态下的光电流和反光率(透光率)变化,选取合适的检测阈值;

6、传感器离散性

同样型号的传感器在相同的输入条件下,会因为其本身的离散性造成输出的不同,给信号的检测带来不利的影响,特别是对工作在放大区的传感器有很严重的影响,如SG-23FI,同样在VCE=5VIF=10mA时,其光电流范围为0.5mA~3mA,相差5倍,为适应传感器的离散性带来的影响,目前我公司采用的方法:

①加可调电阻,调整输出电压不满足要求的传感器,使其输出满足要求,但是给生产增加了难度和成本;

②使用多个CPU端口切换不同的负载电阻来适应不同的介质,需要占用额外的CPU资源,可调范围不大,只能改变几种状态;

③使用PWM调整发光管电流强度,使传感器工作在不同的输出特性曲线,调整范围大,但增加了固件的检测难度。


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