传感器的原理及应用

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国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,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。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

罗姆 ROHM 传感器

一、主要特点

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,它不仅促进了传统产业的改造和更新换代,而且还可能建立新型工业,从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的,已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

二、组成

传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调理电路和辅助电路组成。但并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。

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如果敏感元件直接输出的是电量,它就同时兼为转换元件,因此,敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如:压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。

1.敏感元件(预变换器):是指传感器中能直接感受或响应被测量(非电量)并输出与之成确定关系的其他量(非电量)的部分。

(在完成非电量到电量的变换时,并非所有的非电量都能利用现有手段直接变换为电量,往往是将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量,然后再变换为电量。能够完成预变换的器件称为敏感元件)。

2.转换元件:是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的可用输出信号(一般为电信号)的部分。

3.信号调理电路:是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。

类型视转换元件的分类而定,经常采用的有电桥电路、放大器、振荡器、阻抗变换、补偿及其它特殊电路,如高阻抗输入电路、脉冲调宽电路等。

4.辅助电路:通常指电源,即交、直流供电系统。

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三、应用领域

1.环境保护

目前,地球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境,这一现状已引起了世界各国的重视。为保护环境,利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。

中国现在的环境受到了极大的污染,主要是工业的发展造成了严重的污染。长江、黄河等水域都有不同程度的污染;空气现在的空气也不新鲜,特别是在有工业的地方,比如说PM2.5等超标;这些都是通过传感器检测出来的。

2.机器人

目前,在劳动强度大或危险作业的场所,已逐步使用机器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作,由机器人来承担也是非常合适的。但这些机器人多数是用来进行加工、组装、检验等工作,屑于生产用的自动机械式的单能机器人。在这些机器人身上仅采用了检测臂的位置和角度的传感器。

要使机器人和人的功能更为接近,以便从事更高级的工作,要求机器人能有判断能力,这就要给机器人安装物体检口传感器,特别是视觉传感器和触觉传感器,使机器人通过视觉对物体进行识别和检测,通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动感觉和重量感觉。这类机器人被称为智能机器人,它不仅可以从事特殊的作业,而且一般的生产、事务和家务,全部可由智能机器人去处理,这是现在发展机器人的主要研究对象之一。

3.家用电器

现代家用电器中普遍应用着传感器。传感器在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电樊斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色及平板电视机、录像机、录音机、收音机、影碟机及家庭影院等方面得到了广泛的应用。

4.物联网

物联网指的是将无处不在(Ubiquitous)的末端设备(Devices)和设施(Facilities),包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”(Enabled)的,如贴上RFID的各种资产(Assets)、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”(Mote),通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通(M2M)、应用大集成(Grand Integration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式,提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面(集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服务功能,实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。简单的讲,物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制,在物联网应用中有三项关键技术其中就包括传感器技术。

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5.医学

随着医用电子学的发展,仅凭医生的经验和感觉进行诊断的时代将会结束。现在,应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。显然,传感器对促进医疗技术的高度发展起着非常重要的作用。

6.遥感技术

卫星遥感(satellite remote sensing)是航天遥感的组成部分,以人造地球卫星作为遥感平台,主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。即从远离地面的不同工作平台上(如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等)通过传感器,对地球表面的电磁波(辐射)信息进行探测,并经信息的传输、处理和判读分析,对地球的资源与环境进行探测和监测的综合性技术。

在飞机及航天飞行器上装用的传感器是近紫外线、可见光、远红外线及微波等传感器。在船舶上向水下观测时多采用超声波传感器。例如,要探测一些矿产资源埋藏在什么地区,就可以利用人造卫星上的红外接受传感器从地面发出的红外线的量进行测量,然后由人造卫星通过微波再发送到地面站,经地面站计算机处理,便可根据红外线分布的差异判断出埋有矿藏的地区。

7.军事领域

现在的战场都是信息化战场,而信息化是绝对离不开传感器的。可以说无时不用、无处不用,大到星体、两弹、飞机、舰船、坦克、火炮等装备系统,小到单兵作战武器;从参战的武器系统到后勤保障;从军事科学试验到军事装备工程;从战场作战到战略、战术指挥;从战争准备、战略决策到战争实施,遍及整个作战系统及战争的全过程,而且必将在未来的高技术战争中促使作战的时域、空域和频域更加扩大,更加影响和改变作战的方式和效率,大幅度提高武器的威力和作战指挥及战场管理能力。

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