傳感器及其工作原理教學(xué)

傳感器及其工作原理教學(xué)本課程將介紹傳感器的基本概念，種類以及工作原理，并探討其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。什么是傳感器傳感器是一種能夠感知自身所處環(huán)境并將感知到的信息轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的信號(hào)的裝置，用來從外界獲取所需的信息。定義傳感器用于感知和測(cè)量某個(gè)物理量，如位置、速度、壓力等信息。特點(diǎn)小巧、靈敏、可靠、低功耗、對(duì)環(huán)境要求不高。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。傳感器的種類傳感器按其檢測(cè)的物理量分類，可以分為多種類型，例如電阻型傳感器、磁感應(yīng)型傳感器、光電型傳感器、紅外線型傳感器等。電阻型傳感器利用電阻的變化來測(cè)量物理量。如應(yīng)變電阻、溫度電阻等。磁感應(yīng)型傳感器利用變化的磁場(chǎng)來測(cè)量物理量。如霍爾傳感器、磁場(chǎng)感應(yīng)傳感器等。光電型傳感器利用光的物理特性檢測(cè)物理量。如光電傳感器、光電開關(guān)等。紅外線型傳感器利用紅外線的物理特性檢測(cè)物理量。如人體紅外傳感器、溫度紅外傳感器等。傳感器的工作原理傳感器的工作原理是將感知環(huán)境的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其工作原理可以是電溫變換、磁電變換、光-電變換等。1電溫變換利用物理量（如溫度）對(duì)電阻值的影響，實(shí)現(xiàn)電流、電壓、電阻等信號(hào)的變換。2磁電變換依靠磁介質(zhì)的電磁特性，在外加磁場(chǎng)的作用下，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。3光-電變換利用物理量（如光強(qiáng)）對(duì)電阻值的影響，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的變換。電阻型傳感器電阻型傳感器是一種將物理量轉(zhuǎn)換為電阻變化來進(jìn)行測(cè)量的傳感器，通過改變電阻值的大小來實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量。1按應(yīng)變分如應(yīng)變片傳感器、壓力傳感器。2按溫度分如熱電偶、熱敏電阻、熱電阻。3按濕度分如濕度傳感器。磁感應(yīng)型傳感器磁感應(yīng)型傳感器是依靠磁介質(zhì)的電磁特性，在外加磁場(chǎng)的作用下，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換的傳感器。霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。磁場(chǎng)感應(yīng)傳感器以磁電效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用磁場(chǎng)對(duì)磁電介質(zhì)電磁化程度的影響，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的變換。磁電流計(jì)傳感器基于傳感器中的磁電流計(jì)，利用磁場(chǎng)對(duì)電路感應(yīng)電磁力的牽引作用，實(shí)現(xiàn)測(cè)量磁場(chǎng)。光電型傳感器光電型傳感器是利用光的物理特性，在外界光線的作用下，實(shí)現(xiàn)物理量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。光電傳感器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，包括平面光耦、光電二極管等。光電開關(guān)采用光電傳感器的原理，可以用來檢測(cè)物體的存在或人員通過。光電傳感器組合利用不同的光電傳感器組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的物理量測(cè)量，如顏色、形狀等。紅外線型傳感器紅外線型傳感器是利用紅外線的物理特性進(jìn)行測(cè)量的傳感器。1人體紅外感應(yīng)器利用人體的紅外線輻射，實(shí)現(xiàn)智能家居、安防監(jiān)控等。2溫度紅外傳感器利用物體的紅外輻射溫度變化，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)溫。3紅外遙控器利用載有控制信號(hào)的紅外光來控制電器的開關(guān)。激光型傳感器激光型傳感器是利用激光束的物理特性，實(shí)現(xiàn)測(cè)量物理量的傳感器。1激光三角法測(cè)距傳感器利用光電轉(zhuǎn)換原理，把激光輻射反射后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成距離信息。2激光光柵位移傳感器利用激光線中的光柵位移原理，將物體的位移轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)或光頻的變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)移和測(cè)角。超聲波型傳感器超聲波型傳感器是利用聲波在空氣中的傳播特性，實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量。超聲波液位計(jì)通過聲波的反彈，實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量液位的高度。超聲波流量計(jì)利用聲波的多普勒效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)流體的流量和流速的測(cè)量。超聲波距離傳感器基于聲波的反射原理，可以對(duì)前方障礙物的距離進(jìn)行探測(cè)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、車載雷達(dá)等領(lǐng)域。壓電型傳感器壓電型傳感器是依據(jù)壓電現(xiàn)象制造的傳感器，屬于固體電物理學(xué)中的一類。1壓電振蕩器利用壓電晶體的振蕩特性，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的測(cè)量。2壓電加速計(jì)利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量。3無損探傷儀利用壓電晶體的壓電效應(yīng)，可以探測(cè)材料內(nèi)部的缺陷，如裂紋和氣泡等。溫度傳感器溫度傳感器主要是用來測(cè)量各種不同溫度環(huán)境的溫度，按照探測(cè)原理可以分為多種。熱電偶利用兩個(gè)不同金屬接觸處產(chǎn)生的溫差電勢(shì)來測(cè)量溫度。熱敏電阻利用電阻隨溫度變化而變化的原理來測(cè)量溫度。鉑電阻利用鉑電阻的阻值隨溫度線性變化的原理來測(cè)量溫度。光學(xué)傳感器光學(xué)傳感器是利用光學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量的傳感器，主要分為兩類，一類是單點(diǎn)測(cè)量，如接觸式自動(dòng)對(duì)焦傳感器，一類是面陣測(cè)量，如CCD傳感器。1柴爾德線陣傳感器利用一組單獨(dú)的光電二極管陣列，來探測(cè)靜止的或者移動(dòng)的物體。2面陣傳感器將一片光感元件構(gòu)成固定大小的像素陣列，能夠同時(shí)測(cè)量圖像中的許多點(diǎn)。3光掃描傳感器通過利用控制激光束的掃描來實(shí)現(xiàn)物體表面的三維測(cè)量。流量傳感器流量傳感器是一直流量作為測(cè)量基準(zhǔn)的傳感器。1熱式流量計(jì)測(cè)量液體的熱導(dǎo)率來判斷流量大小，適合測(cè)量液體。2渦街流量計(jì)利用流體通過渦街時(shí)發(fā)生的振動(dòng)來進(jìn)行測(cè)量，適用于高粘度介質(zhì)的流體。3電磁式流量計(jì)利用導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)來進(jìn)行測(cè)量，適用于導(dǎo)電的液體或氣體。氣體傳感器氣體傳感器主要用來對(duì)氣體的成分、濃度、壓力、流速等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。氣體傳感器利用傳感元件對(duì)氣體成分的選擇性測(cè)量其濃度。煙霧傳感器利用熱電偶原理或光電效應(yīng)來對(duì)煙霧中的微粒進(jìn)行測(cè)量。氧氣傳感器利用氧化物的還原性來測(cè)定氧氣濃度。液位傳感器液位傳感器是利用物體浮沉的原理來測(cè)定液面的高度。1浮球液位傳感器浮球液位開關(guān)是將浮球與接點(diǎn)機(jī)械連接，通過浮于液體內(nèi)的浮球致動(dòng)磁性開關(guān)中磁潔片的移動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。2超聲波液位計(jì)利用超聲波測(cè)量液體高度，精度高，不會(huì)被雜質(zhì)干擾。3廣角動(dòng)態(tài)液位傳感器使用電容測(cè)量原理，結(jié)合圖像分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型倉儲(chǔ)液位的監(jiān)測(cè)。接近傳感器接近傳感器是一種用于接近對(duì)象，測(cè)量距離和檢測(cè)對(duì)象存在的傳感器?？拷焦怆婇_關(guān)利用物體與光路之間的遮擋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)物體的檢測(cè)、計(jì)數(shù)或計(jì)數(shù)長度等若干監(jiān)測(cè)和控制操作。微型感應(yīng)器利用感應(yīng)原理，探測(cè)金屬物體的存在以及位置和方向等。磁性接近傳感器利用磁性敏感元件，彈簧、閉合接觸器等元件，監(jiān)測(cè)物體的開關(guān)狀態(tài)。攝像頭傳感器攝像頭傳感器主要是利用攝像機(jī)采集圖像信息，進(jìn)行圖像特征提取、識(shí)別分類等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體、不同情況的自動(dòng)識(shí)別、控制及顏色識(shí)別等應(yīng)用。1模擬攝像頭將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過特定的處理芯片進(jìn)行圖像識(shí)別。2數(shù)字?jǐn)z像頭將圖像直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，對(duì)圖像的處理能力更加強(qiáng)大。3智能攝像頭具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、語音交互、自動(dòng)跟蹤、行為識(shí)別、人臉識(shí)別等多種功能。聲波傳感器聲波傳感器是利用聲波的特性進(jìn)行物理量測(cè)量的傳感器。1聲波距離傳感器通過發(fā)出超聲波信號(hào)，并測(cè)量信號(hào)反彈時(shí)間來判斷距離。2聲波流量計(jì)利用多徑流量計(jì)的思想，通過不同角度和不同位置下的聲波穿過流體來實(shí)現(xiàn)流速和流量的測(cè)量。3聲波溫度計(jì)利用超聲波在不同溫度下的傳播速度來測(cè)量溫度。加速度傳感器加速度傳感器是一種可以測(cè)量加速度大小和方向的傳感器，通常指微機(jī)電系統(tǒng)加速度傳感器。測(cè)量原理利用受力對(duì)象受到的加速度作用在微型加速度計(jì)振蕩片上，振蕩片會(huì)發(fā)生彎曲形變，彎曲形變被微機(jī)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。型號(hào)區(qū)分按測(cè)量范圍、測(cè)量方向、輸出方式等特性進(jìn)行分類。光柵傳感器光柵傳感器是利用光柵孔徑的覆蓋特性產(chǎn)生衍射和干涉，實(shí)現(xiàn)物理量檢測(cè)的傳感器。1光柵編碼器通過在轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上放置光柵片，利用光柵孔徑和光探測(cè)器的配合來測(cè)量角度或線性位移。2波長測(cè)量儀器利用光干涉產(chǎn)生波長變化，進(jìn)行精密測(cè)量。3雙光柵傳感器通常采用一主一從的結(jié)構(gòu)，由主光柵發(fā)出光信號(hào)，通過從光柵反射后的光信號(hào)來實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量