《传感器技术及应用》核心知识总结
第一部分：传感器基础知识
什么是传感器？
（图片来源网络，侵删）
传感器是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它是一种“感觉器官”的延伸,是实现自动检测和自动控制的首要环节。
- 核心功能：感知 + 转换
- 基本组成：通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。
- 敏感元件：直接感受被测量,并输出与被测量有确定关系的物理量。
- 转换元件：将敏感元件输出的物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容、电压、电流等）。
- 测量电路：将转换元件输出的微弱电信号进行放大、调制、滤波、线性化、A/D转换等处理，以便后续的显示、记录或控制。
传感器的分类
传感器的分类方法多种多样,常见的有：
| 分类依据 | 类别 | 举例 |
|---|---|---|
| 按被测量（输入量） | 物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器 | 温度传感器、压力传感器、湿度传感器、气体传感器、生物传感器 |
| 按工作原理（转换原理） | 物理传感器、化学传感器、生物传感器 | 电阻式、电感式、电容式、压电式、热电式、光电式传感器 |
| 按输出信号类型 | 有源传感器、无源传感器 | 热电偶（有源）、压电传感器（有源）、电阻应变片（无源） |
| 按能量关系 | 能量转换型、能量控制型 | 热电偶（直接转换能量）、应变片（由外部供电，控制能量） |
第二部分：常用传感器工作原理及应用
电阻式传感器
（图片来源网络，侵删）
- 工作原理：利用传感器敏感元件的电阻值随被测量变化的特性。
- 典型应用：
- 应变片：测量力、压力、加速度、扭矩等，将应变片粘贴在弹性体上，弹性体受力变形时,应变片电阻随之改变。
- 热电阻：测量温度，利用金属导体（如铂、铜）或半导体（如热敏电阻）的电阻值随温度变化的特性。
- 光敏电阻：测量光照强度，在光照下,其电阻值显著减小。
- 气敏电阻：测量特定气体浓度，如MQ系列传感器用于检测可燃气体、酒精等。
电感式传感器
- 工作原理：利用线圈自感系数L或互感系数M的变化，将位移、振动等非电量转换为电感量,进而转换为电压或电流。
- 典型应用：
- 自感式传感器：测量微小位移（如0.1μm~1mm）。
- 互感式传感器（如差动变压器式）：测量较大范围的线性位移、振动和加速度。
- 电涡流式传感器：测量金属物体的位移、振动、厚度、转速等,可实现非接触式测量。
电容式传感器
- 工作原理：利用电容器极板间距离
d、极板正对面积S或极板间介电常数 的变化，引起电容C的变化。 - 典型应用：
- 变极距型：测量微米级的微小位移、振动、压力。
- 变面积型：测量较大的线位移或角位移。
- 变介质型：测量液位、湿度、物位（如粮食、粉末的高度）。
压电式传感器
- 工作原理：利用某些电介质（如石英晶体、压电陶瓷）的压电效应，当沿其特定方向施加压力时，会在表面上产生电荷；反之，施加电场，会产生机械形变（逆压电效应）。
- 特点：只能测量动态量（如振动、加速度、冲击力），不能测量静态量（因为电荷会泄漏）。
- 典型应用：
- 加速度计：用于汽车安全气囊、振动分析、手机姿态检测。
- 压力传感器：用于发动机燃烧压力测量、水声传感器。
- 超声波传感器：利用逆压电效应发射超声波，利用正压电效应接收超声波，用于测距、测厚、成像。
热电式传感器
（图片来源网络，侵删）
- 工作原理：基于热电效应。
- 热电效应（塞贝克效应）：两种不同导体或半导体连接成闭合回路，如果两个接点温度不同,回路中就会产生电动势。
- 热电阻效应：电阻值随温度变化（如铂电阻Pt100）。
- 典型应用：
- 热电偶：测量高温（0℃~1800℃），如工业炉温、发动机排气温度。
- 热电阻：测量中低温（-200℃~850℃），精度高，如实验室、食品加工温度控制。
- 热敏电阻：用于温度补偿、温度控制、过流保护。
光电式传感器
- 工作原理：将光信号转换为电信号，基于光电效应。
- 外光电效应：光子能量足以使电子逸出材料表面（如光电管、光电倍增管）。
- 内光电效应：包括光电导效应（光敏电阻）和光生伏特效应（光电池、光电二极管）。
- 典型应用：
- 光敏电阻：光控开关、路灯控制、相机测光。
- 光电池：太阳能电池、光电读出装置。
- 光电开关/光电编码器：产品计数、转速测量、位置检测、机器人视觉。
- CCD/CMOS图像传感器：数码相机、手机摄像头、监控摄像头、扫描仪。
其他重要传感器
- 霍尔传感器：利用霍尔效应，测量磁场强度，进而可测量电流、位移、转速。
- 光纤传感器：利用光在光纤中传播的特性（光强、相位、波长、偏振）受外界被调制的原理，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好等优点。
- MEMS传感器：微机电系统传感器，将机械元件和电子元件集成在微米级的芯片上，如手机中的加速度计、陀螺仪、麦克风、压力传感器等，体积小、成本低、功耗低。
第三部分：传感器信号调理
传感器输出的原始信号通常很微弱、非线性或含有噪声，需要经过处理才能被后续电路（如单片机、PLC）使用。
信号调理的主要环节：
- 放大：使用运算放大器将微弱的传感器信号放大到合适的电平（如0-5V或0-10V）。
- 滤波：使用低通、高通、带通等滤波器去除不需要的高频噪声或低频干扰。
- 线性化：许多传感器的输入-输出关系是非线性的,通过硬件电路或软件算法进行校正。
- 调制与解调：对于缓变信号，常先调制成高频交流信号进行放大传输,再解调恢复原信号。
- A/D转换（模数转换）：将调理后的模拟信号转换为数字信号，以便微处理器处理,这是现代传感器系统不可或缺的一步。
第四部分：传感器的典型应用领域
传感器是物联网、智能制造、智能汽车、消费电子等领域的基石。
| 应用领域 | 典型传感器 | 作用 |
|---|---|---|
| 工业自动化与机器人 | 压力、温度、流量、位移、视觉、力/力矩传感器 | 生产过程监控、质量检测、机器人感知与控制 |
| 汽车电子 | 加速度计、陀螺仪、压力、氧传感器、雷达、摄像头 | ABS/ESP安全系统、发动机控制、自动驾驶、胎压监测 |
| 消费电子 | 加速度计、陀螺仪、触摸屏、摄像头、麦克风、光传感器 | 手机姿态感应、屏幕旋转、拍照、语音助手、自动亮度调节 |
| 医疗健康 | 生物传感器（血糖）、温度、血压、心电、脑电、图像传感器 | 诊断监护、可穿戴健康监测、医疗影像 |
| 环境监测 | 气体传感器（CO₂, SO₂）、温湿度传感器、水质传感器 | 大气污染监测、气象预报、水质安全监控 |
| 物联网与智能家居 | 红外、温湿度、烟雾 |
