细说物联网中的传感器类型

2016-06-17 16:21:00 sophie
 传感器是物联网的“感觉器官”,是智能化设备的感触神经元,能让工业智能化系统实时了解自己的运行状态和外界环境变化。传感器是工业智能化发展不可或缺的关键元件。目前行业对传感器最为普遍的定义是:“能够感知并检测欲量测对象物的物理量或化学量,并将其转换成可以计量的输出信号之装置”。其中,量测的物理量,包括温度、压力、磁性、光等;而化学量则包括pH值、浓度、纯度、湿度等。那么,传感器到底有哪些类型?不同的工业应用采用的是哪种类型的传感器?今天我们将就此问题进行深入的讲解。
 
 
    一、根据输入物理量划分
 
    1、压力传感器  
  
    压力传感器(Pressure Sensor)是检测气体或液体之压力强度,并将压力强度转换成输出信号;  压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器,前者是被动供电的,需要有外电源。后者是传感器自身产生电荷,不需要外加电源,根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器。 
  
    制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。单晶硅材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化,这种现象称为压阻效应。压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。根据晶体不受定向应力时,电导率是同性的,只有受定向应力时才表现出各向异性,由于应力能引起能带的变化,能谷能量移动,导致电阻率的变化,于是就有电阻的变化,从而产生压阻效应。
  
    目前,压力传感器被广泛应用于各种工业自动控制环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自动控、航空航太等。未来技术将朝更微型MEMS腔体结构设计、更高灵敏度检测能力发展。  
 
    2、位置传感器  
  
    位置传感器(Position Sensor)主要应用于机器人控制系统,如线性编码器、旋转编码器、伺服马达等;技术发展是朝更高精确度控制、加速度感测控制、更微型MEMS腔体结构设计方向前进。  
  
    位置传感器在实际应用中有连续测量物位变化的连续式和以点测为目的的开关式两种。其中,开关式的产品应用较广泛一些,它可以用于过程自动控制的门限、溢流和空转防止等等;连续测量式主要用于需要连续控制、仓库管理和多点报警系统中。
 
    3、位移传感器  
  
    位移传感器(Level Sensor),又称为线性传感器,分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超音波式位移传感器、霍尔式位移传感器;位移传感器通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值,阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压,以把电阻变化转换为电压输出。
  
    位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。目前的技术发展朝更微型MEMS腔体结构设计、非接触检测技术开发、数位式检测技术开发、更高精确度控制等方向演进。  
 
    4、力敏传感器  
 
    力敏传感器(Force Sensor)是用来检测气体、固体、液体等物质间相互作用力的传感器,多应用在力度检测,如机器人手臂抓取物件力度大小的控制。技术发展朝更低耗电量、更快的检测反应时间、更高精确度检测辨识等方向前进。  
 
    力敏传感器是使用很广泛的一种传感器。它是生产过程中自动化检测的重要部件。它的种类很多,有直接将力变换为电量的如压电式、压阻式等,有经弹性敏感元件转换后再转换成电量的如电阻式、电容式和电感式等。它主要用于两个方面:测力和称重。
 
    5、气体传感器  
 
    气体传感器(Gas Sensor)能针对可燃性气体、毒性气体成分进行测定,并将其转换成输出信号,可用于工业自动化、矿产资源探测、气象观测和遥测、生鲜保存、防盗、节能等领域。技术发展朝更快的监测反应时间、更短的监测距离、更多气体类型连续监测等方向精进。  
 
    6、半导体传感器  
 
    半导体传感器(Semiconductor Sensor)系利用半导体材料各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。应用领域涵盖工业自动化、遥测、工业型机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程、生物工程等。技术发展朝更微型MEMS腔体结构设计、更高灵敏度检测能力、降低制造成本等方向迈进。  
 
    7、光纤传感器  
 
    光纤传感器(Fiber Optic Sensor)可将来自光源的光经过光纤送入调制器(Modulator),使待测参数与进入调制区的光相互作用后,导致光的光学性质发生变化,称为被调制的信号光,再经过光纤送入光探测器,经解调后,获得被测参数。主要用于工业自动化领域,像是磁力、声波、压力、温度、加速度、陀螺仪、位移、液体、转矩、声光、电流及应变力等物理量之检测。技术发展朝更短监测距离、提高量测光能量强度的准确性等方向精进。  
 
    二、根据工作原理划分
 
    1、电阻式传感器
     
    电阻式传感器把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器和锰铜压阻传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。
  
    电位器式传感器是一种把机械的 线位移 或 角位移 输入量转换为和它 成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。 成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。应变片式传感器的工作原理是基于电阻应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。气敏和湿敏电阻传感器是一种把气体中的特定成分或水蒸气检测出来造成半导体阻值变化的电阻传感器。
 
    2、电感式传感器
 
    电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移,压力,流量,振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换。
 
    电感式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点,特别适合用于酸类,碱类,氯化物,有机溶剂,液态CO2,氨水,PVC粉料,灰料,油水界面等液位测量,目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。
    
    3、电容式传感器
  
    电容式传感器是把被测的机械量,如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
  
    电容式传感器被广泛应用于在线检测各种工作机械的液压、润滑系统介质的含水率,特别是外部水容易渗入机械内部的轧钢机、造纸机、汽轮 机、船舶机械。 监视循环油系统是否存在泄漏,如水冷却器等。 监视工作机械的密封元件是否损坏,引起外部水渗入。 监视环境空气湿度对润滑液压系统油品品质和含水率的影响。,从而精确测定润滑油质量,预测设备故障,是设备润滑油管理中的关键部件。
 
    三、根据输出信号模式划分
 
    1、模拟式传感器
 
    模拟转速传感器,可以输出与每分钟的转数成正比例的电压(模拟量),输出的是模拟电压信号,需要地磅称重仪表来进行A/D数字转换,然后变成可视化的称重数字。传统的模拟传感器称重方式是由多个模拟传感器的信号经过接线盒并接后成为一路信号,每个传感器的信号就不再是独立辨别的,仪表无法在线发现问题进行故障定位,可靠性差。
 
    2、数字式传感器
 
    数字转速传感器,可以以数字量形式输出每分钟的转数,把A/D转化的过程集中到了传感器内置芯片里,但是仍然需要数字仪表进行显示。数字称重传感器内部有微处理器,可以对自身进行诊断,仪表可在线监测各个传感器输出并进行智能处理,提高了称重系统的可靠性。此外,数字传感器还可以轻松解决模拟传感器很难实现的大皮重小称量等要求。
 
    数字传感器优于模拟传感器之处有:
 
    1)模拟传感器容易受到强电干扰(如电焊)和浪涌影响(如雷击),而数字传感器有各种保护电路和防雷击设计,大大保证了传感器的正常工作。
 
    2)有故障报警提示。数字传感器可以通过仪表来时刻监视数字传感器的工作状况,发现某个传感器出现故障时,可以自动报警。避免了在传感器有故障状态时进行错误的称重数据显示。
 
    3)一致性好,免标定。很多罐料系统很难加称量或无法挂砝码进行标定,而数字传感器在生产中,已用高精度标准测力机对传感器输出进行了标定,因此可以实现免标定。大大提高了工作效率。
 
    4)角差容易调整。有模拟传感器组成的称重系统,由于信号的不可辨别,需要反复调整角差,耗时费力。而数字传感器组成的称重系统,由于仪表可以直接读取到每个传感器的受力情况,因此只需要一遍加载就可以完成角差调整,非常快捷简便。
    
    5)传输距离远,通信速度快,防作假。模拟传感器的MV信号太小,容易受射频干扰和电磁干扰,而且在信号传输过程当中由于电缆电阻的影响会造成信号衰减,所以传输距离较短(30米内)。数字传感器的数字信号的电平高出数字传感器数百倍,且不易受干扰,按照工业级的现场总线通信协议传输,通讯信号强,高速且纠错能力强,由于协议的保密,无法对数字传感器称重系统作假。
 
    四、根据能量转换原理划分
 
    1、有源传感器
 
    有源传感器将非电量转换为电能量,如电动势、电荷式传感器等;常常配合有电压测量电路和放大器,如压电式,热电式,磁电式等。有源器件(Active Device)则是指工作时需要外部能量源的器件,该器件有1个输出,并且是输入信号的一个函数。
 
    2、无源传感器
 
    无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的,也可以是化学性质的。按照其工作原理,传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。