一臺設備所采用的的傳感器是否先進、可靠有時直接決定了設備的先進性和可靠性。
很多機械工程師在觀念上有一個誤區：機械工程師只負責機構的東西，傳感器、電氣元件選用及控制方案是電氣工程師或系統工程師的事。如果你是某個項目的總設計工程師，在方案構想階段就要考慮到選用哪些類型的傳感器以及設備的動作流程和控制方式。

一、傳感器定義

傳感器是個復雜的設備，經常會被用來檢測和響應電信號或光信號。傳感器將物理參數（例如：溫度、血壓、濕度、速度等）轉換成可以用電測量的信號。 我們可以先來解釋一下溫度的例子，玻璃溫度計中的水銀使液體膨脹和收縮，從而將測量到的溫度轉換為可被校準玻璃管上的觀察者讀取的溫度。

二、傳感器選擇的標準

在選擇傳感器時，必須考慮某些特性，具體如下： 1、準確性 2、環境條件——通常對溫度/濕度有限制 3、范圍——傳感器的測量極限 4、校準——對于大多數測量設備而言必不可少，因為讀數會隨時間變化 5、分辨率——傳感器檢測到的最小增量 6、價格 7、重復性——在相同環境下重復測量變化的讀數

三、傳感器分類的標準

傳感器分為以下標準： 1、主要輸入數量（被測量者） 2、轉導原理（利用物理和化學作用） 3、材料與技術 4、財產 5、應用程序 轉導原理是有效方法所遵循的基本標準。通常，材料和技術標準由開發工程小組選擇。 根據屬性分類如下： ·溫度傳感器——熱敏電阻、熱電偶、RTD、IC等。 ·壓力傳感器——光纖、真空、彈性液體壓力計、LVDT、電子。 ·流量傳感器——電磁、壓差、位置位移、熱質量等。 ·液位傳感器——壓差、超聲波射頻、雷達、熱位移等。 ·接近和位移傳感器——LVDT、光電、電容、磁、超聲波。 ·生物傳感器——共振鏡、電化學、表面等離子體共振、光尋址電位測量。 ·圖像——電荷耦合器件、CMOS ·氣體和化學傳感器——半導體、紅外、電導、電化學。 ·加速度傳感器——陀螺儀、加速度計。 ·其他——濕度、濕度傳感器、速度傳感器、質量、傾斜傳感器、力、粘度。

來自生物傳感器組的表面等離子體共振和光可尋址電位是基于光學技術的新型傳感器。與電荷耦合器件相比，CMOS圖像傳感器的分辨率較低，CMOS具有體積小、價格便宜、功耗低的優點，因此可以更好地替代電荷耦合器件。加速度計由于在未來的應用中（如飛機、汽車等）以及在視頻游戲、玩具等領域中的重要作用而被獨立分組。磁強計是測量磁通強度B（以特斯拉或As/m2為單位）的傳感器。 根據傳感器的電源或能量供應要求進行分類：

·有源傳感器–需要電源的傳感器稱為有源傳感器。示例：激光雷達（光探測和測距）、光電導單元。

·無源傳感器–不需要電源的傳感器稱為無源傳感器。例如：輻射計、膠片攝影。 根據應用分類如下： ·工業過程控制、測量和自動化 ·非工業用途-飛機、醫療產品、汽車、消費電子產品、其他類型的傳感器。 根據當前和未來的應用前景中，傳感器可分為以下幾類： ·加速計——它們基于微電子機械傳感器技術。它們用于病人監測，包括配速器和車輛動態系統。 ·生物傳感器——它們基于電化學技術。它們用于食品測試、醫療設備、水測試和生物戰劑檢測。 ·圖像傳感器——它們基于CMOS技術。它們被用于消費電子、生物測定、交通和安全監視以及個人電腦成像。 ·運動探測器——基于紅外線、超聲波和微波/雷達技術。它們被用于電子游戲和模擬，光激活和安全檢測。

四、五種常用的傳感器類型

一些常用的傳感器及其原理和應用說明如下：

（一）溫度傳感器

該設備從源頭收集有關溫度的信息，并轉換成其他設備或人可以理解的形式。溫度傳感器的最佳例證是玻璃水銀溫度計，會隨著溫度的變化而膨脹和收縮。外部溫度是溫度測量的來源，觀察者觀察汞的位置以測量溫度。溫度傳感器有兩種基本類型：

·接觸式傳感器 這種類型的傳感器需要與被感測對象或介質直接物理接觸。它們可以在在很大的溫度范圍內監控固體、液體和氣體的溫度。

·非接觸式傳感器

這種類型的傳感器不需要與被檢測的物體或介質發生任何物理接觸。它們監控非反射性固體和液體，但由于天然透明性，因此對氣體無用。這些傳感器使用普朗克定律測量溫度。該定律處理從熱源輻射的熱量以測量溫度。 不同類型溫度傳感器的工作原理及實例 （i）熱電偶——它們由兩根電線（每根均為不同的均勻合金或金屬）組成，通過在一端的連接形成測量接頭，該測量接頭對被測元件開放。電線的另一端端接到測量設備，在此形成參考結。由于兩個結點的溫度不同，電流流過電路，測量得到的毫伏來確定結點的溫度。熱電偶示意圖如下。 （ii）電阻溫度檢測器（RTD）——這是一種熱電阻，其制造目的是隨著溫度的變化改變電阻，它們比任何其他溫度檢測設備都貴。電阻式溫度探測器示意圖如下。 （iii）熱敏電阻——它們是另一種電阻，電阻的大變化與溫度的小變化成正比。

（二）紅外傳感器

該設備發射或檢測紅外輻射以感知環境中的特定相位。一般來說，熱輻射是由紅外光譜中的所有物體發出的，紅外傳感器檢測到這種人眼看不見的輻射。 優勢 易于連接，市場上現貨供應 缺點 受到周圍噪音干擾，如輻射、環境光等。

工作原理 其基本思想是利用紅外發光二極管向物體發射紅外光。同一類型的另一個紅外二極管將用于探測物體反射波。紅外Led傳感器工作原理簡圖如下所示。 當紅外接收器受到紅外光照射時，導線上會產生電壓差。由于產生的電壓很小，很難被檢測到，因此使用運算放大器（運放）來準確地檢測低電壓。 測量物體與接收傳感器的距離：紅外傳感器組件的電特性可用于測量物體的距離，當紅外接收器受到光照時，導線上會產生電位差。

應用 熱成像 根據黑體輻射定律，可以使用熱成像來觀察有或沒有可見光的環境。 ·加熱 紅外線可用于烹飪和加熱食物，它們能把飛機機翼上的冰帶走。它們廣泛應用于印刷印染、塑料成型、塑料焊接等工業領域。 ·光譜學 這項技術通過分析組成鍵來識別分子，這項技術利用光輻射來研究有機化合物。 ·氣象 當氣象衛星配備有掃描輻射計時，可以計算云層高度、陸地和地表溫度。 ·光生物調節 用于癌癥患者的化療，這是用來治療抗皰疹病毒。 ·氣候學 監測大氣和地球之間的能量交換。 ·通信 紅外線激光為光纖通信提供光。這些輻射也用于手機和計算機外圍設備之間的短程通信。

（三）紫外線傳感器

這些傳感器測量入射紫外線的強度或功率。這種電磁輻射的波長比x射線長，但仍比可見光短。一種被稱為聚晶金剛石的活性材料正被用于可靠的紫外傳感，紫外線傳感器可以發現環境暴露在紫外線輻射下的情況。 選擇紫外線傳感器的標準 ·紫外傳感器可以檢測到的波長范圍（納米） ·工作溫度 ·準確度 ·重量 ·功率范圍 工作原理 紫外線傳感器接收一種類型的能量信號，并傳輸不同類型的能量信號。 為了觀察和記錄這些輸出信號，它們被導向電表。為了生成圖形和報告，輸出信號被傳輸到模數轉換器（ADC），然后再通過軟件傳輸到計算機。 示例包括： ·紫外線光電管是一種輻射敏感的傳感器，用于監測紫外線空氣處理、紫外線水處理和太陽輻射。 ·光傳感器測量入射光的強度。 ·紫外光譜傳感器是用于科學攝影的電荷耦合器件（CCD）。 ·紫外線探測器。 ·殺菌紫外線探測器。 ·光穩定性傳感器。 應用 ·測量紫外線光譜中曬傷皮膚的部分 ·藥房 ·汽車 ·機器人學 ·溶劑處理和染色工藝的印染工業 ·化學品生產、儲存和運輸用化學工業

（四）觸摸傳感器

觸摸傳感器根據觸摸位置充當可變電阻器。觸摸傳感器作為可變電阻工作的圖。 觸摸傳感器由以下部件組成： ·全導電物質，如銅 ·絕緣間隔材料，如泡沫或塑料 ·部分導電材料

原理與工作

部分導電材料反對電流的流動。線性位置傳感器的主要原理是，當電流必須通過的材料長度越長時，電流流就越相反。因此，材料的電阻通過改變其與完全導電材料接觸的位置而變化。

通常，軟件與觸摸傳感器相連。在這種情況下，內存是由軟件提供的。當傳感器被關閉時，他們可以記憶“最后一次接觸的位置”。一旦傳感器被激活，他們就能記住“第一次接觸位置”，并理解與之相關的所有值。這個動作類似于移動鼠標并將其定位在鼠標墊的另一端，以便將光標移動到屏幕的遠端。

應用

觸摸傳感器具有成本效益高、經久耐用的特點，被廣泛應用于 ·商業——醫療、銷售、健身和游戲 ·電器-烤箱、洗衣機/烘干機、洗碗機、冰箱 ·運輸-駕駛艙制造和車輛制造商之間的簡化控制 ·液位傳感器 ·工業自動化-位置和液位傳感，自動化應用中的人工觸摸控制 ·消費電子產品-在各種消費產品中提供新的感覺和控制水平

（五）接近傳感器

接近傳感器檢測幾乎沒有任何接觸點的物體的存在。由于傳感器與被測物體之間沒有接觸，且缺少機械零件，因此這些傳感器的使用壽命長，可靠性高。不同類型的接近傳感器有感應式接近傳感器、電容式接近傳感器、超聲波接近傳感器、光電傳感器、霍爾效應傳感器等。 工作原理 接近傳感器發射電磁或靜電場或電磁輻射束（如紅外線），并等待返回信號或場中的變化，被感測的物體稱為接近傳感器的目標。

感應式接近傳感器-它們有一個振蕩器作為輸入，通過接近導電介質來改變損耗電阻。這些傳感器是首選的金屬目標。

電容式接近傳感器-它們轉換檢測電極和接地電極兩側的靜電電容變化。這是通過以振蕩頻率的變化接近附近的物體而發生的。為了檢測附近的目標，將振蕩頻率轉換為直流電壓，并與預定閾值進行比較。這些傳感器是塑料目標的首選。 應用 ·在自動化工程中用于定義過程工程設備、生產系統和自動化設備的運行狀態 ·在窗口中使用，當窗口打開時會激活警報 ·用于機械振動監測計算軸與支承軸承的距離差

五、原則

不同的定義被批準用于區分傳感器和傳感器。傳感器可以被定義為一種元件，用一種形式的能量來感知，以產生相同或另一種形式的能量的變體。傳感器利用轉換原理將被測物轉換成所需的輸出。 根據所獲得和產生的信號，原理可分為以下幾類，即電、機械、熱、化學、輻射和磁。 以超聲波傳感器為例。

超聲波傳感器用于檢測物體的存在。它通過從設備頭部發射超聲波，然后從相關物體接收反射的超聲波信號來實現。這有助于探測物體的位置、存在和移動。

由于超聲波傳感器依靠聲音而不是光來檢測，它被廣泛應用于測量水位、醫療掃描程序和汽車工業。超聲波利用其反射傳感器可以探測透明物體，如透明薄膜、玻璃瓶、塑料瓶和平板玻璃。 工作 超聲波的運動因介質的形狀和類型而異。例如，超聲波在均勻介質中直線運動，并在不同介質之間的邊界處反射和傳回。人體在空氣中會引起相當大的反射，而且很容易被發現。

最好通過了解以下內容來解釋超聲波的傳播：

一、多重反射

當波在傳感器和檢測對象之間被多次反射時，會發生多次反射。

二、限制區

最小感應距離和最大感應距離可調。這叫做極限區。

三、未探測區
未檢測區域是傳感器頭表面與檢測距離調整產生的最小檢測距離之間的間隔。下圖所示。
未檢測區域是靠近傳感器的區域，由于傳感器頭部配置和混響，無法進行檢測。由于傳感器和物體之間的多次反射，檢測可能發生在不確定區域。 應用 傳感器用于多種應用，如： ·沖擊檢測 ·機器監控應用程序 ·車輛動力學 ·低功耗應用 ·結構動力學 ·醫療航天 ·核儀器 ·作為手機“觸摸鍵盤”中的壓力傳感器 ·接觸燈座時變亮或變暗的燈 ·電梯中的觸控按鈕

六、先進的傳感器技術

傳感器技術在制造領域有著廣泛的應用。先進技術如下：

一、條形碼識別

市場上銷售的產品有一個通用產品代碼（UPC），它是一個12位代碼。其中五個數字代表制造商，另外五個數字代表產品。前六位數字用代碼表示為亮條和暗條。第一位表示數字系統的類型，第二位表示奇偶性表示讀數的準確性。剩下的六位數字用暗線和暗線表示，與前六位數字的順序相反。條形碼如下圖所示。 條形碼閱讀器可以管理不同的條形碼標準，即使不知道標準代碼。條形碼的缺點是，如果條形碼被油脂或污垢遮蓋，條形碼掃描儀將無法讀取。

二、轉發器

在汽車部分，在許多情況下使用射頻設備。轉發器隱藏在鑰匙的塑料頭內，任何人都看不見。鑰匙插入點火鎖芯。當你轉動鑰匙時，電腦會向收發器發送一個無線電信號。在應答器對信號做出響應之前，計算機不會讓發動機點火。這些轉發器由無線電信號供電。

三、制造部件的電磁識別

這類似于條形碼技術，數據可以在磁條上編碼。使用磁條技術，即使代碼隱藏在油脂或污垢中，也可以讀取數據。

四、表面聲波

此過程類似于射頻識別。在這里，部件識別由雷達類型信號觸發，并且與RF系統相比，被遠距離傳輸。

五、光學字符識別

這是一種自動識別技術，使用字母數字字符作為信息源。在美國，郵件處理中心使用光學字符識別。它們也用于視覺系統和語音識別系統。

編輯：黃飛