Phân loại cảm biến và mục đích của chúng

2024 Tác giả: Aaron Duncan | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 04:03

Cảm biến là thiết bị phức tạp thường được sử dụng để phát hiện và phản hồi các tín hiệu điện hoặc quang học. Thiết bị chuyển đổi một thông số vật lý (nhiệt độ, huyết áp, độ ẩm, tốc độ) thành tín hiệu mà thiết bị có thể đo được.

Phân loại cảm biến trong trường hợp này có thể khác. Có một số tham số cơ bản cho việc phân bố các thiết bị đo lường, sẽ được thảo luận thêm. Về cơ bản, sự tách biệt này là do tác động của nhiều lực khác nhau.

Điều này rất dễ giải thích bằng cách sử dụng phép đo nhiệt độ làm ví dụ. Thủy ngân trong nhiệt kế thủy tinh nở ra và nén chất lỏng để chuyển đổi nhiệt độ đo được, người quan sát có thể đọc được nhiệt độ này từ ống thủy tinh đã hiệu chuẩn.

Tiêu chí lựa chọn

Có một số tính năng nhất định cần xem xét khi phân loại cảm biến. Chúng được liệt kê bên dưới:

1. Chính xác.
2. Điều kiện môi trường - thông thường các cảm biến có giới hạn về nhiệt độ, độ ẩm.
3. Phạm vi - giới hạncác phép đo cảm biến.
4. Hiệu chuẩn - bắt buộc đối với hầu hết các dụng cụ đo lường vì các số đọc thay đổi theo thời gian.
5. Chi phí.
6. Độ lặp lại - Các giá trị đọc có thể thay đổi được đo lặp lại trong cùng một môi trường.

Phân phối theo danh mục

Các phân loại cảm biến được chia thành các loại sau:

1. Số đầu vào chính của các tham số.
2. Nguyên tắc dẫn truyền (sử dụng các tác động vật lý và hóa học).
3. Chất liệu và công nghệ.
4. Điểm đến.

Nguyên tắc truyền tải là tiêu chí cơ bản được tuân theo để thu thập thông tin hiệu quả. Thông thường, các tiêu chí hậu cần do nhóm phát triển lựa chọn.

Phân loại cảm biến dựa trên đặc tính được phân bổ như sau:

1. Nhiệt độ: nhiệt điện trở, cặp nhiệt điện, nhiệt kế điện trở, microcircuits.
2. Áp suất: Đồng hồ đo chất lỏng sợi quang, chân không, linh hoạt, LVDT, điện tử.
3. Lưu lượng: điện từ, chênh lệch áp suất, dịch chuyển vị trí, khối lượng nhiệt.
4. Cảm biến mức: chênh lệch áp suất, tần số vô tuyến siêu âm, radar, dịch chuyển nhiệt.
5. Tiệm cận và dịch chuyển: LVDT, quang điện, điện dung, từ tính, siêu âm.
6. Cảm biến sinh học: gương cộng hưởng, điện hóa, cộng hưởng plasmon bề mặt, chiết áp định địa chỉ ánh sáng.
7. Hình ảnh: CCD, CMOS.
8. Khí và hóa học: bán dẫn, hồng ngoại, dẫn điện, điện hóa.
9. Gia tốc: con quay hồi chuyển, máy đo gia tốc.
10. Khác: cảm biến độ ẩm, cảm biến tốc độ, khối lượng, cảm biến độ nghiêng, lực, độ nhớt.

Đây là một nhóm lớn các tiểu mục. Đáng chú ý là với sự khám phá công nghệ mới, các phần thi liên tục được bổ sung.

Chỉ định phân loại cảm biến dựa trên hướng sử dụng:

1. Kiểm soát, đo lường và tự động hóa quy trình sản xuất.
2. Sử dụng phi công nghiệp: hàng không, thiết bị y tế, ô tô, điện tử tiêu dùng.

Cảm biến có thể được phân loại theo yêu cầu công suất:

1. Cảm biến hoạt động - thiết bị cần nguồn. Ví dụ: LiDAR (phát hiện ánh sáng và máy đo khoảng cách), tế bào quang dẫn.
2. Cảm biến thụ động - cảm biến không cần nguồn. Ví dụ, máy đo bức xạ, chụp ảnh phim.

Hai phần này bao gồm tất cả các thiết bị được khoa học biết đến.

Trong các ứng dụng hiện tại, việc phân loại cảm biến có thể được nhóm lại như sau:

1. Gia tốc kế - dựa trên công nghệ cảm biến vi cơ điện tử. Chúng được sử dụng để theo dõi những bệnh nhân bật máy tạo nhịp tim. và động lực học của xe.
2. Cảm biến sinh học - dựa trên công nghệ điện hóa. Được sử dụng để kiểm tra thực phẩm, thiết bị y tế, nước và phát hiện các mầm bệnh sinh học nguy hiểm.
3. Cảm biến hình ảnh - dựa trên công nghệ CMOS. Chúng được sử dụng trong điện tử tiêu dùng, sinh trắc học, giám sát giao thônggiao thông và bảo mật, cũng như hình ảnh máy tính.
4. Máy dò chuyển động - dựa trên công nghệ hồng ngoại, siêu âm và vi sóng / radar. Được sử dụng trong trò chơi điện tử và mô phỏng, kích hoạt ánh sáng và phát hiện bảo mật.

Loại cảm biến

Ngoài ra còn có một nhóm chính. Nó được chia thành sáu lĩnh vực chính:

1. Nhiệt độ.
2. Hồng ngoại.
3. Tia cực tím.
4. Cảm biến.
5. Tiếp cận, chuyển động.
6. Siêu âm.

Mỗi nhóm có thể bao gồm các tiểu mục, nếu công nghệ thậm chí được sử dụng một phần như một phần của một thiết bị cụ thể.

1. Cảm biến nhiệt độ

Đây là một trong những nhóm chính. Việc phân loại các cảm biến nhiệt độ hợp nhất tất cả các thiết bị có khả năng đánh giá các thông số dựa trên việc làm nóng hoặc làm lạnh một loại chất hoặc vật liệu cụ thể.

Thiết bị này thu thập thông tin nhiệt độ từ một nguồn và chuyển đổi nó thành một dạng mà thiết bị khác hoặc mọi người có thể hiểu được. Minh họa tốt nhất về cảm biến nhiệt độ là thủy ngân trong nhiệt kế thủy tinh. Thủy tinh trong thủy tinh nở ra và co lại theo sự thay đổi của nhiệt độ. Nhiệt độ ngoài trời là yếu tố bắt đầu để đo chỉ số. Vị trí của thủy ngân được người xem quan sát để đo thông số. Có hai loại cảm biến nhiệt độ chính:

1. Cảm biến tiếp xúc. Loại thiết bị này yêu cầu tiếp xúc vật lý trực tiếp với đối tượng hoặc vật mang. Họ đang kiểm soátnhiệt độ của chất rắn, chất lỏng và chất khí trong một khoảng nhiệt độ rộng.
2. Cảm biến tiệm cận. Loại cảm biến này không yêu cầu bất kỳ tiếp xúc vật lý nào với đối tượng hoặc phương tiện được đo. Chúng kiểm soát chất rắn và chất lỏng không phản xạ, nhưng vô dụng đối với chất khí do độ trong suốt tự nhiên của chúng. Những dụng cụ này sử dụng định luật Planck để đo nhiệt độ. Định luật này liên quan đến nhiệt phát ra từ nguồn để đo điểm chuẩn.

Làm việc với nhiều thiết bị khác nhau

Nguyên lý hoạt động và phân loại của cảm biến nhiệt độ được chia thành công nghệ sử dụng trong các loại thiết bị khác. Đây có thể là bảng điều khiển trên ô tô và các đơn vị sản xuất đặc biệt trong một cửa hàng công nghiệp.

1. Cặp nhiệt điện - mô-đun được làm bằng hai dây (mỗi dây - từ các hợp kim hoặc kim loại đồng nhất khác nhau), tạo thành một chuyển tiếp đo bằng cách kết nối ở một đầu. Đơn vị đo này mở cho các yếu tố được nghiên cứu. Đầu kia của dây kết thúc bằng thiết bị đo nơi hình thành mối nối chuẩn. Dòng điện chạy qua mạch vì nhiệt độ của hai điểm nối là khác nhau. Điện áp milivôn thu được được đo để xác định nhiệt độ tại đường giao nhau.
2. Máy đo nhiệt độ điện trở (RTDs) là loại điện trở nhiệt được chế tạo để đo điện trở khi nhiệt độ thay đổi. Chúng đắt hơn bất kỳ thiết bị phát hiện nhiệt độ nào khác.
3. Nhiệt điện trở. Chúng là một loại điện trở nhiệt khác, trong đósự thay đổi trong điện trở tỷ lệ với một sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ.

2. Cảm biến hồng ngoại

Thiết bị này phát ra hoặc phát hiện bức xạ hồng ngoại để phát hiện một giai đoạn cụ thể trong môi trường. Theo quy luật, bức xạ nhiệt được phát ra bởi tất cả các vật thể trong phổ hồng ngoại. Cảm biến này phát hiện loại nguồn mà mắt người không nhìn thấy.

Ý tưởng cơ bản là sử dụng đèn LED hồng ngoại để truyền sóng ánh sáng tới một vật thể. Một diode hồng ngoại khác cùng loại nên được sử dụng để phát hiện sóng phản xạ từ vật thể.

Nguyên lý hoạt động

Phân loại cảm biến trong hệ thống tự động hóa theo hướng này là phổ biến. Điều này là do công nghệ này có thể sử dụng các công cụ bổ sung để đánh giá các thông số bên ngoài. Khi một bộ thu hồng ngoại tiếp xúc với ánh sáng hồng ngoại, sự chênh lệch điện áp phát triển trên các dây dẫn. Các đặc tính điện của các thành phần cảm biến IR có thể được sử dụng để đo khoảng cách đến một đối tượng. Khi một bộ thu hồng ngoại tiếp xúc với ánh sáng, sự chênh lệch tiềm năng xảy ra trên các dây.

Trường hợp áp dụng:

1. Thermography: Theo định luật bức xạ của các vật thể, có thể quan sát môi trường có hoặc không có ánh sáng nhìn thấy bằng công nghệ này.
2. Hâm nóng: Có thể dùng tia hồng ngoại để nấu và hâm nóng thức ăn. Chúng có thể loại bỏ băng khỏi cánh máy bay. Bộ chuyển đổi phổ biến trong công nghiệpcác lĩnh vực như in ấn, đúc nhựa và hàn polyme.
3. Quang phổ: Kỹ thuật này được sử dụng để xác định các phân tử bằng cách phân tích các liên kết cấu thành. Công nghệ sử dụng bức xạ ánh sáng để nghiên cứu các hợp chất hữu cơ.
4. Khí tượng: đo chiều cao của mây, tính toán nhiệt độ của trái đất và bề mặt có thể thực hiện được nếu các vệ tinh khí tượng được trang bị máy đo bức xạ quét.
5. Photobiomodulation: được sử dụng để hóa trị ở bệnh nhân ung thư. Ngoài ra, công nghệ này đang được sử dụng để điều trị vi rút herpes.
6. Khí hậu: giám sát sự trao đổi năng lượng giữa khí quyển và trái đất.
7. Giao tiếp: Tia laser hồng ngoại cung cấp ánh sáng cho giao tiếp bằng sợi quang. Các khí thải này cũng được sử dụng để liên lạc trong khoảng cách ngắn giữa thiết bị ngoại vi di động và máy tính.

3. Cảm biến UV

Các cảm biến này đo cường độ hoặc công suất của bức xạ tia cực tím tới. Một dạng bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn tia X, nhưng vẫn ngắn hơn bức xạ nhìn thấy.

Một vật liệu hoạt tính được gọi là kim cương đa tinh thể được sử dụng để đo tia cực tím một cách đáng tin cậy. Các thiết bị có thể phát hiện các tác động môi trường khác nhau.

Tiêu chí lựa chọn thiết bị:

1. Dải bước sóng tính bằng nanomet (nm) có thể được phát hiện bằng cảm biến tia cực tím.
2. Nhiệt độ hoạt động.
3. Chính xác.
4. Trọng lượng.
5. Phạm viquyền lực.

Nguyên lý hoạt động

Một cảm biến tia cực tím nhận một loại tín hiệu năng lượng và truyền một loại tín hiệu khác. Để quan sát và ghi lại các dòng đầu ra này, chúng được gửi đến một đồng hồ đo điện. Để tạo đồ thị và báo cáo, các kết quả đọc được chuyển sang bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) và sau đó đến máy tính có phần mềm.

Được sử dụng trong các thiết bị sau:

1. Ống quang UV là cảm biến nhạy cảm với bức xạ theo dõi quá trình xử lý không khí bằng tia UV, xử lý nước bằng tia UV và tiếp xúc với năng lượng mặt trời.
2. Cảm biến ánh sáng - đo cường độ của chùm tia tới.
3. Cảm biến quang phổ UV là thiết bị tích hợp điện tích (CCD) được sử dụng trong hình ảnh phòng thí nghiệm.
4. Máy dò tia cực tím.
5. Máy dò tia cực tím diệt khuẩn.
6. Cảm biến quang ổn định.

4. Cảm biến cảm ứng

Đây là một nhóm thiết bị lớn khác. Việc phân loại cảm biến áp suất được sử dụng để đánh giá các thông số bên ngoài chịu trách nhiệm về sự xuất hiện của các đặc tính bổ sung dưới tác động của một đối tượng hoặc chất nhất định.

Cảm biến cảm ứng hoạt động giống như một biến trở tùy theo nơi nó được kết nối.

Cảm biến cảm ứng bao gồm:

1. Vật liệu dẫn điện hoàn toàn như đồng.
2. Vật liệu trung gian cách nhiệt như bọt hoặc nhựa.
3. Vật liệu dẫn điện một phần.

Đồng thời, không có sự tách biệt nghiêm ngặt. Việc phân loại cảm biến áp suất được thiết lập bằng cách chọn một cảm biến cụ thể, đánh giá điện áp xuất hiện bên trong hoặc bên ngoài đối tượng được nghiên cứu.

Nguyên lý hoạt động

Vật liệu dẫn điện một phần chống lại dòng điện. Nguyên tắc của bộ mã hóa tuyến tính là dòng điện được coi là ngược chiều hơn khi chiều dài của vật liệu mà dòng điện đi qua càng dài. Do đó, điện trở của vật liệu thay đổi bằng cách thay đổi vị trí mà nó tiếp xúc với một vật dẫn điện hoàn toàn.

Phân loại cảm biến tự động hóa hoàn toàn dựa trên nguyên tắc đã mô tả. Ở đây, các tài nguyên bổ sung có liên quan dưới dạng phần mềm được phát triển đặc biệt. Thông thường, phần mềm được liên kết với cảm biến cảm ứng. Các thiết bị có thể ghi nhớ "lần chạm cuối cùng" khi cảm biến bị vô hiệu hóa. Họ có thể đăng ký "lần chạm đầu tiên" ngay sau khi cảm biến được kích hoạt và hiểu tất cả các ý nghĩa liên quan đến nó. Thao tác này tương tự như di chuyển chuột máy tính sang đầu kia của bàn di chuột để di chuyển con trỏ ra phía xa của màn hình.

5. Cảm biến tiệm cận

Càng ngày, các phương tiện hiện đại càng sử dụng công nghệ này. Việc phân loại cảm biến điện sử dụng mô-đun ánh sáng và cảm biến đang trở nên phổ biến với các nhà sản xuất ô tô.

Cảm biến tiệm cận phát hiện sự hiện diện của các đối tượng gần như không cóĐiểm tiếp xúc. Vì không có sự tiếp xúc giữa các mô-đun và đối tượng cảm nhận và không có bộ phận cơ khí, nên những thiết bị này có tuổi thọ lâu dài và độ tin cậy cao.

Các loại cảm biến tiệm cận khác nhau:

1. Cảm biến tiệm cận cảm ứng.
2. Cảm biến tiệm cận điện dung.
3. Cảm biến tiệm cận siêu âm.
4. Cảm biến quang điện.
5. Cảm biến hội trường.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến tiệm cận phát ra trường điện từ hoặc tĩnh điện hoặc chùm bức xạ điện từ (chẳng hạn như tia hồng ngoại) và đợi tín hiệu phản hồi hoặc những thay đổi trong trường. Đối tượng đang được phát hiện được gọi là mục tiêu của mô-đun đăng ký.

Phân loại cảm biến theo nguyên lý hoạt động và mục đích sẽ như sau:

1. Thiết bị cảm ứng: có một bộ dao động ở đầu vào làm thay đổi điện trở mất mát thành gần môi trường dẫn điện. Những thiết bị này được ưu tiên cho các đồ vật bằng kim loại.
2. Cảm biến tiệm cận điện dung: Những cảm biến này chuyển đổi sự thay đổi điện dung tĩnh điện giữa điện cực phát hiện và mặt đất. Điều này xảy ra khi đến gần một vật thể gần đó với sự thay đổi tần số dao động. Để phát hiện một đối tượng gần đó, tần số dao động được chuyển đổi thành điện áp một chiều, được so sánh với ngưỡng xác định trước. Những đồ đạc này được ưu tiên cho các đồ vật bằng nhựa.

Việc phân loại thiết bị đo lường và cảm biến không giới hạn ở các mô tả và thông số ở trên. Với sự ra đờicác loại dụng cụ đo lường mới, tổng nhóm ngày càng tăng. Nhiều định nghĩa khác nhau đã được chấp thuận để phân biệt giữa cảm biến và đầu dò. Cảm biến có thể được định nghĩa là một phần tử cảm nhận năng lượng để tạo ra một biến thể ở dạng năng lượng giống hoặc khác. Cảm biến chuyển đổi giá trị đo thành tín hiệu đầu ra mong muốn bằng cách sử dụng nguyên tắc chuyển đổi.

Dựa trên các tín hiệu nhận được và tạo ra, nguyên lý có thể được chia thành các nhóm sau: điện, cơ, nhiệt, hóa học, bức xạ và từ tính.

6. Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của một vật thể. Điều này đạt được bằng cách phát ra sóng siêu âm từ đầu của thiết bị và sau đó nhận tín hiệu siêu âm phản xạ từ vật thể tương ứng. Điều này giúp phát hiện vị trí, sự hiện diện và chuyển động của các đối tượng.

Vì cảm biến siêu âm dựa vào âm thanh thay vì ánh sáng để phát hiện, chúng được sử dụng rộng rãi trong đo mực nước, quy trình quét y tế và trong ngành công nghiệp ô tô. Sóng siêu âm có thể phát hiện các vật thể vô hình như vật trong suốt, chai thủy tinh, chai nhựa và thủy tinh tấm bằng cảm biến phản xạ của chúng.

Nguyên lý hoạt động

Phân loại cảm biến cảm ứng dựa trên phạm vi sử dụng của chúng. Ở đây, điều quan trọng là phải tính đến các tính chất vật lý và hóa học của các đối tượng. Sự chuyển động của sóng siêu âm khác nhau tùy thuộc vào hình dạng và loại môi trường. Ví dụ, sóng siêu âm truyền thẳng qua một môi trường đồng nhất và bị phản xạ và truyền trở lại ranh giới giữa các phương tiện khác nhau. Cơ thể con người trong không khí gây ra phản xạ đáng kể và có thể dễ dàng được phát hiện.

Công nghệ sử dụng các nguyên tắc sau:

1. Multioreflection. Nhiều phản xạ xảy ra khi các sóng được phản xạ nhiều lần giữa cảm biến và mục tiêu.
2. Vùng giới hạn. Có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện tối thiểu và khoảng cách phát hiện tối đa. Đây được gọi là vùng giới hạn.
3. Vùng phát hiện. Đây là khoảng cách giữa bề mặt của đầu cảm biến và khoảng cách phát hiện tối thiểu thu được bằng cách điều chỉnh khoảng cách quét.

Các thiết bị được trang bị công nghệ này có thể quét nhiều loại vật thể khác nhau. Nguồn siêu âm được sử dụng tích cực trong việc tạo ra các phương tiện giao thông.