- 發布於 2024年4月9日
- 最後修改 2024年4月9日
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工業感測器入門指南：種類與應用
這份指南將帶您初步了解感測器 (Sensors) 的基礎知識，涵蓋其種類和常見應用。
什麼是感測器？
感測器，又稱傳感器，通常指的是獨立檢測物體或環境特定物理或化學參數或屬性的任何技術組件。例如，這些參數或屬性可能是溫度、亮度或加速度，它們類似於我們自己的感覺器官，不過感測器可以檢測那些對人類來說是看不見或危險的事物。
感測器的一個重要特點是能夠將測量數據轉換為信號或視覺顯示，這樣操作者或電子設備就可以有意義地解釋這些數據。換句話說，感測器本身也是一種轉換器 - 一種將能量或刺激轉換為另一種形式的設備。
感測器的功能和類型
所有感測器共同的主要功能是轉換，它們檢測和測量物理對象或量，這些對象或量可能是非常多樣的，包括：
- 專門設計標籤上的電子識別碼（Electronic identification code），也就是所謂的射頻識別（RFID）芯片
- 對象、流體或人體中的熱量
- 對電子監視視野的擴張，進入該視野的對象、人員或動物的運動
- 對象正在經歷的類型加速，例如自由落體或旋轉
例如，動態感測器可以集成到工業機械中，連接到安全開關，當檢測器發出異常機械運動的信號時，便實現安全關機。這種檢測轉換到開關上的測量值，可以提供安全關機所需的信號，如果機械運動異常繼續，可能損壞設備或對附近操作者構成危險。
這就是將測量轉換為信號輸入到其他非人類設備中，當然，基於感測器的許多系統將測量值轉換為專為人類操作者而製作的刻度或顯示。舉例來說，水銀體溫計是溫度感測器的一種常見形式，它將一個小水銀燈泡的膨脹或收縮轉換為一個可讀的刻度（攝氏或華氏）。隨著水銀的膨脹或收縮，水銀上升或下降在玻璃纖維內，玻璃纖維內部有一個綁有刻度溫度刻度的窄空，水銀的膨脹或收縮與之直接相關，華氏或攝氏溫度刻在外表面。在溫度計設計用於測量的溫度範圍內，溫度計顯示了作為感測器的一個重要特徵 - 直線性，換句話說，探測器材料的物理變化 - 在這種情況下是水銀 - 與所測量的對象、力、運動或輻射的變化呈直接比例。
另一種類型的感測器，熱電偶（Thermocouple），也將對溫度變化以線性方式響應，這種情況同樣會產生輸出電壓的變化，這種變化與熱量變化成正比。為了確保準確性，需要對感測器進行精確校準，以符合已建立且經過檢驗和證實的刻度。
在當今以電子為導向的世界，感測器在確保大量機器、小工具、車輛和製造過程正常運行方面發揮著至關重要的作用，許多日常用品背後都應用了感測器技術，例如加速度計就是一個很好的例子，它可以確保手機的顯示屏無論設備如何移動或旋轉，都能保持正確的方向。感測器廣泛應用於醫療設備、航空航天工程、汽車安全、機器人技術和無數的製造過程中。
靈敏度
靈敏度是決定許多感測器應用的特性，當感測器對介質中的相對變化響應較大，而檢測器材料和輸出相應變化較小時，我們說它的靈敏度低。然而有時需要測量微小的變化，這時感測器必須表現出很高的靈敏度，對所測介質的細微變化響應。通常，這種直線性限制在一個範圍內，超出這個範圍，感測器的響應就會變得不太準確。
感測器製造商還必須考慮感測器對測量或檢測的影響，例如將水銀溫度計的熱電偶浸入熱水中，溫度計將吸熱，並顯示較低的溫度，因為溫度計會將介質吸收的熱能吸收。
在大多數情況下，感測器的影響是不可避免的，但我們應該盡量減輕其影響。其中一個解決方案是在感測器設計中，力爭實現最小化。感測器越小，對所在介質的影響就越小。
微機電系統（MEMS）技術正在改變感測器製造，實現微納米級別的微型檢測器。這些感測器通常的響應時間比較快，而且比大型感測器靈敏度高很多。
感測器的工作原理的技術解析
感測器種類繁多，各種形態和尺寸，可用於測量各種介質和特性。不同類型的感測器包括濕度計和濕度計（用於測量濕度）、陀螺儀（用於測量旋轉）、電流或電壓感測器、壓力感測器、位置感測器、位移感測器和流量感測器（用於管理流體）。以下是一些常見感測器類型的詳細說明：
射頻識別（RFID）芯片
版本：
被動式（從RFID讀取器接收詢問信號）；電池驅動主動式（以設定間隔傳輸ID信號）
檢測對象：
RFID芯片對來自RFID讀取器的詢問信號做出反應
描述：
RFID芯片可以存儲簡單的電子編碼數據，例如單個序列號或更複雜的產品描述，這些數據可以被RFID讀取器檢測並顯示
溫度感測器
版本：
溫度計、熱電偶和電阻溫度計（RTDs），每種都可以是接觸式或非接觸式感測器
檢測對象：
物體或介質中熱能的變化，通過物理材料的膨脹和收縮或導體電導率的變化
描述：
不同的溫度感測器的設計適用於不同的高溫環境。其中一些，例如熱電偶和RTD，在高溫時仍然保持靈敏和高精度，而另一些，例如許多溫度計，對低溫敏感
加速度感測器
版本：
壓電式、壓阻式、磁阻式、霍爾效應、熱傳輸、電容式
檢測對象：
通過振動、旋轉、傾斜、重力、自由落體或碰撞產生的加速運動。檢測器內彈簧載荷偏斜的變化，轉換為對產生加速力量的測量
描述：
載荷偏斜變化被感測器轉換為引起加速力的測量，感測器還考慮加速發生的平面
紅外線感測器
版本：
被動式（從對象接收紅外線熱輻射）；主動式（通過LED或紅外雷射發射紅外線）
檢測對象：
波長在0.7 - 14µ的紅外輻射
描述：
PIR感測器檢測可見紅光波長以下的輻射，基本上是熱輻射。它們可以用於將紅外輻射轉換為圖像，例如紅外攝像頭，或作為安全系統的一部分，用於檢測移動的入侵者
動作感測器
版本：
局部感應（從LED或激光器/压电/压阻/接触開關發出可見紅外光束）；區域感應（視頻、主動或被動紅外或超聲波/微波多普勒感測器）
檢測對象：
物體、人或動物的運動
描述：
動作感測器將指定區域或視野中的運動轉換為電信號，然後可以作為各種應用和感測器系統（如安全、照明自動化、自動門和安全關機開關）的輸入
工業製造中的感測器
在工程領域，感測器解決方案以最巧妙的方式應用，以提高效率，降低勞動成本。例如，將RFID感測器集成到智能手機中，不僅有助於創建無卡支付系統，還大大簡化了安全程序，當所需的RFID芯片出現時，實現自動開啟閘門和門禁系統。它們還幫助革新了物流和交通運輸以及碼頭過境等流程。
工業感測解決方案應用於許多不同類型的應用中，如下所述：
- 加速度感測器不僅用於自動旋轉設備顯示屏幕，還廣泛應用於現代航太設備的導航系統中。
- 紅外感測器經常內置重型機械和電氣設備中，當溫度異常升高，可能危及安全時，啟動安全關機。
- 紅外感測器（和熱成像相機）用於預防性維護。
- 動作感測器如果連接到關機開關，通過檢測機械部件中可能危險的運動，執行類似的功能，這可能表明諸如磨損軸承之類的故障，如果不立即停用，可能會帶來重大成本。
- 動作感測器還廣泛應用於商業安全系統中，用於入侵檢測。
- 溫度感測器，如熱電偶，經常應用於化工廠。它們可以承受非常高的溫度，是監測化學反應中微小熱變化的理想選擇。
