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    【创客学堂】模拟信号传感器类

    编辑:董越2016-03-25 Salmon 浏览次数:1900


    在上一篇文章中,我们介绍了控制器,今天我们就来说一说传感器。

    传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

    传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,使得机器人有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让其慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

    传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成,如图1 所示。

    1 传感器的组成

    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信号;转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制;转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

    如果说在机器人领域,控制器是机器人的大脑,那么传感器就是机器人的五官:

    光敏传感器——视觉

    声敏传感器——听觉

    气敏传感器——嗅觉

    化学传感器——味觉

    压敏、温敏、流体传感器——触觉。下面小编就为大家介绍几款传感器,按输出信号来分,可分为模拟传感器和数字传感器,本篇只介绍模拟传感器。


    一、光敏传感器

    光敏传感器是最常见的传感器之一,它的种类繁多,主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、红外线传感器、色彩传感器、CCDCMOS图像传感器等。接下来小编为大家介绍几款常用的光敏模拟传感器。


    1红外火焰传感器

     

    2 红外火焰传感器

    该火焰传感器可以用来探测火源或其他一些波长在760~1100纳米范围的热源,探测角度达60度,其中红外波长在940纳米附近时,其灵敏度达到最大。此火焰传感器在灭火机器人比赛或者搜救机器人比赛中起着非常重要的作用,它可以当作机器人的眼睛来寻找火源或光源足球,结合Arduino控制器与传感器扩展板,可以用来制作灭火机器人、足球机器人等。火焰传感器探头工作温度为-25摄氏度~85摄氏度,在使用过程中一定要注意火焰传感器探头离火焰的距离不能太近,以免造成损坏。

    传感器参数:

    1. 工作电压 :+5v

    2. 信号类型:模拟信号

    3. 工作环境:-25~+85

    4. 存储温度:-30~+100

    5. 接收波长:760纳米-1100纳米

    6. 下面为火焰传感器实测数据,一根蜡烛为火源,室内正常日光灯环境实测:

    无火源时,对着日光灯:

    0.35V-0.12V

    有火源时,传感器与其距离:

    10cm: 4.99V

    30cm4.83V

    50cm3.2V

    70cm1.89V

    90cm1.01V

    100cm0.83V

     

    3 火焰传感器应用在森林防火

    因为初期火的热和烟难以到达空间很高的场所,如剧场、仓库、飞机库等,感烟、感温传感器并不适用。感烟、感温传感器也不适用于石油精炼工场等屋外监视、森林火灾、输送空气用的管道内的火花监视,以及高速公路隧道里车辆的火焰监视。因此在特殊场所为预防火灾需要使用火焰传感器。特此说明,此火焰传感器易受灯光、太阳光影响,使用时需做特殊处理。


    2光线传感器

     

    4 光线传感器模块

     

    5 光线传感器

    光线传感器是基于半导体的光电效应原理所开发的,其可用来对周围环境光的强度进行检测,结合各种单片机控制器可实现光的测量、光的控制和光电转换等功能,此传感器3P插针接口,可通过3P传感器连接线与传感器扩展板结合使用,可以制作光感相关的互动作品。

    传感器参数:

    1.供电电压: 3.5~5V

    2.工作环境: -25~+85

    3.储存温度: -30~+100

     

    6 光电传感器示意图

     

    7 伏安特性曲线

    光线传感器,可以检测光。它们体积小,价格低廉,低功耗,易于使用,也不磨损。他们经常出现在玩具、小家电和电器中。他们也经常被称为光敏电阻(LDR)。

    光电管基本上是一个电阻,光照在弯曲的电阻可以改变其电阻值。它们的成本很低,容易得到各种尺寸和规格。每个光电传感器会稍微不同于其他传感器,即使它们是同一批。变化也是很大的,50%甚至更高!因为这个原因,它们不应该被用来试图确定照度或亮度发光精密光水平。相反,你只能期待确定基本的光的变化量。

     

    8 应用在手机的光线传感器

    2002年的诺基亚7650(7650还带有扬声器感应)开始,便有了光线传感器,它的好处就是可以根据手机所处环境的光线来调节手机屏幕的亮度和键盘灯。

    二、声音传感器

    接下来小编再为大家介绍几款跟声音有关的传感器。

    1模拟声音传感器

     

    9 模拟声音传感器模块


    此声音传感器是由一个小型驻极体麦克风和运算放大器构成。它可以将捕获的微小电压变化放大100倍左右,能够被微控制器轻松的识别,并进行AD转换,输出模拟电压值,使得只需采集模拟量电压就可以读出声音的幅值,判断声音的大小。

     

    10 声音传感器DIY的声控小车

    声音传感器的应用非常广泛,包括大家众所周知的而且每天晚上都能用到的声控灯,它的开关就是传说中的声控传感器。还有上面的这台小车,它是利用声音传感器能够感受声音并转换为模拟信号的原理制作而成的,当掌声较为热烈(检测到声音音量较高)时控制器会控制电机转动,使得小车向前运动,利用声音传感器还能制造很多有意思的DIY产品,大家说是不是很有趣呢。

    2、声敏传感器

     

    11 声敏传感器

    声敏传感器是一种用于流量检测的传感器,该传感器接线时可带电设定,在高/低灵敏度的量程模式下操作。高灵敏度量程适用于在40db 波动的高频信号。低灵敏度量程应用于在28db68db波动的高频信号。该传感器还可通过外部电源进行供电。

    声敏传感器应用:

    声敏传感器带有一个模拟输出,用于配合控制设备的使用。该传感器通过提供外部电源,可独立于控制设备,独自进行操作。其输出信号送入控制面板、图表记录仪、数据记录仪或带有合适输入的可编程逻辑控制器。主要应用于固体流量探测。同时,该设备也可用于水泵气蚀和液体泄漏的检测,然后产生足够的声音报警。


    三、气敏传感器

    气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等,其中用的最多的是半导体气敏传感器。气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

    工作原理:声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值

    下面小编带大家看一下几款气体传感器。

    1酒精传感器

     

    12 酒精传感器

    此款酒精传感器采用MQ-3型气敏元件,其对酒精的灵敏度高,可以抵抗汽油、烟雾、水蒸气的干扰,很灵敏的检测到空气中的乙醇气体。MQ-3型气敏元件所采用的材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在酒精蒸发气体时,传感器的电导率随空气中酒精气体浓度的增加而增大。因此可通过3P传感器连接线直接插接到Arduino传感器扩展板上,通过Arduino控制器编程方便使用,结合蜂鸣器模块与继电器模块,可以制作酒精报警器、酒精浓度测试仪等产品。用途:用于机动车驾驶人员是否酗酒及其它严禁酒后作业人员的现场检测;也用于其它场所乙醇蒸气的检测。

    酒精传感器参数:

    1. 探测范围:10-100ppm酒精

    2. 特征气体:125ppm酒精

    3. 加热电压:5±0.2VAC·DC

    4. 回路电压:≤24V DC

    5. 负载电阻:可调

    6. 清洁空气中电压:≤1.5V

    7. 灵敏度:Rin air/Rin typical gas5

    8. 恢复时间:≤30S


     

    13 酒精传感器制成的酒精检测仪正在检测酒驾


    资料显示,目前我国每年因驾驶员酒后驾车所导致的交通事故有25万余起,造成约5万人死亡,直接经济损失近13亿元。同时,随着汽车保有量的快速增加,酒后驾驶导致的人员伤亡及财产损失还在呈上升趋势。酒后驾车容易发生交通事故,为了减少或杜绝这种现象,通常是采用呼气酒精测试仪对驾驶人员进行现场检测,以确定驾驶人员是否饮酒。目前,市场上警用酒精测试仪种类繁多、功能强大、灵敏度高,内部多采用酒精传感器,由交警人员来实施,可以有效的警觉人们酒后驾车。

    不仅仅是这样,现在很多的高级汽车内自带酒精检测装置,位于方向盘中心处,开车前如果你的呼吸中酒精含量高于标准值,它就会自动报警,提醒你不要酒驾。所以说酒精传感器的用处是很重要的。

    2烟雾传感器

     

    14 烟雾传感器

    此款烟雾传感器采用MQ-2型气敏元件,可以很灵敏的检测到空气中的烟雾以及甲烷气体。通过3P传感器连接线连接控制器,结合蜂鸣器模块与继电器模块,可以制作烟雾报警器、甲烷泄漏报警器、自动烟雾排风机等产品,是使室内的空气达到环保标准的理想传感器。

    MQ-2气体传感器参数:

    1. 输入电压:5V

    2. 工作电压:5V

    3. 加热电压:5VACDC

    4. 负载电阻:5K(可调)

    5. 回路电压:≤24V

    6. 响应时间:≥10s

    7. 恢复时间:≤30s

    8. 元件功耗:≤7W

    9. 数据类型:模拟输出

     

    15 室内烟雾传感器

    家庭、公共娱乐、办公、仓库等场所中很容易引发火灾。火灾自动报警系统,对于及早发现火灾和对火灾进行早期的扑灭,最大化地减小火灾造成人员伤亡、经济损失及不良的社会影响起着重要的作用。

    火灾自动报警系统主要由触发器件、火灾报警装置、以及联动控制系统等组成。触发器件包括感烟探测器、感温探测器。感烟探测器是主要由烟雾传感器构成,可以很灵敏的检测到空气中的烟雾,应用于火灾探测报警器。

    三、其他几款常用的模拟传感器:

     

    1压力传感器

     

    16 压力传感器

    压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,一般普通压力传感器的输出为模拟信号,模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。其可用于机械手末端夹持器感测夹持物品有无,仿生机器人足下行走地面感测,动物咬力测试生物实验,应用范围及其广泛。

     

    17 蜥蜴咬力实验

    2水位传感器

     

    18 水位传感器

    此传感器是一款简单易用、小巧轻便、性价比较高的水位/水滴识别检测传感器,其是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴/水量大小从而判断水位。水位传感器轻松完成水量到模拟信号的转换,输出的模拟值可以直接被程序中函数所应用,达到水位报警的功效,低功耗,灵敏度高是其一大特点。配合Arduino 控制器可直接插接到传感器扩展板上进行实际应用,效果更加明显。

     

    图19 水位传感器测水位实验

    类似此类水位传感器的各种特定液位传感器广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂、高楼供水系统、水库、河道、海洋等对供水池、配水池、水处理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及对各种液体静态、动态液位的测量。

    3土壤湿度传感器

    20 土壤湿度传感器

    这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分,当土壤缺水时,传感器输出值将减小,反之将增大。使用这个传感器制作一款自动浇花装置,当您长时间不在家或过了浇水的时间,它可以感测到您的植物是否已经渴了。防止植物枯萎了才知道是缺水造成的。

    传感器参数:

    1. 工作电压:5V

    2. 工作电流:<20mA

    3. 传感器类型:模拟输出

    4. 检测深度:37mm

    5. 工作温度:10-30

    6. 工作湿度:10%-90%无凝结

    工作原理:

     

    21 工作原理图

    土壤湿度传感器是一种通过判断土壤中水分含量的多少来判定土壤的湿度大小的传感器。如图所示,当土壤湿度传感器探头悬空时,三极管基极处于开路状态,三极管截止输出为零;当插入土壤中时由于土壤中水分含量不同,土壤的电阻值就不同,三极管的基极就提供了大小变化的导通电流,三极管集电极到发射极的导通电流受到基极控制,经过发射极的下拉电阻后转换成电压。

     

    22 土壤湿度传感器检测土壤水分含量

    对于家里有养花草的人来说,一旦到外地出差或者出门远游,他们会纠结一个问题:家里的植物交给谁来打理呢?外出期间没有人浇水,它们很有可能会枯死。如果真的找不到别人来帮忙的话,我们可以利用Arduino控制器和土壤湿度传感器等器件,来做一个简易自动浇花系统。

    4温度传感器

     

    23 温度传感器

    基于LM35半导体的温度传感器,可以用来对环境温度进行定性的检测。LM35半导体温度传感器是美国国家半导体公司生产的线性温度传感器。其测温范围是-40℃到150℃,灵敏度为10mV/℃,输出电压与温度成正比。LM35线性温度传感器与Arduino专用传感器扩展板结合使用,可以非常容易地实现与环境温度感知相关的互动效果。温度测量常用的传感器包括热电偶,铂电阻,热敏电阻和半导体测温芯片,其中热电偶常用于高温测量,铂电阻用于中温测量(800℃左右),而热敏电阻和半导体温度传感器适合于100-200℃以下的温度测量,其中半导体温度传感器的应用简单,有较好的线性度和较高的灵敏度。

    传感器参数:

    1. 在摄氏温度下直接校准

    2. +10.0mV/℃的线性刻度系数

    3. 确保0.5℃的精度(25)

    4. 额定温度范围为-40℃至+110

    5. 工作电压范围宽,4V 30V

    6. 低功耗,小于60uA

    7. 在静止空气中,自热效应低,小于0.08℃的自热

    8. 非线性仅为±1/4

    9. 输出阻抗,通过1mA 电流时仅为0.1Ω

     

    24 温度传感器应用在热水器上

    主要用于工控及物联网。但它主要还是一个元件,需要和相关的LCD显示、信号处理、MCU控制结合起来才能用在各种需要检测温度参数的场合,应用范围相当的广泛,只要是需要检测温度参数的(如:温度计、温度记录仪、温度报警器等等)都会用到。上图是把温度传感器应用到热水器温度实时显示中。

    以上就是小编为大家带来的几款比较常见的模拟传感器,你可能会问怎么全是模拟传感器,没有数字传感器呢,那么就敬请期待小编的下一期内容吧!关于传感器的更多原理和实验内容,大家可以扫描下面视频二维码进行学习。

     

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