Documento de demostración de tecnología de sensores
El primer ensayo de muestra sobre tecnología de sensores
Sensores y su descripción general
Resumen
Sensores (nombre en inglés: transductor/sensor) son un dispositivo que actúa directamente sobre el valor medido y puede convertirlo en el mismo u otro valor de salida de acuerdo con ciertas reglas. En la actualidad, la mayoría de las señales convertidas por sensores son señales eléctricas, por lo que, en un sentido estricto, un sensor es un dispositivo que convierte señales no eléctricas entrantes desde el exterior en señales eléctricas.
Palabras clave Nuevos sensores
1 Introducción
El sensor es parte del sistema de prueba. Su función es similar a los órganos sensoriales humanos y también puede considerarse como humano. sentidos. Con la ayuda de sensores podemos detectar cosas que no podemos o no podemos percibir directamente con los sentidos. Por ejemplo, un termopar puede medir la temperatura de un objeto caliente. Los sensores ultrasónicos pueden medir la profundidad del agua de mar; los sensores remotos infrarrojos se pueden utilizar para detectar la topografía del suelo, el estado de los ríos y la distribución de la vegetación desde grandes altitudes. Por lo tanto, se puede decir que los sensores son herramientas poderosas para que las personas comprendan las cosas naturales y son la interfaz entre los instrumentos de medición y los objetos medidos. Normalmente, el sensor se encuentra en la entrada del equipo de prueba y es el primer enlace del sistema de prueba. Su rendimiento afecta directamente a todo el sistema de prueba y tiene un gran impacto en la precisión de la prueba.
2 Clasificación de los sensores
Según las diferentes cantidades físicas que se miden, se pueden dividir en sensores de desplazamiento, fuerza, temperatura, caudal, etc. Según las diferentes bases de trabajo, se pueden dividir en sensores mecánicos, sensores eléctricos, sensores ópticos, sensores de fluidos, etc. Según las características de la transformación de la señal, se pueden dividir en sensores físicos y sensores estructurales; según la relación energética directa entre los componentes sensibles y el objeto medido, se pueden dividir en sensores de conversión de energía y sensores de control de energía.
3 Introducción a los sensores comunes
3.1 Sensor de deformación por resistencia
El sensor de deformación por resistencia también se llama medidor de deformación por resistencia y su elemento sensible es la deformación por resistencia. La galga extensométrica se fabrica pegando un alambre metálico o una lámina metálica con un diámetro de aproximadamente 0,025 mm sobre un sustrato de vidrio impregnado con materiales aislantes como fenol y resina epoxi. Los elementos sensibles también se denominan redes sensibles. Tiene las ventajas de tamaño pequeño, respuesta dinámica rápida, alta precisión de medición y uso sencillo. Ha sido ampliamente utilizado en aviación, maquinaria, construcción y otras industrias. El principio de funcionamiento del medidor de tensión de resistencia se basa en el efecto de deformación del metal, es decir, el conductor metálico sufre deformación mecánica bajo la acción de una fuerza externa y su valor de resistencia cambia con el cambio de deformación mecánica. Se dividen en dos tipos: galgas extensométricas de resistencia metálica y galgas extensométricas de semiconductores. Las galgas extensométricas metálicas se pueden dividir en tipo de alambre, tipo de lámina y tipo de película. Las galgas extensométricas para semiconductores tienen las ventajas de una alta sensibilidad (normalmente decenas de veces mayor que la del alambre y la lámina) y pequeños efectos laterales. La principal diferencia entre los dos es que las galgas extensométricas de resistencia metálica son causadas por la deformación del conductor, mientras que las galgas extensométricas de semiconductores son causadas por cambios de resistividad.
3.2 Sensor capacitivo
Un sensor capacitivo es un dispositivo que convierte una cantidad física medida en un cambio de capacitancia. Es esencialmente un condensador con parámetros variables. Debido a que la capacitancia es inversamente proporcional al paso polar y directamente proporcional al área y al medio opuestos, se puede dividir en tres tipos: tipo de cambio de paso polar, tipo de cambio de área y tipo de cambio dieléctrico. La ventaja del sensor de capacitancia variable de distancia entre polos es que se puede utilizar para mediciones dinámicas sin contacto, tiene poco impacto en el sistema que se está midiendo, tiene alta sensibilidad y es adecuado para medir desplazamientos pequeños. Sin embargo, este sensor tiene características no lineales, por lo que su rango de aplicaciones es limitado. La ventaja del sensor de cambio de área es que la salida tiene una relación lineal con la entrada, pero en comparación con el sensor de distancia polar, la sensibilidad es menor y es adecuado para medir grandes desplazamientos lineales o angulares. La variante mediana se utiliza principalmente para medir la altura del líquido y otras ocasiones.
3.3 Sensor inductivo
El sensor inductivo es un dispositivo que convierte cantidades físicas medidas, como fuerza, desplazamiento, etc., en inductancia. Su conversión se basa en el principio de inducción electromagnética. . Hay muchos tipos de sensores inductivos, incluidos los de autoinductancia, inductancia mutua y corrientes parásitas.
Los sensores inductivos tienen las siguientes características: estructura simple y sin contactos eléctricos móviles, por lo que funcionan de manera confiable y tienen una larga vida útil. Tiene alta sensibilidad y resolución y puede medir cambios de desplazamiento de 0,01 micrones. La señal de salida del sensor es fuerte y la sensibilidad al voltaje puede alcanzar cientos de milivoltios por milímetro. Buena linealidad y repetibilidad. Dentro de un cierto rango de desplazamiento (de decenas de micrones a varios milímetros), el error no lineal del sensor puede alcanzar el 0,05% ~ 0,1%.
Al mismo tiempo, este tipo de sensor puede realizar transmisión, grabación, visualización y control de información a larga distancia, y se usa ampliamente en sistemas de control automático industrial. Sin embargo, también tiene algunas desventajas, como una respuesta de baja frecuencia y no es adecuado para mediciones y controles dinámicos rápidos.
3.4 Sensor magnetoeléctrico
El sensor magnetoeléctrico es un sensor que convierte la cantidad física medida en una fuerza electromotriz inducida. También se le llama sensor de inducción electromagnética o sensor eléctrico. Funciona según el principio de una bobina de n vueltas. La bobina produce una fuerza electromotriz inducida cuando cambia el flujo magnético que la atraviesa. Los cambios en el flujo magnético se pueden lograr de muchas maneras, como el movimiento de líneas de fuerza magnéticas cortantes entre el imán y la bobina, cambios en la resistencia magnética del circuito magnético, cambios en el área de la bobina en una constante campo magnético, etc. Por lo tanto, se pueden fabricar diferentes tipos de sensores para medir la velocidad de rotación y el par.
3.5 Sensor piezoeléctrico
El sensor piezoeléctrico es un sensor reversible que utiliza el efecto piezoeléctrico de determinadas sustancias para funcionar. En el sensor piezoeléctrico más simple, el metal se evapora para formar una película metálica sobre las dos superficies de trabajo de la oblea piezoeléctrica, formando dos electrodos. Cuando la oblea está bajo presión, se acumulan cargas de polaridad igual pero opuesta en las dos placas, creando un campo eléctrico. Por lo tanto, un sensor piezoeléctrico puede verse como un generador de carga o como un condensador.
4 nuevos sensores
4.1 Biosensores
Los biosensores combinan sustancias biológicamente activas (enzimas, proteínas, ADN, anticuerpos, antígenos, biopelículas, etc.) interdisciplinarias combinadas orgánicamente. sujetos. ) con sensores físicos y químicos. Es un método de detección y seguimiento avanzado indispensable para el desarrollo de la biotecnología, y también es un método de análisis rápido y de trazas a nivel molecular de sustancias. Varios biosensores tienen la misma estructura: incluyen uno o varios materiales bioactivos relacionados (biopelículas) y transductores físicos o químicos (sensores) que pueden convertir señales expresadas por actividades biológicas en señales eléctricas. Se combinan para reprocesar señales biológicas con microelectrónica moderna y tecnología de instrumentación automática para formar una variedad de dispositivos, instrumentos y sistemas de análisis de biosensores disponibles. El principio del biosensor: la sustancia a medir ingresa al material biológicamente activo a través de difusión, y después del reconocimiento molecular se produce una reacción biológica. La información generada se convierte en una señal eléctrica cuantificable y procesable mediante el transductor físico o químico correspondiente, y luego. por segundo Una vez que el medidor amplifica la salida, se puede conocer la concentración de la sustancia a medir.
4.2 Sensor láser
Sensor láser: Sensor que utiliza tecnología láser para la medición. Consta de láser, detector láser y circuito de medición. El sensor láser es un nuevo tipo de instrumento de medición con las ventajas de medición a larga distancia sin contacto, velocidad rápida, alta precisión, amplio rango de medición y fuerte resistencia a la interferencia fotoeléctrica. Principio del sensor láser: cuando el sensor láser funciona, el diodo emisor de láser emite pulsos láser al objetivo. La luz láser es reflejada por el objetivo y dispersada en todas direcciones. Parte de la luz dispersada regresa al receptor del sensor y, una vez recibida por el sistema óptico, se refleja en el fotodiodo de avalancha. El fotodiodo de avalancha es un sensor óptico con amplificación interna, que le permite detectar señales luminosas extremadamente débiles y convertirlas en señales eléctricas correspondientes.
5 Conclusión
Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la capacidad de las personas para comprender el mundo también mejora constantemente. Los sensores desempeñan un papel muy importante en el acceso a la naturaleza y la producción. Actualmente, la tecnología de sensores juega un papel importante en la promoción del desarrollo económico y el progreso social. Creo que la tecnología de sensores dará un salto en el futuro.
Sobre la autora
Yang (1991-), mujer, de la ciudad de Handan, provincia de Hebei. Ahora es estudiante universitario en la Universidad de Zhengzhou. Sus principales intereses de investigación son la ingeniería mecánica y la automatización.
Afiliación del autor
Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Zhengzhou, ciudad de Zhengzhou, provincia de Henan 450001
Ejemplo del documento nº 2 sobre tecnología de sensores
Sensor de temperatura
Resumen: El sensor de temperatura es el sensor más antiguo desarrollado y más utilizado. Según las encuestas, ya en 1990 la cuota de mercado de los sensores de temperatura superaba con creces la de otros sensores. La gente ha estado midiendo la temperatura desde que Galileo inventó el termómetro a principios del siglo XVII. El sensor que realmente convierte la temperatura en una señal eléctrica fue inventado por el físico alemán Sebe en 1821, y es el sensor de termopar que utilizamos ahora. Posteriormente, aparecieron uno tras otro sensores de temperatura de resistencia de platino, sensores de temperatura de termopar semiconductor, sensores de temperatura de unión PN y sensores de temperatura integrados.
Esto también hace que los sensores de temperatura se utilicen más ampliamente en nuestra producción y vida. Este artículo presenta principalmente la clasificación, el principio de funcionamiento y la aplicación de los sensores de temperatura.
Palabras clave: sensor de temperatura; temperatura; grados Celsius
Número de clasificación de la Biblioteca de China: TP212 Código de identificación del documento: A Número de documento: 1674-7712 (2014) 02-0000-01.
El sensor de temperatura convierte la temperatura en una señal de salida utilizable utilizando las leyes de varias propiedades físicas de la materia que cambian con la temperatura. Los sensores de temperatura son la parte central de los instrumentos de medición de temperatura y los hay de muchos tipos. Según el método de medición, se pueden dividir en dos categorías: de contacto y sin contacto. Los sensores de temperatura modernos tienen un aspecto muy pequeño, lo que los hace ampliamente utilizados en diversos campos de la práctica de producción y proporcionan innumerables comodidades y funciones para nuestras vidas.
1. Conocimiento sobre la temperatura
La temperatura es una cantidad física que se utiliza para representar el grado de calor o frío de un objeto. El nivel de temperatura debe cuantificarse con números y la escala de temperatura es la representación numérica de la temperatura. Las escalas de temperatura comúnmente utilizadas incluyen la escala de temperatura Celsius y la escala de temperatura termodinámica.
En la escala Celsius, la temperatura del agua hirviendo se fija en 100 grados Celsius y la temperatura de la mezcla de agua y hielo se fija en 0 grados Celsius. Haz 100 partes iguales entre 100 grados Celsius y 0 grados. Celsius es 1 grado Celsius. La escala de temperatura termodinámica fue propuesta por William y Tom La escala de temperatura termodinámica se estableció basándose en la segunda ley de la termodinámica, en la que la temperatura sólo está relacionada con el calor y no tiene nada que ver con la materia. Debido a que se resume en Kelvin, también se le llama escala de temperatura Kelvin.
2. Clasificación de los sensores de temperatura
Según los diferentes métodos de medición, los sensores de temperatura se pueden dividir en tipos de contacto y sin contacto. Sensor de temperatura de contacto significa que el sensor está en contacto directo con el objeto a medir, midiendo así la temperatura. Esta es también la forma básica de medición de temperatura. Entre ellos, los sensores de temperatura de contacto se dividen en sensores de temperatura de termopar, sensores de temperatura de resistencia térmica, sensores de temperatura de termistor semiconductor, etc.
El sensor de temperatura sin contacto mide los rayos infrarrojos emitidos por la radiación térmica del objeto, midiendo así la temperatura del objeto y puede utilizarse para medición remota.
3. Principio de funcionamiento del sensor de temperatura
(1) Sensor de temperatura termopar. Los sensores de temperatura de termopar son los sensores de temperatura más utilizados. Tienen una estructura simple y únicamente están soldados por conductores o semiconductores de dos materiales diferentes.
El sensor de temperatura termopar está fabricado basándose en el principio del efecto termoeléctrico: dos metales diferentes A y B forman un circuito cerrado, y las dos temperaturas de contacto son t1 y t2 respectivamente, lo que generará una fuerza electromotriz en el bucle.
Un termopar también está soldado por dos conductores o semiconductores A y B de diferentes materiales. El extremo soldado se llama extremo de trabajo o extremo caliente. El extremo conectado al cable se llama extremo libre o extremo frío, y los conductores A y B se llaman electrodos calientes, denominados colectivamente termopares. Al medir, el extremo de trabajo está en contacto con el objeto que se está midiendo. El instrumento de medición es un potenciómetro que mide la fuerza termoelectromotriz del termopar. Los cables de conexión son cables de compensación y cables de cobre.
Lo que observamos en la tabla es la fuerza electromotriz térmica. Para saber la temperatura del objeto, debemos fijarnos en la escala del termopar.
Para garantizar que los resultados de la medición de temperatura sean lo suficientemente precisos, también existen requisitos estrictos para la selección de materiales de termoelectrodos: alta estabilidad física y química; bajo coeficiente de resistencia térmica; alta conductividad; la fuerza electromotriz térmica debe ser una relación funcional lineal o simple con la temperatura, buena reproducibilidad, etc. Según los materiales de termodo comúnmente utilizados, los sensores de temperatura de termopar se pueden dividir en termopares estandarizados y termopares no estandarizados. Los termopares de platino-rodio platino son termopares estandarizados de uso común con puntos de fusión altos. Se pueden usar para medir altas temperaturas con pequeños errores, pero son costosos y generalmente son adecuados para mediciones de temperatura más precisas. Iron-Constantan es un termopar no estándar de uso común. El límite superior de medición de temperatura es de 600 grados Celsius. Es fácil de oxidar, pero tiene una buena relación lineal entre la temperatura y la fuerza termoelectromotriz y tiene una alta sensibilidad.
(2) Sensor de temperatura de resistencia. Aunque el sensor de temperatura termopar tiene una estructura simple y una medición precisa, solo es adecuado para medir temperaturas altas por encima de 500 grados Celsius. Para medir objetos de temperatura media y baja entre -200 grados Celsius y 500 grados Celsius, se debe utilizar un sensor de temperatura resistivo.
Los sensores de temperatura resistivos utilizan la característica de que la resistencia de un conductor o semiconductor cambia con la temperatura para medir la temperatura. La resistencia de la mayoría de los metales aumenta entre un 0,4% y un 0,6% cuando la temperatura aumenta 1 grado Celsius. El sensor de temperatura resistivo convierte los cambios de temperatura en cambios en el valor de resistencia y luego los convierte en señales de voltaje a través de un puente de medición y los envía al instrumento de visualización.
(3) Termistor semiconductor.
Los termistores semiconductores se caracterizan por su alta sensibilidad, tamaño pequeño y respuesta rápida. Se fabrica aprovechando la característica de que el valor de resistencia de los semiconductores cambia significativamente con la temperatura. Hay tres tipos: (1) termistor NTC, que está hecho principalmente de óxidos sinterizados de manganeso, cobalto, níquel, hierro y otros metales, y tiene un coeficiente de temperatura negativo. (2) El termistor CTR utiliza óxidos de V, Ge, W, P y otros elementos para formar un cuerpo sinterizado en una atmósfera reductora débil y también tiene un coeficiente de temperatura negativo. (3) El termistor PTC es un componente cerámico semiconductor sinterizado a partir de titanato de bario dopado con elementos de tierras raras y tiene un coeficiente de temperatura positivo. Debido a que el termistor PTC tiene un coeficiente de temperatura positivo, también se convierte en un interruptor de control de temperatura.
(4) Sensor de temperatura sin contacto. El elemento de medición de temperatura del sensor de temperatura sin contacto no entra en contacto con el objeto que se está midiendo. El principio más utilizado en la actualidad es la transferencia de calor por radiación. Las características principales de este método de medición de temperatura son: puede medir objetos pequeños en movimiento y objetos con pequeña capacidad calorífica o cambios rápidos. También se puede utilizar para medir la distribución de temperatura del campo de temperatura, pero se ve muy afectado por el ambiente. temperatura.
4. Ejemplos de aplicación de sensores de temperatura
(A) Aplicación de sensores de temperatura en automóviles. La función del sensor de temperatura es medir la temperatura del aire de admisión, agua de refrigeración, combustible, etc. Y convierta los resultados de la medición en señales eléctricas y envíelas a la ECU. Para todos los sistemas de control electrónico de motores de gasolina, la temperatura del aire de admisión y la temperatura del agua de refrigeración son dos parámetros de temperatura esenciales controlados por la ECU, mientras que otros parámetros de temperatura varían según el tipo de sistema de control electrónico y las necesidades de control. El sensor de temperatura del aire generalmente se instala en la entrada de aire o en el medidor de flujo de aire entre el filtro de aire y el cuerpo del acelerador, y el sensor de temperatura del agua se instala en una ubicación adecuada en el canal de agua de refrigeración del motor, la culata o el bloque del motor. Hay muchos tipos de sensores que se pueden utilizar para medir la temperatura, como resistencias bobinadas, resistencias difusas, transistores semiconductores, núcleos metálicos, termopares y termistores semiconductores. Actualmente, los sensores de temperatura por termistores se utilizan más ampliamente para medir la temperatura del aire de admisión y la temperatura del agua de refrigeración.
(2) Utilice el sensor de temperatura para ajustar la temperatura del baño. El sensor de temperatura también puede ajustar la temperatura del baño, especialmente al bañarse, por lo que la temperatura del baño debe ajustarse automáticamente. A través de sensores de temperatura y humedad y sensores de gas, se puede controlar bien el ambiente del baño, permitiéndonos tener una vida cómoda. En la actualidad, la mayoría de los hoteles y algunos lugares públicos han realizado un ajuste automático, pero los baños en los hogares comunes todavía se operan manualmente y no han realizado un ajuste automático. Esto se debe principalmente a que el cliente medio desconoce que la automatización se puede lograr mediante sensores. A medida que la gente adquiera mayor comprensión en el futuro, los baños de los hogares comunes también podrán ajustarse automáticamente.
Materiales de referencia:
Zhou Qi. Diseño de sensor de temperatura integrado [D]. Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de Xi'an, 2007.