定義為「接收刺激,回應以電氣訊號的裝置」,感測器是一切智慧型電子系統的最核心支柱之一。感測器構成了物理世界與數位世界之間的介面, 物理世界由物理定律決定,而數位世界詮釋了可為各類應用程式使用的資訊。

現今,感測器技術出現在新的應用領域和大眾市場,例如汽車、智慧城市基礎設施,和工業自動化與控制。所有這些都用到大量的感測器以收集資料, 作為對主控制系統的輸入,以作出智慧決策。

智慧型手機與 IoT 的成長促成更多種類型的感測器開發問世,尤其是高度整合、智慧型的低功率感測器。其中有些是為了感測物理性質所設計, 有的則是用來偵測運動或近接 (利用光學與光源) 與流量等。為了達到這些目的,運用了各種技術,包括電感、磁阻、超聲波、光學、壓力及電容。

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傳感器

傳感器這種裝置能將任何非電氣的數量轉換為以電壓或電流為形式的按比例電氣訊號。接著就能作為位移、溫度、壓力、應變或其他物理參數加以測量。 致動器與感測器都是傳感器的一種形式,任何操作中的傳感器在每一時刻都是以感測器或致動器運作。

市面上有不同類型的傳感器,其中包括:溫度、壓力、位移、電感、電阻、電容、霍爾效應型、水平、流量、力及其他許多。在選擇傳感器時, 靜態回應、動態回應、環境因素和可靠度等,在應當考量的重要參數之中只是少數的例子。

應變計經常用在傳感器設計上的對應輸出與所測量參數相關的傳感器類型。應變計經常用來求出以荷重元所測得的力,最受歡迎的是以半導體或金 屬箔所製成。金屬箔裝置一般是以銅鎳合金或鎳鉻箔以網格狀排列所製成,以箔元件變形產生的電阻變化為原理。

LVDT 和 RVDT (線性與旋轉可變差動電晶體) 經常用來與荷重元和測試系統搭配使用,以測量線性和旋轉位移。LVDT 是一種常見的電機傳感器, 能將物體的直線運動轉換成對應的電氣訊號。

半導體裝置利用矽或鍺製的應變計,和這些材料的壓電電阻性質。壓電傳感器廣泛用於感測和致動應用。壓電材料受到擠壓或伸張時,材料上會產生電荷, 稱為「正壓電效應」。

壓力傳感器能將壓力轉換為數位或類比訊號。有多項技術可用以達成此一目的,而應變計是這類重要應用的適宜技術。壓力傳感器受到壓力時, 會依該壓力成比例提供輸出電壓。此電壓輸出必須經過校準以反應壓力值。

運動

運動感測器能偵測物體的運動,可藉由判斷目標的存在於否用來觸發行動。在我們的日常生活中,此裝置扮演的角色日漸重要。

最廣為人知的運動感測器應該是加速度計,這是一種能夠測量加速力的電機裝置。這些作用力可能是靜態的,例如拉住您的腳的固定重力; 也可以是動態的,例如移動或震動加速度計而造成的作用力。某些加速度計採用壓電效應,其中含有能感受加速作用力所造成壓力的顯微晶體結構, 而此加速作用力會產生電壓。另外一種作法是感測電容的變化。如果有兩個微架構彼此相鄰,兩者之間會有若干電容。 如果加速作用力移動兩個架構其中之一,此電容就會變化。若加裝某些電路把電容轉變為電壓,就會產生加速度計。

常見的運動感測器還有被動紅外線 (PIR) 感測器和反射型紅外線感測器。PIR 感測器因為能偵測溫熱物體,可設計成涵蓋寬廣的感測區。 這種感測器並不發光,而是偵測溫度與週遭不同的物體在移動時,紅外線的變化量。反射型紅外線感測器能從 LED 發出紅外線,接著偵測反射光線, 以判定物體的距離。

位置

位置感測器可提供位置的回饋,能向許多系統提供精確的運動控制、計數和編碼功能。能夠偵測目標物體、人、物質或磁場或電場擾動,轉換成電氣輸出以進一步行動。

有基於不同感測技術的各種位置感測器存在,各有本身的優點與侷限之處。有接觸裝置類型,例如限動開關、電阻位置傳感器、和非接觸裝置類型, 包括磁性感測器 (霍爾效應和磁阻感測器)、超聲波感測器、近接感測器和光電感測器。

陀螺儀 (陀螺感測器) 這類裝置利用地球引力協助判定方向。其設計包含名為轉子的自由旋轉碟,安裝於更大、更穩定的輪子中心旋轉軸上。軸旋轉時, 轉子仍然固定,顯示中央引力,如此指出向下的方向。陀螺儀能測量以特定軸為中心的旋轉速率,如此保持其有效度。

定位控制的反饋迴路經常需要測量位置,因為這能依照角運動和旋轉,從裝置的參考位置起到新的位置,測量任何裝置的行經距離。位置感測的技術包括霍爾效應、 電阻和磁電阻。

隨著感測技術提升,定位裝置持續變得更小、更好,為更多應用開闢途徑。為選擇適合的位置感測器,一個重要步驟是了解感測器大小、測量距離、直線性、解析度、 精準度、可重複性、安裝限制和環境耐用度等需求。

近接

近接感測器是一種獨立的感測器,能感測物體接近感測器的表面。其不需要實體接觸就能偵測到附近物件的存在。近接感測器發射電磁輻射束, 然後偵測磁場的變化或回傳的訊號。近接感測器經常用於智慧型手機,在靠近耳朵通話時偵測誤觸觸控式螢幕。典型應用包括自動化機器與製 造系統上的偵測、定位、檢查與計數功能。近接感測器有四種基本類型:電感式近接感測器、電容式近接感測器、超聲波近接感測器, 以及光電或光電子感測器。

電感式近接感測器會對含鐵與不含鐵金屬產生反應。其也能透過非金屬材質層來偵測金屬。電感式近接感測器包含纏繞住軟質鐵芯的線圈。 當有含鐵物件在附近時,感測器的電感就會改變。這項改變會轉換為以電壓觸發的開關。電容式感測器會對作用表面周圍的電介質變化產生反應, 而未必需要實體接觸,因此可以微調為感測幾乎任何物質。電容式感測器也能透過玻璃層、塑膠箱或薄紙箱來感測物質。

光電感測器能以非接觸方式感測幾乎任何物質或物件,距離可達 10 公尺。它包含光源 (通常是 LED、發光二極體,採紅外線或可見光頻譜), 以及偵測器 (光電二極體)。超聲波感測器利用高頻率 (20 KHz) 聲波的反射,來偵測零件或與零件之間的距離。超聲波感測器是透明目標的最佳選擇。

電流

電流感測器是能偵測電流,並將其轉換為容易測量的輸出電壓的裝置,此電壓與所測量的電流成比例。感測器種類繁多,分別各適合特定的 電流範圍與環境條件。電流感測器的選擇取決於強度、頻寬、精準度、堅固程度、絕緣、大小或成本等需求。所產生的值可轉換成數位形式, 為控制或監測系統所用,也可以維持類比形式,用電流測試儀器直接顯示。

最常用的電流感測器是檢流電阻器。我們可以把它視為電流轉電壓轉換器;在電流路徑上插入電阻器,電流就以線性方式轉換為電壓。 電流感測器採用的技術很重要,因為不同的感測器對於各種應用會有不同的特性。

電流感測器以開放式或封閉式迴圈霍爾效應技術為基礎。封閉式迴圈感測器具備線圈,會被主動驅動針對所感測電流所生的磁場產生對立的磁場。 霍爾感測器作為零值偵測裝置,其輸出訊號和經驅動進入線圈的電流成比例,而經驅動進入線圈的電流又和所測量的電流成比例。

在開放式迴圈電流感測器中,主要電流產生的磁通量集中於磁路中,而以霍爾裝置來測量。霍爾裝置的輸出是經過調節的訊號,以精確 (即時) 呈現主要電流。

光學與光源

光源感測器是能將光線能量轉變為電氣訊號輸出的一種被動式裝置。光源感測器更常稱為光電裝置或光感測器,因為其將光線能量 (光子) 轉變為電氣訊號 (電子)。光電晶體管、光敏電阻器和光電二極體是更常見的一些光線強度感測器。

光電感測器以光線偵測物件的存在與否。它從發光元件放射光束 (可見或紅外線)。反射型的光電感測器用於偵測從目標反射的光束。 光束由發光元件放射,而由光接收元件來接收。發光元件與光接收元件位於同一機殼內。感測器接收從目標反射的光線。

相反的,光電晶體管以它偵測到的光等級來判斷多少電流能通過電路。所以,如果感測器位於黑暗的房間內,只會讓少量電流通過。 如果偵測到高亮度,就會讓較大量的電流通過。光敏電阻器是由硫化鎘所製,感測器位於黑暗中時,其電阻最大。光敏電阻器暴露於光線時, 其電阻會隨著光線強度而成比例下降。如果連接電路並以電位計來平衡,光線強度的變化就會顯示為電壓的變化。這些感測器構造簡單、 可靠穩定、價位低廉,普遍用於測量光線強度。

以光纖感測器技術而言,系統不使用空氣作為傳輸媒介,改為以光纖電纜在來源與偵測器之間傳輸光線。光纖感測器可分為兩大類: 固有感測器和外在感測器。固有感測器中,光纖電纜本身即為感測器;外在感測器則是以光纖電纜導引光從傳統感測器來回。

濕度

濕度就是空氣中的水份。空氣中的水蒸氣量能影響人類的舒適度,以及若干不同工業領域中的許多製程。水蒸氣的存在也會 影響各種不同的物理、化學與生物程序。

濕度感測器透過偵測會改變空氣中電流或溫度的變更來運作。濕度感測器有三種基本類型:電容式、電阻式與熱量式。 所有這三種類型都會監視空氣中的微細變化,以計算空氣的濕度。

電容式濕度感測器在兩個電極之間放置薄條狀的金屬氧化物以測量相對濕度。金屬氧化物的電容會隨著空氣的相對濕度而變化。氣象、 商業與工業是主要的應用領域。

電阻式濕度感測器利用鹽離子來測量原子的電阻。濕度變化時,鹽媒介物任一側上的電極電阻亦然。兩個熱量式感測器憑藉周圍空氣的 濕度來傳導電力。一個感測器由乾氮氣包住,另一個負責測量環境空氣。兩個測量結果的差異就是濕度。

熱濕度感測器能依照週遭空氣中的水分來傳導電。為了做到這一點,此裝置會運算熱潮濕空氣與乾空氣之間傳導性的差距。

溫度

溫度感測器是測量物件或系統所產生冷熱能量的裝置。能夠感測或偵測該溫度的任何具體變化,並產生類比或數位輸出。

溫度感測器有兩種基本物理類型:接觸式溫度感測器型和非接觸式溫度感測器型。接觸式溫度感測器必須實際接觸所要感測的物件, 並以傳導方式監視溫度的變化。非接觸式溫度感測器採用對流與輻射方式來監視溫度的變化。

許多裝置可用於測量溫度,最常見的是熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度感測器 (RTD),以及紅外線類型。熱電偶功能最多, 便宜而且溫度範圍廣 (通常可高達攝氏 1200 度)。其含有兩個不同的金屬線,端點相接以建立感測接點。配合參考接點使用時, 參考接點與實際溫度之間的差異會顯示為電壓電位。

熱敏電阻是一種半導體裝置,其電阻隨著溫度變化而改變,不過溫度與電阻並非線性關係。在最高以攝氏 100 度為限的有限範圍內, 其能進行敏感度很高的測量。

RTD 採用精密電線,通常是白金所製,作為感測元件。利用的原理是金屬的電阻會隨溫度改變,因此可在更廣的範圍中為線性、 也比熱電偶更穩定,並且有更好的精準度和解析度。

紅外線類型感測器採用輻射熱,隔一段距離來感測溫度。這些非接觸式感測器也能感測視野,以產生表面的溫度圖。

壓力

壓力感測器這個裝置能感測壓力,並轉換為強度取決於所施加壓力的類比電氣訊號。壓力的定義是流體對其周圍每單位面積所施加的作用力。 因為其將壓力轉換為電氣訊號,所以又名壓力換能器。

絕對壓力是相對於完全真空而測量所得,大氣壓力就是一例。常用測量單位是每平方英吋絕對壓力磅數 (psia)。差壓就是兩個測量點之間的壓力差異。 一般測量單位是每平方英吋差壓磅數 (psid)。表壓力是相對於環境壓力而測量所得,血壓就是一例。常用測量單位是每平方英吋的表壓力 (psig)。

壓力的 SI 單位是帕斯卡 (Pascal) (N/m2),但是其他常用的壓力單位有每平方英吋磅數 (PSI)、大氣壓力 (atm)、巴 (bar)、英吋汞柱 (in Hg), 以及毫米汞柱 (mm Hg)。

壓力感測器廣泛用於下列領域:汽車、製造、航空、生物醫療測量、空調、液壓測量等。在汽車產業中,壓力感測器是引擎也是安全功能的一部分。 這些感測器在引擎中監視燃油與冷卻液的壓力,並在踩下車輛油門或煞車時,調節引擎應提供的動力,以獲得適當的速度。在數位血壓監視器與 呼吸器等儀器中,需要壓力感測器依據病患的健康狀況與需求將儀器最佳化。

觸控

觸控感測器這種裝置能擷取與記錄裝置及/或物件上實體的觸控或圍繞動作。它能使裝置或物件偵測通常是人類使用者或操作員所 做的觸控動作或近接狀態。觸控感測輸入裝置為新奇的互動技術提供無限可能,而且能可靠取代機械式按鈕與開關,以避免機械磨損與損壞。 這些裝置可配置為簡單的滑動器、旋轉輪或觸控墊,以構成直覺化的使用者介面。

物件或個人具體接觸這種裝置時,主要由觸控感測器來運作。觸控感測器也稱為觸覺感測器,對於觸碰、作用力與壓力很敏感。 它能利用電容或電阻感測技術來實作。

電容感測技術是以電容耦合為基礎,能偵測與測量具有導電性或與空氣有介電差異的任何物件。電容觸控式螢幕依據人體的電氣脈衝, 通常是指尖,來分辨與感測特定的觸碰位置。如此使得電容觸控式螢幕不需要在螢幕表面施加任何實際力量。

電容觸控式螢幕技術常見而且耐用,使用於廣泛的應用領域中。電容觸控式螢幕非常清晰,提供高達 90% 的透明度。由於清晰度優於電阻式技術, 所以受到智慧型手機青睞。

流量

流量感測器 (或表) 這種裝置能夠測量線性、非線性、質量或體積上的液體或氣體流速。流量感測器利用電氣與機械子系統兩者來 測量液體物理屬性的變化,以計算流量。流量感測器適用的氣體,其操作溫度範圍在 -20 °C 至 +400 °C,適用的液體操作溫度範圍在 -50 °C 至 +180 °C,可測量 0 m/s 至 100 m/s 的流速與方向。可部署以偵測洩漏、堵塞和管路破裂。 測量流量對控制多種設備相當重要。這類感測器常用於醫療裝置、HVAC 系統、汽車、化學廠、工業製程和智慧能源應用。 選擇流量表時應考量的因素是易於校準和維護、平均故障間隔記錄,和特定廠址的備份零件可用性。

流量感測器在選擇時是依照例如流速資訊、為連續或總計式,以及資料為本機或遠端等規格需求。如為遠端,傳輸可為類比或數位式。 製程流體性質和流量特性的評估因素,例如壓力、溫度、允許壓降、密度 (或比重)、傳導率、黏性和最大操作溫度下的蒸汽壓力也很重要。

流量感測器分為兩類:接觸式與非接觸式流量感測器。 如果所測量的液體或氣體與感測器的活動零件接觸時不會阻塞管線,會使接觸式流量感測器。 非接觸式流量感測器則無活動零件,一般用以追蹤液體或氣體。同樣道理,流量感測器可以是體積流量感測或質量流量感測器系統。 氣體流量感測器使用的是質量流量型系統。

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