物联网技术基础：传感器技术原理

1. 电阻式应变传感器

原理

• 应变效应：金属或半导体材料受外力作用产生形变时，电阻值随形变程度变化。金属应变片通过形变改变导体截面积和长度，半导体应变片利用压阻效应（电阻率变化）。
• 信号转换：弹性敏感元件将外力转换为形变，电阻应变计将形变转换为电阻变化，通过电桥电路（如全桥电路）转换为电压信号。

结构

• 组成：弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻、外壳。
• 材料：金属应变片（康铜、铂铱合金）、半导体应变片（硅、锗）。

应用

• 典型场景：测力、压力、位移、加速度测量，广泛用于工业自动化、结构健康监测（如桥梁应变检测）。
• 案例：应变式加速度计通过惯性质量块受力产生应变，输出与加速度成比例的电信号。

优缺点

• 优点：精度高（±0.1% FS）、寿命长、频响好（0~100kHz）。
• 缺点：大应变下非线性明显，需温度补偿，易受电磁干扰。

2. 电感式传感器（LVDT）

原理

• 电磁感应：初级线圈通交流电产生磁场，铁芯位移改变次级线圈磁通量，输出差动电压信号。
• 线性关系：输出电压与铁芯位移成正比，线性度可达0.1% FS。

结构

• 组成：初级线圈、两个次级线圈、可移动铁芯、骨架（绝缘材料如聚甲醛）。
• 类型：气隙型、螺管型（LVDT为螺管型典型）。

应用

• 典型场景：高精度位移测量（如机床位置控制、航空航天舵面位移）。
• 案例：LVDT用于医疗设备（如手术机器人）实现微米级位移控制。

优缺点

• 优点：分辨率高（0.1μm）、抗干扰强、寿命长（无接触摩擦）。
• 缺点：成本高，需交流激励电源，体积较大。

3. 电容式传感器

原理

• 电容变化：极板间距、面积或介质变化导致电容值改变，通过检测电路（如谐振、充放电）转换为电信号。
• 典型结构：变极距型（测微位移）、变面积型（测液位）、变介质型（测材料成分）。

结构

• 组成：极板、介质、保护层、检测电路（如C/V转换器）。
• 材料：极板（金属薄膜）、介质（空气、陶瓷、聚合物）。

应用

• 典型场景：液位测量（如化工储罐）、压力检测（如汽车胎压）、指纹识别（变面积型电容阵列）。
• 案例：电容式液位传感器通过介质变化（空气→液体）检测油罐液位。

优缺点

• 优点：灵敏度高（分辨率达10⁻⁶级）、动态响应快（MHz级）。
• 缺点：易受环境干扰（温度、湿度、寄生电容），需屏蔽措施。

4. 压电式传感器

原理

• 压电效应：机械力使压电材料（石英、压电陶瓷）产生电荷，正压电效应（力→电）用于测量，逆压电效应（电→力）用于驱动。
• 等效电路：压电元件等效为电荷源与电容并联，需高输入阻抗前置放大器（电压放大器或电荷放大器）。

结构

• 组成：压电材料、电极、保护层、预载结构（确保接触）。
• 材料：天然压电晶体（石英）、人工压电陶瓷（PZT）。

应用

• 典型场景：动态力测量（如冲击力）、振动监测（如电机轴承故障诊断）、声学（麦克风、超声换能器）。
• 案例：压电式加速度计用于汽车碰撞安全测试，输出与加速度成比例的电荷信号。

优缺点

• 优点：体积小、频响宽（0.1Hz~100kHz）、抗过载能力强。
• 缺点：静态测量需电荷保持电路，温度敏感（需温度补偿）。

5. 磁电感应式传感器

原理

• 电磁感应：导体切割磁感线或磁通变化产生感应电动势，电动势与速度或角速度成正比（E = Blv）。
• 类型：动圈式（线圈运动）、动铁式（永磁体运动）。

结构

• 组成：线圈、磁钢、弹簧、壳体。
• 案例：磁电式转速传感器通过齿轮齿顶切割磁感线产生脉冲信号。

应用

• 典型场景：转速测量（如发动机曲轴）、振动监测（如风机叶片振动）、扭矩测量（结合应变计）。
• 案例：磁电式振动传感器用于桥梁健康监测，输出与振动速度成比例的电压信号。

优缺点

• 优点：无需电源、输出信号大（mV级）、抗干扰强。
• 缺点：仅适用于动态测量，低频响应差（<10Hz）。

6. 其他类型传感器

光电式传感器

• 原理：光信号变化（强度、通断）转换为电信号，基于光电效应（如光敏电阻、光电二极管）。
• 特点：非接触、响应快（μs级）、检测距离广（mm~km）。
• 应用：自动门（红外传感器）、颜色识别（色标传感器）、光纤通信（光电探测器）。

热电式传感器

• 原理：热电效应（塞贝克效应），两种金属接头温度差产生电势。
• 类型：热电偶（测温范围-200℃~1800℃）、热电阻（铂电阻，精度±0.1℃）。
• 应用：工业炉温控制、医疗体温监测、环境温度补偿。

超声波传感器

• 原理：超声波发射与反射回波时间差测距（d = vt/2）。
• 特点：非接触、高精度（mm级）、适应恶劣环境（腐蚀、高温）。
• 应用：液位测量（如油罐）、障碍物检测（自动驾驶）、医学成像（B超）。

总结：传感器选型关键因素

因素	电阻式应变	电感式（LVDT）	电容式	压电式
测量类型	静态/动态力、位移	线性位移	液位、压力、位移	动态力、振动
精度	高（±0.1% FS）	极高（±0.01% FS）	中（±0.5% FS）	中（±1% FS）
环境适应性	需温度补偿	抗干扰强	易受寄生电容影响	温度敏感
成本	低	高	中	中
典型场景	结构健康监测	航空航天位移控制	化工液位检测	汽车碰撞测试

结论：传感器技术原理多样，选择需结合测量对象（力、位移、温度等）、环境条件（温度、湿度、电磁干扰）、精度要求及成本预算。电阻式、电感式、电容式适用于静态与动态测量；压电式、磁电式专注动态场景；光电、热电、超声波则在非接触检测、温度测量等细分领域具有不可替代性。