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传感器是记录物理、化学或电气量并将其转换为可用电信号的技术装置。

该信号随后可由控制系统、显示装置或数据采集系统进行处理。因此，传感器是现代测量和自动化技术的核心，因为它们在现实世界和数字世界之间建立了联系。

下面将概述传感器的基本原理和工作模式、不同类型及其测量变量、信号类型和接口，以及其用途和对现代设计的要求：

传感器的基本原理和工作模式：

传感器的功能包括三个基本步骤：

1. 获取测量变量：
   这是由与被测变量发生物理相互作用的传感器元件完成的，例如通过变形、温度变化、磁场或光吸收。
2. 转换为电信号：
   将测量变量转换为电子变量，如电压、电流、频率。
3. 信号处理：
   对原始信号进行放大、滤波、线性化或数字化处理，使其可用于下游系统。

转换原理的类型（机械、光学、压电、磁性、化学等）取决于相应的测量变量。

传感器及其测量值的类型：

传感器的专业性很强，可根据各自的测量对象进行细分：

1. 机械量：
   a.压力传感器：测量液体和气体的静态或动态压力，通常使用压阻或电容元件。
   b.力传感器：将机械力转换为电信号，通常使用应变计。
   c.位移和距离传感器：利用光学、电感、电容或超声波方法确定位置。
   d.扭矩传感器：通常使用应变计或磁性方法测量轴的扭转。
2. 热变量
   a.温度传感器：包括热电偶、电阻温度计、半导体温度传感器或红外线传感器。
   b.热流传感器：通常利用热电原理确定通过材料层的热流。
3. 电量和磁量
   a.电流和电压传感器：测量电源、电路或系统中的电气量。
   b.磁场传感器：利用霍尔效应或磁阻原理测量磁场强度。
4. 化学和物理化学量
   a.气体传感器：利用电化学、光学或半导体方法检测某些气体（如氧气、一氧化碳、氨）的浓度。
   b. pH 传感器和电导率传感器：用于过程和环境测量技术，以确定液体的化学特性。
   c.湿度传感器：测量空气或材料中的相对湿度或绝对湿度。

传感器的信号类型和接口：

大多数现代传感器都提供标准化的输出信号：

1. 模拟信号：通常为 4-20 mA 或 0-10 V，适用于简单的传输路径。
2. 数字接口：如 I²C、SPI、CAN、Modbus 或 IO-Link，适用于具有附加功能的智能传感器。
3. 现场总线系统：如工业自动化领域的 Profibus、EtherCAT 或 Profinet。

根据不同的应用，传感器可能已经进行了内部校准、温度补偿和自诊断。

使用传感器：

传感器几乎可用于所有技术领域。最重要的应用领域包括

1.自动化技术：
在工业生产设备中，传感器持续监测压力、温度、位置、速度、流量和其他过程变量。
这些信号用于调节、控制和安全。

2.能源技术：
传感器记录配电系统、变电站和变压器中的电流、电压、频率、功率或绝缘值等参数。

3.汽车工程：
传感器是车辆动态控制、安全气囊、发动机控制、废气测量或电池管理系统的基本设备。

4.医疗技术：
生物兼容传感器用于测量血压、体温、葡萄糖水平或呼吸气体等重要参数。

5.建筑技术：
在供暖、空调和通风系统中，传感器测量温度、湿度、CO₂含量和光照强度，以控制舒适度和能源效率。

6.环境测量技术：
专用传感器用于记录天气数据、空气质量、水分析或排放物。

对现代传感器的要求：

• 准确性和可重复性：在质量保证或控制技术中尤为重要。
• 长期稳定性：对于多年连续测量非常重要，例如在能源系统或环境站中。
• 快速响应时间：尤其适用于动态过程（如爆炸检测或冲击测量）。
• 坚固耐用：防尘、防水、防震、防化学影响和防温。
• 可校准性：测量值可追溯至国家标准。

传感器是几乎所有技术、工业和科学应用中不可或缺的部件。它们的主要任务是精确记录实际变量并将其转换为可用信号。现有的各种技术可以精确地适应各种测量任务。随着智能传感器（智能传感器）的出现以及与数字系统的集成，传感器正日益成为工业 4.0 和物联网（IoT）时代的关键部件。

以下是购买传感器时最重要的注意事项概述。

购买用于记录机械、热、电或化学物理变量的传感器时，需要全面考虑技术、特定应用和经济标准。这不仅关系到单纯的测量功能，还关系到精度、坚固性、集成度、校准和系统兼容性之间的相互影响。

• 第一步是准确定义需要测量的物理量以及测量条件：
• 机械变量：力、压力、扭矩、重量
• 热变量：温度、热流
• 电气量：电压、电流、电阻、容量
• 化学物理变量：pH 值、电导率、浓度、湿度
• 每种变量都需要不同的传感器技术，因此在设计、信号处理和材料方面也有不同的要求。
• 选择正确的测量原理对于记录所需的测量值至关重要：
• 应变计（DMS）：用于力和压力等机械变量
• 热电偶或热电阻（Pt100）：用于温度测量
• 霍尔效应或感应方法：用于电气和磁性变量
• 离子选择电极或光化学传感器：用于化学物理测量变量
• 测量原理的选择决定了灵敏度、稳健性和信号处理。
• 传感器的选择必须与预期的测量范围相匹配，既不能太大（损失分辨率），也不能太小（有过载的危险）。
• 同时，还必须检查所需的分辨率和精度，这取决于是用于粗略的过程监控还是高精度的实验室应用。
• 尤其重要的是，传感器必须在机械方面与安装条件相匹配：
• 尺寸和几何形状：必须能够集成到现有系统中
• 安装位置：水平、垂直、旋转对称
• 安装选项：法兰、螺钉安装、插入式系统
• 电缆布线和连接器类型：必须与现场布线相匹配
• 根据使用环境，传感器必须特别坚固耐用：
• 耐腐蚀：例如，用于化学过程或户外
• 耐温性：适用于高温应用或低温环境
• 密封性（IP 防护等级）：例如 IP67 或更高，用于防潮或防尘
• 机械负载能力：振动、冲击、压力脉冲
• 传感器必须适合现有的评估技术和自动化环境：
• 模拟信号：例如 mV/V、0-10 V、4-20 mA
• 数字接口：例如 CANopen、Modbus、EtherCAT、IO-Link
• 与控制系统和数据记录器兼容
• EMC 保护和抗干扰能力：在电气或工业环境中尤为重要
• 只有经过校准的传感器才能提供可靠的测量值，因此带测试报告的工厂校准是最低要求。
• DAkkS 标定或同等标准可满足最高要求，例如 ISO 9001、汽车、制药行业的 QS 标准。
• 与国家标准的溯源性保证了可比性。应根据使用强度确定重新校准周期。
• 传感器必须长年保持稳定测量：
• 因此，零点和传感器漂移应作为温度、老化和机械应力的函数进行评估。
• 应考虑恒定负载下的蠕变行为。尤其是机械变量。
• 符合性至关重要，尤其是在工业或与安全相关的环境中：
• CE 标志和特定产品的欧盟指令。
• ATEX 认证，适用于潜在爆炸性环境。
• 符合 RoHS 和 REACH 法规。
• 特定行业要求，如 GMP（制药）、HACCP（食品）、SIL（加工工业）。
• 传感器的质量与制造商的经验、参考资料、技术支持和应用建议密切相关。
• 起决定性作用的不仅仅是单价，还有整体成本效益。

明确的应用、正确测量原理的选择、测量链的适当整合以及经验丰富的制造商的支持尤为重要。只有这样，才能建立一个永久精确、稳定和维护成本低的测量系统，无论它测量的是机械力、温度、电气变量还是化学物理参数。

传感器可以从不同的供应商处获得。您可以在exportpages 网站上找到有关全球传感器制造商和供应商的全面信息。