傳感器和換能器

換能器是將一種能量轉換為另一種能量的設備，既可以用作電子電路的輸入，也可以用作其輸出。

傳感器和換能器分別是輸入和輸出設備，是所有電子和控制系統中的關(guān)鍵組件，允許其根據所使用的設備測量或改變其周?chē)h(huán)境。

但是，為了使電子電路或系統執行任何有用的任務(wù)或功能，它需要能夠與“現實(shí)世界”進(jìn)行通信。無(wú)論是通過(guò)從“開(kāi)/關(guān)”開(kāi)關(guān)讀取輸入信號，還是通過(guò)激活某種形式的輸出設備來(lái)點(diǎn)亮一盞燈。

換句話(huà)說(shuō)，電子系統或電路必須能夠“做”某事，而傳感器和換能器是實(shí)現這一目標的完美組件。

“換能器”一詞是傳感器和執行器的統稱(chēng)。傳感器可用于感知各種不同的能量形式，如運動(dòng)、電信號、輻射能、熱能或磁能等。而執行器可用于切換輸出狀態(tài)、電壓或電流。

有許多不同類(lèi)型的傳感器和換能器，包括模擬和數字類(lèi)型，既有輸入版本也有輸出版本可供選擇。所使用的輸入或輸出換能器的類(lèi)型實(shí)際上取決于被“感知”或“控制”的信號或過(guò)程的類(lèi)型。然后我們可以將換能器定義為可以將一種物理量轉換為另一種物理量的設備。

執行“輸入”功能的設備通常稱(chēng)為傳感器，因為它們“感知”某些特性的物理變化，從而改變它們對某種形式的外部激勵的響應。例如，熱量或力被轉換為電信號。執行“輸出”功能的設備通常稱(chēng)為執行器，可用于控制某些外部動(dòng)作。例如，運動(dòng)或聲音。

因此，電換能器用于將一種能量轉換為另一種能量。例如，麥克風(fēng)（輸入設備）將歌手的聲音波轉換為電信號以供放大器放大（一個(gè)過(guò)程），而揚聲器（輸出設備）將這些電信號轉換回聲波。

下面給出了這種簡(jiǎn)單輸入/輸出（I/O）系統的示例。

使用聲換能器的簡(jiǎn)單輸入/輸出系統

聲換能器系統

市場(chǎng)上有許多不同類(lèi)型的傳感器和換能器，通常按測量類(lèi)型分類(lèi)，即物理、化學(xué)或生物。因此，選擇使用哪種傳感器實(shí)際上取決于被測量或控制的量，下表列出了一些常見(jiàn)類(lèi)型：

常見(jiàn)傳感器和換能器

輸入型換能器或傳感器產(chǎn)生與它們所測量的量（刺激）變化成比例的電壓或信號輸出響應。輸出信號的類(lèi)型或數量取決于所使用的傳感器類(lèi)型。但一般來(lái)說(shuō)，所有類(lèi)型的傳感器可以分為兩種，即無(wú)源傳感器或有源傳感器。

通常，有源傳感器需要外部電源來(lái)操作，稱(chēng)為激勵信號，傳感器使用該信號來(lái)產(chǎn)生輸出信號。有源傳感器響應外部效應改變其特性并產(chǎn)生輸出信號。例如，1到10V DC的輸出電壓，或4到20mA DC的輸出電流。此外，由于它們的電源需求，有源傳感器還可以產(chǎn)生信號放大。

有源傳感器的一個(gè)很好的例子是LVDT傳感器或應變計。應變計是壓力敏感的電阻橋網(wǎng)絡(luò )，外部偏置（激勵信號）以產(chǎn)生與施加到傳感器上的機械力和/或應變量成比例的輸出電壓。

與有源傳感器不同，無(wú)源傳感器不需要任何額外的電源或激勵電壓。相反，無(wú)源傳感器響應某些外部刺激生成輸出信號。例如，熱電偶在暴露于熱量時(shí)生成自己的電壓輸出。然后無(wú)源傳感器是直接傳感器，它們改變其物理特性，如電阻、電容或電感等。

但除了模擬傳感器外，數字傳感器還產(chǎn)生表示二進(jìn)制數或數字的離散輸出，例如邏輯電平“0”或邏輯電平“1”。

模擬和數字傳感器及換能器

模擬傳感器

模擬傳感器產(chǎn)生連續輸出信號或電壓，通常與被測量的量成比例。溫度、速度、壓力、位移、應變等物理量都是模擬量，因為它們往往是連續的。

例如，液體的溫度可以使用溫度計或熱電偶測量，這些設備在液體加熱或冷卻時(shí)連續響應溫度變化。

用于產(chǎn)生模擬信號的熱電偶

模擬信號傳感器和換能器

請注意，水銀溫度計將通過(guò)熱膨脹響應溫度變化而產(chǎn)生水銀體積的變化，其中輸出是機械或視覺(jué)位移而不是電信號。

模擬傳感器往往會(huì )產(chǎn)生隨時(shí)間平滑且連續變化的輸出信號。這些信號的值往往非常小，從幾微伏（uV）到幾毫伏（mV），因此需要某種形式的放大。

然后測量模擬信號的電路通常響應較慢和/或精度較低。此外，通過(guò)使用模數轉換器（ADC），模擬信號可以輕松轉換為數字信號，用于微控制器系統。

數字傳感器

顧名思義，數字傳感器產(chǎn)生離散的數字輸出信號或電壓，這些信號是被測量的量的數字表示。數字傳感器以邏輯“1”或邏輯“0”（“開(kāi)”或“關(guān)”）的形式產(chǎn)生二進(jìn)制輸出信號。這意味著(zhù)數字信號僅產(chǎn)生離散（非連續）值，可以作為單個(gè)“位”（串行傳輸）輸出，或通過(guò)組合位產(chǎn)生單個(gè)“字節”輸出（并行傳輸）。

用于產(chǎn)生數字信號的光傳感器

數字信號傳感器和換能器

在我們上面的簡(jiǎn)單示例中，旋轉軸的速度通過(guò)使用數字LED/光電探測器傳感器測量。固定在旋轉軸（例如，電機或機器人輪子）上的圓盤(pán)在其設計中具有多個(gè)透明槽。當圓盤(pán)隨軸的速度旋轉時(shí)，每個(gè)槽依次通過(guò)傳感器，產(chǎn)生表示邏輯“1”或邏輯“0”電平的輸出脈沖。

這些脈沖被發(fā)送到計數器寄存器，最后發(fā)送到輸出顯示器以顯示軸的速度或轉數。通過(guò)增加圓盤(pán)中的槽或“窗口”數量，可以為軸的每轉產(chǎn)生更多的輸出脈沖。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現了更高的分辨率和精度，因為可以檢測到軸的幾分之一轉。然后這種類(lèi)型的傳感器布置也可以用于位置控制，其中一個(gè)圓盤(pán)槽代表參考位置。

與模擬信號相比，數字信號或量具有非常高的精度，并且可以以非常高的時(shí)鐘速度進(jìn)行測量和“采樣”。數字信號的精度與用于表示被測量的量的位數成正比。例如，使用8位處理器將產(chǎn)生0.390%的精度（1/256）。而使用16位處理器則提供0.0015%的精度（1/65,536）或260倍的精度。這種精度可以保持，因為數字量的處理和操作非常迅速，比模擬信號快數百萬(wàn)倍。

在大多數情況下，傳感器，特別是模擬傳感器通常需要外部電源和某種形式的信號放大或濾波，以產(chǎn)生能夠被測量或使用的合適電信號。實(shí)現放大和濾波的一種非常好的方法是在單個(gè)電路中使用運算放大器，如前所述。

傳感器和換能器的信號調理

正如我們在運算放大器教程中看到的，運算放大器可以用于在反相或非反相配置中提供信號放大。

由傳感器產(chǎn)生的非常小的模擬信號電壓，如幾毫伏甚至皮伏，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的運算放大器電路放大許多倍，以產(chǎn)生更大的電壓信號，例如5V或5mA，然后可以用作微處理器或基于模數轉換系統的輸入信號。

因此，為了提供任何有用的信號，傳感器的輸出信號必須通過(guò)具有高達10,000的電壓增益和高達1,000,000的電流增益的放大器進(jìn)行放大，信號的放大是線(xiàn)性的，輸出信號是輸入的精確再現，只是幅度發(fā)生了變化。

然后放大是信號調理的一部分。因此，在使用模擬傳感器時(shí)，通常需要某種形式的放大（增益）、阻抗匹配、輸入和輸出之間的隔離或濾波（頻率選擇），然后才能使用信號，這可以通過(guò)運算放大器方便地執行。

此外，當測量非常小的物理變化時(shí)，傳感器的輸出信號可能會(huì )被不需要的信號或電壓“污染”，從而無(wú)法正確測量所需的實(shí)際信號。這些不需要的信號稱(chēng)為“噪聲”。通過(guò)使用信號調理或濾波技術(shù)，可以大大減少甚至消除這種噪聲或干擾，正如我們在有源濾波器教程中討論的那樣。

通過(guò)使用低通、高通或甚至帶通濾波器，可以減少噪聲的“帶寬”，只留下所需的輸出信號。例如，來(lái)自開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)或手動(dòng)控制的許多類(lèi)型的輸入無(wú)法快速改變狀態(tài)，因此可以使用低通濾波器。當干擾處于特定頻率時(shí)，例如主頻率，可以使用窄帶抑制或陷波濾波器來(lái)產(chǎn)生頻率選擇性濾波器。

典型的運算放大器濾波器

傳感器和換能器濾波器

如果在濾波后仍然存在一些隨機噪聲，則可能需要采集多個(gè)樣本，然后對其進(jìn)行平均以給出最終值，從而提高信噪比。無(wú)論哪種方式，放大和濾波在將傳感器和換能器與微處理器和基于電子系統的“現實(shí)世界”條件接口中都起著(zhù)重要作用。

在下一個(gè)關(guān)于傳感器的教程中，我們將討論位置傳感器，這些傳感器測量物理對象的位置和/或位移，即從一位置到另一位置的移動(dòng)，用于特定距離或角度。