【導(dǎo)讀】換能器是將一種能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量的裝置。它們可以用作電路的輸出或輸入。傳感器是一種檢測(cè)和測(cè)量物理量（例如溫度、壓力或光）并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。在所有電子和控制系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器（分別是輸入和輸出設(shè)備）是使系統(tǒng)能夠測(cè)量或改變其周圍環(huán)境的重要部件，具體取決于所使用的設(shè)備。然而，電子電路或系統(tǒng)必須能夠與“現(xiàn)實(shí)世界”連接才能執(zhí)行任何有用的活動(dòng)或功能。
換能器是將一種能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N能量的裝置。它們可以用作電路的輸出或輸入。傳感器是一種檢測(cè)和測(cè)量物理量（例如溫度、壓力或光）并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的設(shè)備。在所有電子和控制系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器（分別是輸入和輸出設(shè)備）是使系統(tǒng)能夠測(cè)量或改變其周圍環(huán)境的重要部件，具體取決于所使用的設(shè)備。然而，電子電路或系統(tǒng)必須能夠與“現(xiàn)實(shí)世界”連接才能執(zhí)行任何有用的活動(dòng)或功能。任務(wù)是否涉及打開輸出設(shè)備以打開單個(gè)燈或從開關(guān)（開/關(guān)）接收輸入信號(hào)。換句話說，傳感器和換能器是電子系統(tǒng)或電路的重要組成部分，必須能夠執(zhí)行任何任務(wù)。在這種情況下，傳感器和執(zhí)行器都被稱為“傳感器”。傳感器可以檢測(cè)多種能量類型，包括熱能、磁能、輻射能、電能和運(yùn)動(dòng)能。然而，執(zhí)行器可以改變輸出電壓、電流或狀態(tài)。模擬和數(shù)字傳感器和變換器種類繁多，有輸入和輸出變體可供選擇。 “感測(cè)”或“控制”的信號(hào)或過程的類型真正決定了所采用的輸入或輸出傳感器的類型。可以將一種物理量轉(zhuǎn)換為另一種物理量的設(shè)備稱為傳感器。執(zhí)行“輸入”功能的設(shè)備通常被稱為傳感器，因?yàn)樗鼈兛梢浴案兄蔽锢硖匦缘淖兓瑥亩淖兯鼈儗?duì)外部刺激的反應(yīng)。例如，熱或力可以轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。執(zhí)行器通常被定義為執(zhí)行“輸出”功能并可用于調(diào)節(jié)外部動(dòng)作的設(shè)備。例如，聲音或動(dòng)作。因此，利用電換能器將一種類型的能量轉(zhuǎn)換為另一種類型的能量。揚(yáng)聲器（輸出設(shè)備）將電信號(hào)轉(zhuǎn)換回聲波，麥克風(fēng)（輸入設(shè)備）將歌手的聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，供放大器放大（一個(gè)過程）。下面給出了這種基本輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)的圖示。
簡(jiǎn)單的輸入/輸出系統(tǒng)
圖 1：使用聲音傳感器的簡(jiǎn)單輸入/輸出系統(tǒng)
電子行業(yè)提供各種各樣的傳感器和變換器，它們通常根據(jù)所需的測(cè)量（即物理、化學(xué)或生物）進(jìn)行分類。因此，被測(cè)量或控制的量真正決定了所使用的傳感器；主要流行品種如下表所示：
常見傳感器和轉(zhuǎn)換器
表 1：傳感器和轉(zhuǎn)換器
輸入型傳感器或傳感器的輸出響應(yīng)是與被測(cè)量量（刺激）的變化成比例的電壓或信號(hào)。所使用的傳感器的類型決定了輸出信號(hào)的類型或幅度。然而，一般來說，傳感器可以分為兩類：無源傳感器和有源傳感器。有源傳感器通常需要外部電源才能發(fā)揮作用；該電源稱為激勵(lì)信號(hào)，傳感器用它來生成輸出信號(hào)。當(dāng)發(fā)生外部影響時(shí)，有源傳感器會(huì)改變其特性以提供輸出信號(hào)。例如，輸出電流為4～20mA DC，或者輸出電壓為1～10V DC。此外，有源傳感器由于其電源需求而可以產(chǎn)生信號(hào)放大。LVDT 傳感器或應(yīng)變儀是有源傳感器的示例。外部偏置（激勵(lì)信號(hào)）應(yīng)變計(jì)是一種壓敏電阻橋網(wǎng)絡(luò)，可生成與施加到傳感器的機(jī)械力和/或應(yīng)變成比例的輸出電壓。無源傳感器不像有源傳感器那樣需要額外的電源或激勵(lì)電壓。相反，無源傳感器通過產(chǎn)生輸出信號(hào)來響應(yīng)外部刺激。例如，熱電偶在加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓輸出。無源傳感器是直接傳感器，可以改變電感、電容或電阻等物理特性。與模擬傳感器相比，數(shù)字傳感器生成表示二進(jìn)制數(shù)或數(shù)字的離散輸出，例如邏輯電平“0”或“1”。
模擬和數(shù)字傳感器和轉(zhuǎn)換器
模擬傳感器
模擬傳感器產(chǎn)生通常與被測(cè)量量成比例的連續(xù)輸出信號(hào)或電壓。由于溫度、速度、壓力、位移、應(yīng)變等物理量具有連續(xù)性，因此它們都是相似的。例如，當(dāng)液體加熱或冷卻時(shí)，溫度計(jì)或熱電偶不斷對(duì)溫度變化做出反應(yīng)，可用于測(cè)量液體的溫度。
圖 2：用于產(chǎn)生模擬信號(hào)的熱電偶
但是，請(qǐng)記住，水銀溫度計(jì)利用熱膨脹來改變水銀的體積以響應(yīng)溫度變化；這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生機(jī)械或可見的位移，而不是電信號(hào)。模擬傳感器的輸出信號(hào)通常會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸平滑地變化。由于這些信號(hào)的值通常在幾微伏 (uV) 和幾毫伏 (mV) 之間，因此需要某種放大。模擬信號(hào)測(cè)量電路通常響應(yīng)緩慢和/或不準(zhǔn)確。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可以輕松地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便在微控制器系統(tǒng)中使用。
數(shù)字傳感器
顧名思義，數(shù)字傳感器生成離散的數(shù)字輸出信號(hào)或電壓，反映數(shù)字測(cè)量的數(shù)量。數(shù)字傳感器的二進(jìn)制輸出信號(hào)要么是邏輯“1”，要么是邏輯“0”，要么是“ON”或“OFF”。因此，數(shù)字信號(hào)僅生成離散（非連續(xù)）值，這些值可以通過組合比特而產(chǎn)生為單個(gè)“位”（串行傳輸）或單個(gè)“字節(jié)”（并行傳輸）。
圖 3：用于產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的光傳感器
在上面的基本示例中，數(shù)字 LED/光電檢測(cè)器傳感器用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的速度。圓盤的設(shè)計(jì)中有幾個(gè)透明的孔，連接到旋轉(zhuǎn)軸（例如電機(jī)或機(jī)器人輪）。當(dāng)圓盤與軸的速度一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)過傳感器的每個(gè)槽依次生成代表邏輯“1”或邏輯“0”電平的輸出脈沖。為了顯示軸的速度或旋轉(zhuǎn)，這些脈沖首先被發(fā)送到計(jì)數(shù)器寄存器，然后發(fā)送到輸出顯示器。通過擴(kuò)大圓盤的槽或“窗口”，軸每轉(zhuǎn)一圈都可以產(chǎn)生更多的輸出脈沖。這樣做的好處是可以檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)的一小部分，從而提高分辨率和準(zhǔn)確性。以盤孔之一作為參考位置，這種傳感器組合可能用于定位控制。數(shù)字信號(hào)或數(shù)量可以以非常高的時(shí)鐘速度進(jìn)行監(jiān)控和“采樣”，并且與模擬信號(hào)相比具有極高的精度。用于表示測(cè)量量的位數(shù)決定了數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確度。例如，8 位處理器的準(zhǔn)確度為 0.390%（256 分之一）。另一方面，16 位處理器提供 0.0015% 的精度（65,536 分之一），即 260 倍的精度。由于數(shù)字值的處理和修改速度比模擬信號(hào)快數(shù)百萬倍，因此可以保持這種精度。為了提供適合測(cè)量或使用的電信號(hào)，傳感器（更具體地說是模擬傳感器）除了某種額外的信號(hào)放大或?yàn)V波之外，通常還需要外部電源。如前所述，運(yùn)算放大器是在單個(gè)電路中進(jìn)行放大和濾波的非常好的方法。
傳感器和轉(zhuǎn)換器的信號(hào)調(diào)理
正如運(yùn)算放大器課程中所演示的，運(yùn)算放大器可以以同相或反相布置方式連接，以提供信號(hào)放大。基本運(yùn)算放大器電路可以大大增加傳感器生成的非常小的模擬信號(hào)電壓（例如幾毫伏甚至皮伏），以創(chuàng)建更大的電壓信號(hào)，例如 5v 或 5mA，然后可以將其用作輸入信號(hào)發(fā)送至微處理器或模數(shù)系統(tǒng)。因此，必須使用電壓增益高達(dá) 10,000 和電流增益高達(dá) 1,000,000 的放大器來放大傳感器的輸出信號(hào)，以產(chǎn)生有用的信號(hào)。放大過程必須是線性的，并且輸出信號(hào)必須是輸入信號(hào)的再現(xiàn)，但幅度發(fā)生變化。然后，信號(hào)調(diào)節(jié)包括放大。因此，在模擬傳感器使用信號(hào)之前，通常需要進(jìn)行某種放大（增益）、阻抗匹配、輸入和輸出之間的隔離，或者可能進(jìn)行濾波（頻率選擇）。運(yùn)算放大器是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的實(shí)用方法。此外，當(dāng)感測(cè)到極小的物理變化時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)可能會(huì)受到不需要的信號(hào)或電壓的“污染”，從而無法準(zhǔn)確測(cè)量所需的信號(hào)。 “噪音”是這些不受歡迎的沖動(dòng)的術(shù)語。正如我們?cè)谟性礊V波器課程中介紹的那樣，信號(hào)調(diào)節(jié)或?yàn)V波技術(shù)可以顯著減少甚至消除這種噪聲或干擾。通過采用低通、高通甚至帶通濾波器，可以降低噪聲的“帶寬”，僅留下所需的輸出信號(hào)。例如，可以使用低通濾波器，因?yàn)樵S多輸入類型（如開關(guān)、鍵盤或手動(dòng)控制器）無法快速改變狀態(tài)。當(dāng)干擾發(fā)生在特定頻率（例如電源頻率）時(shí)，窄帶抑制濾波器或陷波濾波器可用于創(chuàng)建選頻濾波器。
典型運(yùn)算放大器濾波器
圖 4：低通有源濾波器
圖 5：高通有源濾波器
如果濾波后仍然存在一些隨機(jī)噪聲，則可能需要采取許多樣本并對(duì)它們進(jìn)行平均以提供終結(jié)果，從而提高信噪比。無論如何，放大和濾波對(duì)于將傳感器和換能器連接到“現(xiàn)實(shí)世界”環(huán)境中的電子設(shè)備和基于微處理器的系統(tǒng)至關(guān)重要。位置傳感器用于監(jiān)視物理對(duì)象的位置和/或位移（即從一個(gè)位置到另一個(gè)位置一定距離或角度的移動(dòng)），將在下一傳感器課程中介紹。
結(jié)論
傳感器將一種類型的能量轉(zhuǎn)換為另一種類型的能量，分為輸入（傳感器）或輸出（執(zhí)行器）設(shè)備。傳感器檢測(cè)和測(cè)量溫度或壓力等物理特性，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而執(zhí)行器則調(diào)節(jié)外部動(dòng)作。傳感器和換能器分為模擬或數(shù)字、有源或無源。模擬設(shè)備產(chǎn)生連續(xù)信號(hào)，而數(shù)字設(shè)備產(chǎn)生離散信號(hào)。有源傳感器需要外部電源，而無源傳感器則根據(jù)外部刺激生成信號(hào)。放大和濾波對(duì)于處理傳感器輸出至關(guān)重要。運(yùn)算放大器通常用于增強(qiáng)小模擬信號(hào)并濾除噪聲，確保測(cè)量和與數(shù)字系統(tǒng)的兼容性。應(yīng)用包括將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的麥克風(fēng)和執(zhí)行相反過程的揚(yáng)聲器。熱電偶和應(yīng)變儀等傳感器在測(cè)量物理特性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制方面展示了實(shí)際用途。數(shù)字傳感器提供更高的精度和分辨率，具有適合微處理器的離散二進(jìn)制輸出。模擬傳感器雖然是連續(xù)的，但需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行處理。這兩種類型在電子和控制系統(tǒng)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
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