传感器和换能器

换能器是将一种能量转换为另一种能量的设备，既可以用作电子电路的输入，也可以用作其输出。

传感器和换能器分别是输入和输出设备，是所有电子和控制系统中的关键组件，允许其根据所使用的设备测量或改变其周围环境。

但是，为了使电子电路或系统执行任何有用的任务或功能，它需要能够与“现实世界”进行通信。无论是通过从“开/关”开关读取输入信号，还是通过激活某种形式的输出设备来点亮一盏灯。

换句话说，电子系统或电路必须能够“做”某事，而传感器和换能器是实现这一目标的完美组件。

“换能器”一词是传感器和执行器的统称。传感器可用于感知各种不同的能量形式，如运动、电信号、辐射能、热能或磁能等。而执行器可用于切换输出状态、电压或电流。

有许多不同类型的传感器和换能器，包括模拟和数字类型，既有输入版本也有输出版本可供选择。所使用的输入或输出换能器的类型实际上取决于被“感知”或“控制”的信号或过程的类型。然后我们可以将换能器定义为可以将一种物理量转换为另一种物理量的设备。

执行“输入”功能的设备通常称为传感器，因为它们“感知”某些特性的物理变化，从而改变它们对某种形式的外部激励的响应。例如，热量或力被转换为电信号。执行“输出”功能的设备通常称为执行器，可用于控制某些外部动作。例如，运动或声音。

因此，电换能器用于将一种能量转换为另一种能量。例如，麦克风（输入设备）将歌手的声音波转换为电信号以供放大器放大（一个过程），而扬声器（输出设备）将这些电信号转换回声波。

下面给出了这种简单输入/输出（I/O）系统的示例。

使用声换能器的简单输入/输出系统

声换能器系统

市场上有许多不同类型的传感器和换能器，通常按测量类型分类，即物理、化学或生物。因此，选择使用哪种传感器实际上取决于被测量或控制的量，下表列出了一些常见类型：

常见传感器和换能器

输入型换能器或传感器产生与它们所测量的量（刺激）变化成比例的电压或信号输出响应。输出信号的类型或数量取决于所使用的传感器类型。但一般来说，所有类型的传感器可以分为两种，即无源传感器或有源传感器。

通常，有源传感器需要外部电源来操作，称为激励信号，传感器使用该信号来产生输出信号。有源传感器响应外部效应改变其特性并产生输出信号。例如，1到10V DC的输出电压，或4到20mA DC的输出电流。此外，由于它们的电源需求，有源传感器还可以产生信号放大。

有源传感器的一个很好的例子是LVDT传感器或应变计。应变计是压力敏感的电阻桥网络，外部偏置（激励信号）以产生与施加到传感器上的机械力和/或应变量成比例的输出电压。

与有源传感器不同，无源传感器不需要任何额外的电源或激励电压。相反，无源传感器响应某些外部刺激生成输出信号。例如，热电偶在暴露于热量时生成自己的电压输出。然后无源传感器是直接传感器，它们改变其物理特性，如电阻、电容或电感等。

但除了模拟传感器外，数字传感器还产生表示二进制数或数字的离散输出，例如逻辑电平“0”或逻辑电平“1”。

模拟和数字传感器及换能器

模拟传感器

模拟传感器产生连续输出信号或电压，通常与被测量的量成比例。温度、速度、压力、位移、应变等物理量都是模拟量，因为它们往往是连续的。

例如，液体的温度可以使用温度计或热电偶测量，这些设备在液体加热或冷却时连续响应温度变化。

用于产生模拟信号的热电偶

模拟信号传感器和换能器

请注意，水银温度计将通过热膨胀响应温度变化而产生水银体积的变化，其中输出是机械或视觉位移而不是电信号。

模拟传感器往往会产生随时间平滑且连续变化的输出信号。这些信号的值往往非常小，从几微伏（uV）到几毫伏（mV），因此需要某种形式的放大。

然后测量模拟信号的电路通常响应较慢和/或精度较低。此外，通过使用模数转换器（ADC），模拟信号可以轻松转换为数字信号，用于微控制器系统。

数字传感器

顾名思义，数字传感器产生离散的数字输出信号或电压，这些信号是被测量的量的数字表示。数字传感器以逻辑“1”或逻辑“0”（“开”或“关”）的形式产生二进制输出信号。这意味着数字信号仅产生离散（非连续）值，可以作为单个“位”（串行传输）输出，或通过组合位产生单个“字节”输出（并行传输）。

用于产生数字信号的光传感器

数字信号传感器和换能器

在我们上面的简单示例中，旋转轴的速度通过使用数字LED/光电探测器传感器测量。固定在旋转轴（例如，电机或机器人轮子）上的圆盘在其设计中具有多个透明槽。当圆盘随轴的速度旋转时，每个槽依次通过传感器，产生表示逻辑“1”或逻辑“0”电平的输出脉冲。

这些脉冲被发送到计数器寄存器，最后发送到输出显示器以显示轴的速度或转数。通过增加圆盘中的槽或“窗口”数量，可以为轴的每转产生更多的输出脉冲。这样做的优点是实现了更高的分辨率和精度，因为可以检测到轴的几分之一转。然后这种类型的传感器布置也可以用于位置控制，其中一个圆盘槽代表参考位置。

与模拟信号相比，数字信号或量具有非常高的精度，并且可以以非常高的时钟速度进行测量和“采样”。数字信号的精度与用于表示被测量的量的位数成正比。例如，使用8位处理器将产生0.390%的精度（1/256）。而使用16位处理器则提供0.0015%的精度（1/65,536）或260倍的精度。这种精度可以保持，因为数字量的处理和操作非常迅速，比模拟信号快数百万倍。

在大多数情况下，传感器，特别是模拟传感器通常需要外部电源和某种形式的信号放大或滤波，以产生能够被测量或使用的合适电信号。实现放大和滤波的一种非常好的方法是在单个电路中使用运算放大器，如前所述。

传感器和换能器的信号调理

正如我们在运算放大器教程中看到的，运算放大器可以用于在反相或非反相配置中提供信号放大。

由传感器产生的非常小的模拟信号电压，如几毫伏甚至皮伏，可以通过简单的运算放大器电路放大许多倍，以产生更大的电压信号，例如5V或5mA，然后可以用作微处理器或基于模数转换系统的输入信号。

因此，为了提供任何有用的信号，传感器的输出信号必须通过具有高达10,000的电压增益和高达1,000,000的电流增益的放大器进行放大，信号的放大是线性的，输出信号是输入的精确再现，只是幅度发生了变化。

然后放大是信号调理的一部分。因此，在使用模拟传感器时，通常需要某种形式的放大（增益）、阻抗匹配、输入和输出之间的隔离或滤波（频率选择），然后才能使用信号，这可以通过运算放大器方便地执行。

此外，当测量非常小的物理变化时，传感器的输出信号可能会被不需要的信号或电压“污染”，从而无法正确测量所需的实际信号。这些不需要的信号称为“噪声”。通过使用信号调理或滤波技术，可以大大减少甚至消除这种噪声或干扰，正如我们在有源滤波器教程中讨论的那样。

通过使用低通、高通或甚至带通滤波器，可以减少噪声的“带宽”，只留下所需的输出信号。例如，来自开关、键盘或手动控制的许多类型的输入无法快速改变状态，因此可以使用低通滤波器。当干扰处于特定频率时，例如主频率，可以使用窄带抑制或陷波滤波器来产生频率选择性滤波器。

典型的运算放大器滤波器

传感器和换能器滤波器

如果在滤波后仍然存在一些随机噪声，则可能需要采集多个样本，然后对其进行平均以给出最终值，从而提高信噪比。无论哪种方式，放大和滤波在将传感器和换能器与微处理器和基于电子系统的“现实世界”条件接口中都起着重要作用。

在下一个关于传感器的教程中，我们将讨论位置传感器，这些传感器测量物理对象的位置和/或位移，即从一位置到另一位置的移动，用于特定距离或角度。