引入

手机怎么知道屏幕该不该旋转?

电子秤怎么把重量变成数字?

为什么烟雾报警器能在没有明火时就报警?

传感器把一种物理量转换成另一种便于测量的信号(通常是电信号)。它的核心是一个“敏感元件 + 转换电路”,理解了这个结构,各种传感器就不再是零散的知识点。

正文

定义

传感器是能感受被测量(物理量、化学量、生物量),并将其转换成可用输出信号(通常是电信号)的器件或装置。

基本结构

被测量
  ↓
敏感元件(感受)
  ↓
转换元件(变成电信号)
  ↓
信号调理电路(放大、滤波)
  ↓
输出
部件作用例子
敏感元件直接感受被测量热敏电阻、光敏电阻
转换元件输出电学量电阻、电压、电流
调理电路放大和整形电桥、放大器

常见传感器的原理

传感器被测量原理输出
热敏电阻温度电阻随温度变化电阻
光敏电阻光照光照使载流子增多,电阻减小电阻
压敏电阻压力压力改变接触电阻电阻
霍尔元件磁场霍尔效应产生电压电压
电容式传感器位移、压力极板间距变化改变电容电容
应变片形变形变改变电阻电阻
热电偶温度两种金属接点的温差电动势电压
pH 电极酸碱度玻璃膜两侧的电位差电压

电阻式传感器的共性

热敏电阻、光敏电阻、压敏电阻、应变片都是“被测量 → 电阻变化”,所以电路处理方式相似:

电路作用
分压电路把电阻变化转成电压变化
电桥电路提高测量灵敏度和线性度
运算放大器放大微弱信号

分压公式:

电阻变化时,输出电压随之变化,再由 ADC 转成数字量。

霍尔传感器

霍尔元件利用洛伦兹力中的霍尔效应:

霍尔电压与磁感应强度成正比,可用于:

应用说明
测量磁场直接输出霍尔电压
测转速磁铁靠近时产生脉冲
无接触开关检测门、盖是否关闭
电流传感器由电流产生的磁场反推电流

手机翻盖保护套的自动亮屏熄屏,就依赖霍尔传感器检测磁铁。

传感器的性能指标

指标含义
灵敏度单位被测量引起的输出变化
线性度输出与被测量成正比的程
分辨率能分辨的最小变化量
响应时间被测量变化后输出稳定所需时间
迟滞上行和下行测量的差异
漂移长期使用后的零点偏移

简单自动控制装置

传感器加上执行器和控制器,就构成自动控制:

传感器 → 控制器 → 执行器
  ↑                  ↓
  └──── 反馈 ←───────┘

常见例子:

装置传感器执行器
恒温箱热敏电阻加热器
路灯光敏电阻继电器、灯泡
烟雾报警电离式或光电式探测器蜂鸣器
自动门红外或超声波电机

烟雾报警器的原理值得单独说:电离式用微量放射源使空气电离,烟雾进入后改变电离电流;光电式用烟雾散射光线,改变接收光强。两者都是把“有无烟雾”转换成电信号。

常见误区

错误说法问题
“传感器就是测量仪器”传感器只负责转换,不含显示
“传感器输出一定是电压”可以是电阻、电容、频率等
“灵敏度越高越好”过高会放大噪声,需要权衡
“传感器不需要校准”长期使用会有漂移

引出

为什么传感器信号通常要经过放大和滤波?

ADC 的分辨率如何决定测量的精度?

智能手机里集成了哪些传感器?它们分别对应什么物理原理?