【導讀】換能器是將一種能量轉變?yōu)榱硪环N能量的裝置。它們可以用作電路的輸出或輸入。傳感器是一種檢測和測量物理量（例如溫度、壓力或光）并將其轉換為電信號的設備。在所有電子和控制系統中，傳感器和轉換器（分別是輸入和輸出設備）是使系統能夠測量或改變其周?chē)h(huán)境的重要部件，具體取決于所使用的設備。然而，電子電路或系統必須能夠與“現實(shí)世界”連接才能執行任何有用的活動(dòng)或功能。
換能器是將一種能量轉變?yōu)榱硪环N能量的裝置。它們可以用作電路的輸出或輸入。傳感器是一種檢測和測量物理量（例如溫度、壓力或光）并將其轉換為電信號的設備。在所有電子和控制系統中，傳感器和轉換器（分別是輸入和輸出設備）是使系統能夠測量或改變其周?chē)h(huán)境的重要部件，具體取決于所使用的設備。然而，電子電路或系統必須能夠與“現實(shí)世界”連接才能執行任何有用的活動(dòng)或功能。任務(wù)是否涉及打開(kāi)輸出設備以打開(kāi)單個(gè)燈或從開(kāi)關(guān)（開(kāi)/關(guān)）接收輸入信號。換句話(huà)說(shuō)，傳感器和換能器是電子系統或電路的重要組成部分，必須能夠執行任何任務(wù)。在這種情況下，傳感器和執行器都被稱(chēng)為“傳感器”。傳感器可以檢測多種能量類(lèi)型，包括熱能、磁能、輻射能、電能和運動(dòng)能。然而，執行器可以改變輸出電壓、電流或狀態(tài)。模擬和數字傳感器和變換器種類(lèi)繁多，有輸入和輸出變體可供選擇。 “感測”或“控制”的信號或過(guò)程的類(lèi)型真正決定了所采用的輸入或輸出傳感器的類(lèi)型?？梢詫⒁环N物理量轉換為另一種物理量的設備稱(chēng)為傳感器。執行“輸入”功能的設備通常被稱(chēng)為傳感器，因為它們可以“感知”物理特性的變化，從而改變它們對外部刺激的反應。例如，熱或力可以轉換成電信號。執行器通常被定義為執行“輸出”功能并可用于調節外部動(dòng)作的設備。例如，聲音或動(dòng)作。因此，利用電換能器將一種類(lèi)型的能量轉換為另一種類(lèi)型的能量。揚聲器（輸出設備）將電信號轉換回聲波，麥克風(fēng)（輸入設備）將歌手的聲波轉換為電信號，供放大器放大（一個(gè)過(guò)程）。下面給出了這種基本輸入/輸出（I/O）系統的圖示。
簡(jiǎn)單的輸入/輸出系統
圖 1：使用聲音傳感器的簡(jiǎn)單輸入/輸出系統
電子行業(yè)提供各種各樣的傳感器和變換器，它們通常根據所需的測量（即物理、化學(xué)或生物）進(jìn)行分類(lèi)。因此，被測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(jiàn)傳感器和轉換器
表 1：傳感器和轉換器
輸入型傳感器或傳感器的輸出響應是與被測量量（刺激）的變化成比例的電壓或信號。所使用的傳感器的類(lèi)型決定了輸出信號的類(lèi)型或幅度。然而，一般來(lái)說(shuō)，傳感器可以分為兩類(lèi)：無(wú)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(chēng)為激勵信號，傳感器用它來(lái)生成輸出信號。當發(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。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)生信號放大。LVDT 傳感器或應變儀是有源傳感器的示例。外部偏置（激勵信號）應變計是一種壓敏電阻橋網(wǎng)絡(luò )，可生成與施加到傳感器的機械力和/或應變成比例的輸出電壓。無(wú)源傳感器不像有源傳感器那樣需要額外的電源或激勵電壓。相反，無(wú)源傳感器通過(guò)產(chǎn)生輸出信號來(lái)響應外部刺激。例如，熱電偶在加熱時(shí)會(huì )產(chǎn)生電壓輸出。無(wú)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，數字傳感器生成表示二進(jìn)制數或數字的離散輸出，例如邏輯電平“0”或“1”。
模擬和數字傳感器和轉換器
模擬傳感器
模擬傳感器產(chǎn)生通常與被測量量成比例的連續輸出信號或電壓。由于溫度、速度、壓力、位移、應變等物理量具有連續性，因此它們都是相似的。例如，當液體加熱或冷卻時(shí)，溫度計或熱電偶不斷對溫度變化做出反應，可用于測量液體的溫度。
圖 2：用于產(chǎn)生模擬信號的熱電偶
但是，請記住，水銀溫度計利用熱膨脹來(lái)改變水銀的體積以響應溫度變化；這個(gè)過(guò)程會(huì )產(chǎn)生機械或可見(jiàn)的位移，而不是電信號。模擬傳感器的輸出信號通常會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸平滑地變化。由于這些信號的值通常在幾微伏 (uV) 和幾毫伏 (mV) 之間，因此需要某種放大。模擬信號測量電路通常響應緩慢和/或不準確。此外，模數轉換器 (ADC) 可以輕松地將模擬信號轉換為數字信號，以便在微控制器系統中使用。
數字傳感器
顧名思義，數字傳感器生成離散的數字輸出信號或電壓，反映數字測量的數量。數字傳感器的二進(jìn)制輸出信號要么是邏輯“1”，要么是邏輯“0”，要么是“ON”或“OFF”。因此，數字信號僅生成離散（非連續）值，這些值可以通過(guò)組合比特而產(chǎn)生為單個(gè)“位”（串行傳輸）或單個(gè)“字節”（并行傳輸）。
圖 3：用于產(chǎn)生數字信號的光傳感器
在上面的基本示例中，數字 LED/光電檢測器傳感器用于測量旋轉軸的速度。圓盤(pán)的設計中有幾個(gè)透明的孔，連接到旋轉軸（例如電機或機器人輪）。當圓盤(pán)與軸的速度一起旋轉時(shí)，經(jīng)過(guò)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，這些脈沖首先被發(fā)送到計數器寄存器，然后發(fā)送到輸出顯示器。通過(guò)擴大圓盤(pán)的槽或“窗口”，軸每轉一圈都可以產(chǎn)生更多的輸出脈沖。這樣做的好處是可以檢測到旋轉的一小部分，從而提高分辨率和準確性。以盤(pán)孔之一作為參考位置，這種傳感器組合可能用于定位控制。數字信號或數量可以以非常高的時(shí)鐘速度進(jìn)行監控和“采樣”，并且與模擬信號相比具有極高的精度。用于表示測量量的位數決定了數字信號的準確度。例如，8 位處理器的準確度為 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。由于數字值的處理和修改速度比模擬信號快數百萬(wàn)倍，因此可以保持這種精度。為了提供適合測量或使用的電信號，傳感器（更具體地說(shuō)是模擬傳感器）除了某種額外的信號放大或濾波之外，通常還需要外部電源。如前所述，運算放大器是在單個(gè)電路中進(jìn)行放大和濾波的非常好的方法。
傳感器和轉換器的信號調理
正如運算放大器課程中所演示的，運算放大器可以以同相或反相布置方式連接，以提供信號放大?；具\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電壓（例如幾毫伏甚至皮伏），以創(chuàng )建更大的電壓信號，例如 5v 或 5mA，然后可以將其用作輸入信號發(fā)送至微處理器或模數系統。因此，必須使用電壓增益高達 10,000 和電流增益高達 1,000,000 的放大器來(lái)放大傳感器的輸出信號，以產(chǎn)生有用的信號。放大過(guò)程必須是線(xiàn)性的，并且輸出信號必須是輸入信號的再現，但幅度發(fā)生變化。然后，信號調節包括放大。因此，在模擬傳感器使用信號之前，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）。運算放大器是實(shí)現這一目標的實(shí)用方法。此外，當感測到極小的物理變化時(shí)，傳感器的輸出信號可能會(huì )受到不需要的信號或電壓的“污染”，從而無(wú)法準確測量所需的信號。 “噪音”是這些不受歡迎的沖動(dòng)的術(shù)語(yǔ)。正如我們在有源濾波器課程中介紹的那樣，信號調節或濾波技術(shù)可以顯著(zhù)減少甚至消除這種噪聲或干擾。通過(guò)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。例如，可以使用低通濾波器，因為許多輸入類(lèi)型（如開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)或手動(dòng)控制器）無(wú)法快速改變狀態(tài)。當干擾發(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噪聲，則可能需要采取許多樣本并對它們進(jìn)行平均以提供終結果，從而提高信噪比。無(wú)論如何，放大和濾波對于將傳感器和換能器連接到“現實(shí)世界”環(huán)境中的電子設備和基于微處理器的系統至關(guān)重要。位置傳感器用于監視物理對象的位置和/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。
結論
傳感器將一種類(lèi)型的能量轉換為另一種類(lèi)型的能量，分為輸入（傳感器）或輸出（執行器）設備。傳感器檢測和測量溫度或壓力等物理特性，將其轉換為電信號，而執行器則調節外部動(dòng)作。傳感器和換能器分為模擬或數字、有源或無(wú)源。模擬設備產(chǎn)生連續信號，而數字設備產(chǎn)生離散信號。有源傳感器需要外部電源，而無(wú)源傳感器則根據外部刺激生成信號。放大和濾波對于處理傳感器輸出至關(guān)重要。運算放大器通常用于增強小模擬信號并濾除噪聲，確保測量和與數字系統的兼容性。應用包括將聲波轉換為電信號的麥克風(fēng)和執行相反過(guò)程的揚聲器。熱電偶和應變儀等傳感器在測量物理特性和實(shí)現系統控制方面展示了實(shí)際用途。數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的，但需要轉換為數字信號以進(jìn)行處理。這兩種類(lèi)型在電子和控制系統中都發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。
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