【導讀】換能器是將一種能量轉變為另一種能量的裝置。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圍環境的重要部件，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“現實世界”連接才能執行任何有用的活動或功能。
換能器是將一種能量轉變為另一種能量的裝置。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圍環境的重要部件，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“現實世界”連接才能執行任何有用的活動或功能。任務是否涉及打開輸出設備以打開單個燈或從開關（開/關）接收輸入信號。換句話說，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。在這種情況下，傳感器和執行器都被稱為“傳感器”。傳感器可以檢測多種能量類型，包括熱能、磁能、輻射能、電能和運動能。然而，執行器可以改變輸出電壓、電流或狀態。模擬和數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”或“控制”的信號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換為另一種物理量的設備稱為傳感器。執行“輸入”功能的設備通常被稱為傳感器，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作的設備。例如，聲音或動作。因此，利用電換能器將一種類型的能量轉換為另一種類型的能量。揚聲器（輸出設備）將電信號轉換回聲波，麥克風（輸入設備）將歌手的聲波轉換為電信號，供放大器放大（一個過程）。下面給出了這種基本輸入/輸出（I/O）系統的圖示。
簡單的輸入/輸出系統
圖 1：使用聲音傳感器的簡單輸入/輸出系統
電子行業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、化學或生物）進行分類。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型決定了輸出信號的類型或幅度。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揮作用；該電源稱為激勵信號，傳感器用它來生成輸出信號。當發生外部影響時，有源傳感器會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絡，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，無源傳感器通過產生輸出信號來響應外部刺激。例如，熱電偶在加熱時會產生電壓輸出。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，數字傳感器生成表示二進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，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改變水銀的體積以響應溫度變化；這個過程會產生機械或可見的位移，而不是電信號。模擬傳感器的輸出信號通常會隨著時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，這些值可以通過組合比特而產生為單個“位”（串行傳輸）或單個“字節”（并行傳輸）。
圖 3：用于產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。圓盤的設計中有幾個透明的孔，連接到旋轉軸（例如電機或機器人輪）。當圓盤與軸的速度一起旋轉時，經過傳感器的每個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，這些脈沖首先被發送到計數器寄存器，然后發送到輸出顯示器。通過擴大圓盤的槽或“窗口”，軸每轉一圈都可以產生更多的輸出脈沖。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鐘速度進行監控和“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電路中進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。基本運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 的放大器來放大傳感器的輸出信號，以產生有用的信號。放大過程必須是線性的，并且輸出信號必須是輸入信號的再現，但幅度發生變化。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，或者可能進行濾波（頻率選擇）。運算放大器是實現這一目標的實用方法。此外，當感測到極小的物理變化時，傳感器的輸出信號可能會受到不需要的信號或電壓的“污染”，從而無法準確測量所需的信號。 “噪音”是這些不受歡迎的沖動的術語。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。例如，可以使用低通濾波器，因為許多輸入類型（如開關、鍵盤或手動控制器）無法快速改變狀態。當干擾發生在特定頻率（例如電源頻率）時，窄帶抑制濾波器或陷波濾波器可用于創建選頻濾波器。
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行平均以提供終結果，從而提高信噪比。無論如何，放大和濾波對于將傳感器和換能器連接到“現實世界”環境中的電子設備和基于微處理器的系統至關重要。位置傳感器用于監視物理對象的位置和/或位移（即從一個位置到另一個位置一定距離或角度的移動），將在下一傳感器課程中介紹。
結論
傳感器將一種類型的能量轉換為另一種類型的能量，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作。傳感器和換能器分為模擬或數字、有源或無源。模擬設備產生連續信號，而數字設備產生離散信號。有源傳感器需要外部電源，而無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和執行相反過程的揚聲器。熱電偶和應變儀等傳感器在測量物理特性和實現系統控制方面展示了實際用途。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行處理。這兩種類型在電子和控制系統中都發揮著關鍵作用。
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