傳感器：機(jī)器的“感官”

現(xiàn)今生活中，傳感器的身影無(wú)處不在，從手機(jī)、電視、臺(tái)燈，到鍋爐、電網(wǎng)、醫(yī)療器械……可以說(shuō)，傳感技術(shù)和傳感器是現(xiàn)代設(shè)備中不可缺少的部分。愛(ài)好科創(chuàng)發(fā)明的你，怎能不多多了解這個(gè)神通廣大的家伙——

主持：栗子君

傳感器是什么

傳感器，顧名思義，即“傳遞”“感覺(jué)”的“器具”。在最廣泛的定義中，傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧）等，并將獲得的信息傳遞給其他裝置、器官。

我們知道，生物為了從外界獲取信息，必須借助于感覺(jué)器官。但隨著文明的進(jìn)步，人類自身的感官已不能滿足探索研究和生產(chǎn)活動(dòng)的需要，于是傳感器便應(yīng)運(yùn)而生。從這個(gè)意義上講，傳感器可以看作是人類感官的延伸，也是人類將感覺(jué)賦予機(jī)器設(shè)備的人造裝置。正如中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟描述的那樣：

傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活起來(lái)。

人們喜歡用生物的五大感覺(jué)器官，來(lái)與傳感器相比擬——光傳感器，對(duì)應(yīng)視覺(jué)器官;聲音傳感器，對(duì)應(yīng)聽(tīng)覺(jué)器官;氣體傳感器，對(duì)應(yīng)嗅覺(jué)器官;味傳感器，對(duì)應(yīng)味覺(jué)器官;溫度傳感器、壓力傳感器，對(duì)應(yīng)觸覺(jué)器官?？梢哉f(shuō)是既生動(dòng)又貼切。

在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，傳感器是：

能夠感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

這里所說(shuō)的“可用輸出信號(hào)”，是指便于加工處理、便于傳輸利用的信號(hào)，就目前而言主要是電信號(hào)。所以傳感器也常被稱為“電五官”。

※拓展鏈接※

傳感器在英語(yǔ)中用“transducer”或“sensor”表示，《新韋氏大詞典》將其定義為“從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件”。這兩個(gè)單詞既有聯(lián)系也有區(qū)別，代表了對(duì)傳感器概念的不同理解，有興趣的同學(xué)可做進(jìn)一步了解，從而加深對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)。]

基本構(gòu)造

傳感器一般由四大部分組成，即敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源。

其中敏感元件直接感受被測(cè)的量，然后輸出信號(hào);轉(zhuǎn)換元件將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);變換電路（信號(hào)調(diào)理電路）對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制，最后將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送給其他設(shè)備（通常是計(jì)算機(jī)處理器）;輔助電源則負(fù)責(zé)給轉(zhuǎn)換元件和變換電路供電。

當(dāng)然，并非所有傳感器都必須包括轉(zhuǎn)換元件，如果敏感元件直接輸出電信號(hào)，它就同時(shí)兼為轉(zhuǎn)換元件。

不難看出，敏感元件是傳感器的核心部件。根據(jù)敏感元件的感知功能，傳感器常被分成熱敏、光敏、氣敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、放射敏、色敏和味敏等10大類。有些猛人甚至將敏感元件分出了46類！

※創(chuàng)意鏈接※

敏感元件也可以“兼任”哦。

一般來(lái)說(shuō)，敏感元件是專門設(shè)計(jì)制造的，但別忘了，根據(jù)傳感器的定義，只要能起到探測(cè)、傳回信號(hào)的作用即可，不必拘泥于特定的形式。因此，為了節(jié)省資源、金錢和時(shí)間，有些研究團(tuán)隊(duì)大開(kāi)腦洞，打起了用現(xiàn)有設(shè)施兼任傳感器敏感元件的主意。

比如埋在地下的光纜，其實(shí)能精確分辨出地面上汽車、自行車和行人所產(chǎn)生的不同振動(dòng)，甚至連不同的汽車型號(hào)、車?yán)镒藥讉€(gè)人都能分得清清楚楚。目前，一個(gè)美國(guó)公司正嘗試?yán)脧乃固垢４髮W(xué)校園收集的地底光纜振動(dòng)信息，開(kāi)發(fā)追蹤車輛和行人的新項(xiàng)目。

再如手機(jī)信號(hào)塔，可以兼做濕敏元件，監(jiān)測(cè)天氣濕度。因?yàn)槭謾C(jī)跟附近信號(hào)塔通信所需的時(shí)間，與空氣中的水分含量直接相關(guān)。

傳感器怎樣工作

傳感器種類繁多，所依據(jù)的原理也不盡相同。下面簡(jiǎn)單介紹常用的幾大類傳感器是如何設(shè)計(jì)、如何工作的。（分類標(biāo)準(zhǔn)并不絕對(duì)，許多類別之間會(huì)有交叉。）

◆電阻式傳感器

通過(guò)將被測(cè)量的量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等，轉(zhuǎn)變成電阻值來(lái)工作。總之，只要是與電阻值有穩(wěn)定對(duì)應(yīng)關(guān)系的量，都可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電阻式傳感器，因此這個(gè)大類別應(yīng)用極廣，又可細(xì)分為熱電阻、電阻應(yīng)變式、壓阻式、氣敏、濕敏等具體種類。

熱電阻。我們知道，導(dǎo)體的電阻大小會(huì)隨溫度變化而變化，利用這一特性可以很方便地制成溫度或與溫度相關(guān)的傳感器。熱電阻大多由純金屬制成，溫度越高電阻越大，反之電阻越小。其中用得最多的金屬材料是鉑和銅，此外還有鎳、錳、銠等“新秀”。

電阻應(yīng)變式。導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值相應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。根據(jù)該原理制成的電阻應(yīng)變式傳感器，可測(cè)量應(yīng)變、應(yīng)力、力矩、位移、加速度、扭矩等物理量。傳感器中的電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類。

壓阻式。壓阻效應(yīng)與應(yīng)變效應(yīng)相似，即材料受力時(shí)電阻值會(huì)相應(yīng)變化;不同的是，壓阻效應(yīng)發(fā)生在微觀的原子層面，故對(duì)外力的變化要敏感得多。壓阻式傳感器通常使用半導(dǎo)體壓敏材料制作，主要是硅片和鍺片，敏感度可達(dá)應(yīng)變式的100倍，但缺點(diǎn)是同時(shí)易受溫度影響。

氣敏和濕敏電阻會(huì)涉及化學(xué)效應(yīng)，在下文化學(xué)傳感器中再詳細(xì)介紹。

◆光敏傳感器

即對(duì)外界光信號(hào)、光輻射有響應(yīng)或轉(zhuǎn)換功能的傳感器。光敏傳感器的家族成員也非常多，光電二極管、光電三極管、光電倍增管、光敏電阻、太陽(yáng)能電池、色彩傳感器、圖像傳感器等，都屬于光敏傳感器。

光敏傳感器利用光電效應(yīng)工作。光照射物體，相當(dāng)于是一連串帶有能量的光子轟擊該物體。物體內(nèi)部的電子從光子處獲得能量，狀態(tài)發(fā)生變化，使得該物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，于是光信號(hào)就轉(zhuǎn)變成了電信號(hào)。光敏傳感器的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光附近，也包括紅外線和紫外線。

光敏傳感器探測(cè)的對(duì)象并不只局限于光，它還可以探測(cè)許多其他非電量，只要這種量能轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化。因此，它也是最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣的傳感器類別之一。

光敏電阻。是最簡(jiǎn)單的光敏傳感器，用硫化鎘或硒化鎘等半導(dǎo)體材料制成，其電阻值會(huì)隨光照的強(qiáng)弱發(fā)生改變。光敏電阻可以很方便地測(cè)量光、控制光，以及進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，所以很多自動(dòng)開(kāi)關(guān)、調(diào)光電路、光電池等都會(huì)用到它。

色彩傳感器。我們知道，將紅、綠、藍(lán)三種基本色光按不同比例混合，可引起不同的色彩感覺(jué)。色彩傳感器中就裝有這三種光源，分別向物體發(fā)射紅、綠、藍(lán)光，然后根據(jù)三種光反射回來(lái)的信號(hào)，計(jì)算出三基色的占比，從而“感知”物體顏色。再通過(guò)對(duì)比預(yù)存的色值，即可控制下一步操作，如開(kāi)關(guān)電路、校準(zhǔn)色彩等。

圖像傳感器。無(wú)論什么樣的圖像，都可看成是由千千萬(wàn)萬(wàn)像素組成的陣列。圖像傳感器的基本原理，就是將被測(cè)量物體的圖像分解成一個(gè)個(gè)像素，然后接收每個(gè)像素點(diǎn)的光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再按照同樣的陣列進(jìn)行組合，從而還原圖像。

圖像傳感器被廣泛用于數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、醫(yī)學(xué)內(nèi)窺儀器等成像設(shè)備上，進(jìn)行圖像捕捉，此外它還能通過(guò)對(duì)比預(yù)存的基準(zhǔn)圖像來(lái)識(shí)別和處理目標(biāo)物體。比如，將預(yù)存圖像設(shè)定為正確安裝8顆螺栓的零件，傳感器就會(huì)自動(dòng)拒收螺栓不等于8顆或位置未對(duì)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

◆霍爾傳感器

根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。所謂霍爾效應(yīng)，是指當(dāng)電流通過(guò)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與原電流方向垂直的電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)差稱為霍爾電壓。磁場(chǎng)越強(qiáng)，霍爾電壓就越高，反之則越低。

霍爾效應(yīng)可用于測(cè)量物體本身的磁場(chǎng)或磁特性，也可將位移、速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量和控制。比如一個(gè)非磁性材料制成的圓盤，在它邊緣上粘一塊磁鋼，把霍爾傳感器放在旁邊，圓盤每旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)，從而統(tǒng)計(jì)出所轉(zhuǎn)的圈數(shù);如果給定時(shí)間限制，測(cè)出的便是轉(zhuǎn)速。

◆化學(xué)傳感器

對(duì)各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度、成分等轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器。氣敏、濕敏電阻都是常見(jiàn)的化學(xué)傳感器。

氣敏電阻。又分接觸燃燒式、電化學(xué)式和半導(dǎo)體式。

接觸燃燒式一般以鉑金屬絲為檢測(cè)元件，主要用于檢測(cè)可燃性氣體?？扇夹詺怏w接觸到通電發(fā)熱的高溫鉑絲后燃燒，使得鉑絲溫度升高，電阻值增大，從而檢知?dú)怏w濃度。

電化學(xué)式是利用被測(cè)氣體在電極處發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使電極的電阻率發(fā)生改變來(lái)工作，可用于檢測(cè)一氧化碳、氫氣、甲烷、二氧化硫、乙醇等。

半導(dǎo)體式利用的則是一些氧化物半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化鋅、氧化鐵等，它們接觸相應(yīng)氣體后，表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使得自身的電阻值改變，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

濕敏電阻。某些吸濕性鹽類，如氯化鋰，吸收空氣中的水分潮解后，離子導(dǎo)電率會(huì)發(fā)生變化。在濕度高的環(huán)境里，氯化鋰溶液濃度將會(huì)降低，導(dǎo)電率下降，電阻值增大;反之則電阻值減小。利用這一特性，就可檢測(cè)濕度。

傳感器的世界可真廣闊，栗子君越去了解就越覺(jué)得豐富、有趣。你有沒(méi)有同感？