1.1 传感器Sensor和传感器Transducers简介
在本教程中，我们将简要了解传感器与变送器，包括如何选择传感器、传感器与变送器的要求、传感器的分类以及模拟传感器和数字传感器的一些示例。
我们生活在一个模拟世界中，却使用数字通信和控制手段，通过电信号来操控机械物体。这一切之所以能够实现，都得益于传感器和变送器这类设备，它们帮助我们将数据或信息从一个领域转换到另一个领域。
引言
测量是任何大型系统中的一个重要子系统，无论是机械系统还是电子系统。一个测量系统由传感器、执行器、变送器和信号处理设备组成。这些元件和设备的使用并不局限于测量系统。
它们还被用于执行特定任务的系统中，以与现实世界进行通信。这种通信可以是任何东西，比如从开关读取信号的状态，或者触发特定的输出以点亮一个LED。
传感器与变送器的定义
传感器和变送器这两个术语常与测量系统联系在一起。传感器是一种能够产生与被测量量相关的信号的元件。根据美国仪表学会的定义，“传感器是一种能够对被测量的特定量产生可用输出的设备。”“传感器”一词源自其原始含义“感知”。
简单来说，传感器是一种能够检测物理刺激中的变化和事件，并提供可测量和/或记录的相应输出信号的设备。在这里，输出信号可以是任何可测量的信号，通常是一种电学量。
传感器作为系统中的输入功能设备，因为它们能够“感知”量的变化。温度计是传感器的一个绝佳示例。在这里，被测量的量是热量或温度。测量到的温度通过液体汞的膨胀和收缩，转换为校准玻璃管上的可读值。
执行器与传感器的作用相反。传感器将物理事件转换为电信号，而执行器则将电信号转换为物理事件。当传感器用于系统的输入端时，执行器则用于系统中执行输出功能，因为它们控制外部设备。
变送器是将一种形式的能量转换为另一种形式的设备。通常，这种能量以信号的形式存在。变送器是传感器和执行器的统称。
选择传感器的标准
以下是选择传感器时需要考虑的一些特性：
- 被测物理量：例如温度或压力。
- 工作原理：传感器的工作 原理。
- 功耗：传感器的功耗将在定义系统的总功耗中发挥重要作用。
- 精度：传感器的精度是选择传感器的关键因素。
- 环境条件：传感器所处的环境条件将是选择传感器质量的一个因素。
- 成本：根据应用成本的不同，可以选择低成本或高成本的传感器。
- 分辨率和量程：能够感知的最小值以及测量的极限值很重要。
- 校准和重复性：随着时间的推移数值的变化以及在类似条件下重复测量的能力。
传感器或变送器的基本要求
传感器的基本要求如下：
- 量程：它表明输入量的变化范围。在温度测量的情况下，热电偶的量程可以是25°C到250°C。
- 精度：它是实际测量值与真实值之间准确度的度量。精度以满量程输出的百分比表示。
- 灵敏度：灵敏度是输入物理信号与输出电信号之间的关系。它是传感器输出变化与引起输出变化的输入值单位变化的比率。
- 稳定性：它是传感器在一段时间内对恒定输入产生相同输出的能力。
- 重复性：它是传感器在不同应用中对相同输入值产生相同输出的能力。
- 响应时间：它是输入发生阶跃变化时输出变化的速度。
- 线性度：它以非线性百分比来表示。非线性是实际测量曲线与理想测量曲线偏离程度的指标。
- 坚固性：它是传感器在极端工作条件下使用时耐用性的度量。
- 磁滞：磁滞被定义为在传感器的指定范围内，当输入参数先增加后减少时，任何可测量值处输出的最大差异。磁滞是变送器在反向操作时无法忠实重复其功能的一个特性。
传感器的分类
传感器的分类方案可以从非常简单到非常复杂不等。被感知的刺激是这种分类中的一个重要因素。
一些刺激包括：
- 声学：波、光谱和波速。
- 电学：电流、电荷、电位、电场、介电常数和电导率。
- 磁学：磁场、磁通量和磁导率。
- 热学：温度、比热和热导率。
- 力学：位置、加速度、力、压力、应力、应变、质量、密度、动量、扭矩、形状、方向、粗糙度、刚度、顺应性、结晶性和结构。
- 光学：波、波速、折射率、反射率、吸收率和发射率。
传感器的转换现象也是分类传感器的一个重要因素。一些转换现象包括磁电、热电和光电。
根据传感器的应用，其分类如下：
位移、位置和接近传感器
- 电阻元件或电位器
- 电容元件
- 应变规元件
- 电感接近传感器
- 涡流接 近传感器
- 差动变压器
- 光学编码器
- 霍尔效应传感器
- 气动传感器
- 接近开关
- 旋转编码器
温度传感器
- 热敏电阻
- 热电偶
- 双金属条
- 电阻温度检测器
- 恒温器
光传感器
- 光电二极管
- 光晶体管
- 光敏电阻
速度和运动传感器
- 热释电传感器
- 测速发电机
- 增量式编码器
流体压力传感器
- 膜片压力计
- 触觉传感器
- 压电传感器
- 胶囊、波纹管、压力管
液体流量和液位传感器
- 涡轮流量计
- 孔板和文丘里管
红外传感器
- 红外发射器和接收器对
力传感器
- 应变规
- 荷载传感器
触觉传感器
- 电阻式触觉传感器
- 电容式触觉传感器
紫外线传感器
- 紫外线光探测器
- 光稳定性传感器
- 紫外线光管
- 杀菌紫外线探测器
所有传感器可以根据电源或信号需求分为两类，即有源传感器和无源传感器。
有源传感器需要外部电源信号才能工作。这种信号被称为激励信号，传感器根据这个激励信号产生输出。应变规是有源传感器的一个例子。它是一个压力敏感的电阻桥网络，不能自行产生输出电信号。通过将其与电阻网络的 电阻相关联，可以测量施加的力的大小。通过电流测量电阻，电流充当激励信号。
相比之下，无源传感器直接对输入刺激产生输出电信号。无源传感器所需的所有能量都来自被测量的量。热电偶是无源传感器的一个例子。
常见的传感器和变送器
一些最常用的传感器和变送器用于不同的刺激（要测量的量）包括：
- 光传感器：光电二极管、光晶体管、光敏电阻和太阳能电池。
- 温度传感器：热敏电阻、热电偶、电阻温度检测器和恒温器。
- 位置传感器：电位器、接近传感器和差动变压器。
- 压力传感器：应变规和荷载传感器。
- 声音传感器：麦克风和扬声器。
- 速度传感器：测速发电机和多普勒效应传感器。
使用变送器的简单系统
一个公共广播系统是使用传感器和执行器的系统的例子。
它由麦克风、放大器和扬声器组成。传感器或具有输入功能的设备是麦克风。它感知声音信号并将它们转换为电信号。放大器接收这些电信号并增强它们的强度。
执行器或具有输出功能的设备是扬声器。它从放大器接收增强的电信号，并将它们转换回声音信号，但传播范围更广。
模拟传感器
模拟传感器产生在一系列值上连续变化的输出信号。通常，输出信号是电压，这个输出信号与被测量的量成比例。被测量的量，如速度、温度、压力、应变等，都是连续的，因此它们是模拟量。
用于测量光强度的硫化镉电池（CdS电池）是一个模拟传感器。硫化镉电池的电阻会根据照射在其上的光的强度而变化。当连接到电压分压网络时，可以通过变化的输出电压观察到电阻的变化。在这个电路中，输出可以在0V到5V之间变化。
热电偶或温度计是一种模拟传感器。以下装置用于通过热电偶测量容器中液体的温度。
上述装置的输出信号可以表示如下：
模拟传感器的输出信号通常会随时间平滑且连续地变化。因此，使用模拟传感器的电路的响应时间和精度通常较慢且较低。为了在基于微控制器的系统中使用这些信号，可以使用模数转换器（Analog to Digital Converters，ADC）。
模拟传感器通常需要外部电源，并且需要某种形式的放大以产生适当的输出信号。运算放大器（Op Amps）在提供放大和滤波方面非常有用。
数字传感器
数字传感器产生离散的数字信号。数字传感器的输出只有两种状态，即“开”和“关”。“开”是逻辑1，“关”是逻辑0。按钮开关是数字传感器的最佳示例。在这种情况下，开关只有两种可能的状态：按下时为“开”，释放或未按下时为“关”。
以下装置使用光传感器来测量速度，并产生数字信号。
在上述设置中，旋转圆盘连接到电机的轴上，并有许多透明的槽。光传感器捕捉光的存在或缺失，并相应地向计数器发送逻辑1或逻辑0信号。计数器显示圆盘的速度。通过增加圆盘上的透明槽的数量，可以提高精度，因为它允许在相同的时间内进行更多的计数。
一般来说，与模拟传感器相比，数字传感器的精度更高。精度取决于用于表示被测量的位数。位数越多，精度越高。