传感器和变送器的设计细节教程分享

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传感器和换能器可以制作简单的独立电子电路来重复闪烁灯光或弹奏音符。但是，为了使电子电路或系统执行任何有用的任务或功能，无论是通过从“ ON / OFF”开关读取输入信号还是通过激活某种形式，它都必须能够与“真实世界”通信输出装置的照明以照亮单个灯。

换句话说，电子系统或电路必须具有“做某事”的能力，而传感器和换能器则是完成此工作的理想组件。

“传感器”一词是两个传感器的统称，可用于感测各种不同的能量形式，例如运动，电信号，辐射能，热能或磁能等，以及可用于开关的执行器。电压或电流。

有许多不同类型的传感器和传感器，包括模拟和数字以及输入和输出可供选择。所使用的输入或输出传感器的类型实际上取决于“感测”或“受控”的信号或过程的类型，但是我们可以将传感器和传感器定义为将一种物理量转换为另一种物理量的设备。

执行“输入”功能的设备通常被称为传感器，因为它们“感知”某种特性的物理变化，该特性会随着某种激励（例如热或力）而变化并将其转换为电信号。执行“输出”功能的设备通常称为执行器，用于控制某些外部设备，例如运动或声音。
电换能器用于将一种能量转换为另一种能量，例如，麦克风（输入设备）将声波转换为电信号，以供放大器放大（处理），而扬声器（输出设备）转换这些电信号返回声波，下面是这种简单的输入/输出（I / O）系统类型的示例。
使用声音转换器的简单输入/输出系统市场上有许多不同类型的传感器和换能器，使用哪种传感器的选择实际上取决于要测量或控制的数量，下表列出了更常见的类型：
普通传感器和换能器

被测数量	输入设备 （传感器）	输出装置 （执行器）
灯光水平	光敏电阻（LDR）光电二极管光电 晶体管 太阳能电池	灯光 LED的和显示器的 光纤
温度	热电偶 热敏电阻 恒温 电阻温度检测器	加热器 范
力/压力	应变计 压力开关 称重传感器	升降机和千斤顶 电磁 振动
位置	电位计 编码器 反射式/开槽式光电开关 LVDT	电机 电磁 面板表
速度	测速发电机 反射式/缝隙式光耦合器 多普勒效应传感器	交流和直流电动机 步进电动机 制动
声音	碳麦克风 压电晶体	贝尔 蜂鸣器 扬声器

输入型传感器或传感器产生的电压或信号输出响应与它们所测量的量（激励）的变化成比例。输出信号的类型或数量取决于所用传感器的类型。但是通常，所有类型的传感器都可以分为两种，即无源传感器或有源传感器。

通常，有源传感器需要外部电源进行操作，称为激励信号，传感器使用该电源来产生输出信号。有源传感器是自发电设备，因为它们的自身属性会响应于外部效应而发生变化，例如产生1至10v DC的输出电压或4至20mA DC等输出电流。有源传感器还可以产生信号放大。

有源传感器的一个很好的例子是LVDT传感器或应变仪。应变仪是压敏电阻桥网络，通过外部偏置（激励信号）以产生与施加到传感器的力和/或应变的大小成比例的输出电压。

与有源传感器不同，无源传感器不需要任何其他电源或激励电压。相反，无源传感器会响应某些外部刺激而生成输出信号。例如，热电偶在受热时会产生自己的电压输出。那么无源传感器就是直接传感器，它们会改变其物理特性，例如电阻，电容或电感等。

但是与模拟传感器一样，数字传感器也会产生代表二进制数字或数字的离散输出，例如逻辑电平“ 0”或逻辑电平“ 1”。
模拟和数字传感器模拟传感器模拟传感器产生连续的输出信号或电压，该信号或电压通常与被测量成比例。诸如温度，速度，压力，位移，应变等物理量都是模拟量，因为它们在本质上往往是连续的。例如，可以使用温度计或热电偶来测量液体的温度，该温度计或热电偶在液体被加热或冷却时连续响应温度变化。
用于产生模拟信号的热电偶模拟传感器往往会产生随时间平稳连续变化的输出信号。这些信号的值往往很小，从几微伏（uV）到几毫伏（mV），因此需要某种形式的放大。

然后，测量模拟信号的电路通常响应较慢和/或精度较低。同样，通过使用模数转换器或ADC，可以将模拟信号轻松转换为数字类型信号，以用于微控制器系统。

数字传感器顾名思义，数字传感器产生离散的数字输出信号或电压，这些数字信号或电压表示被测量的数字。数字传感器以逻辑“ 1”或逻辑“ 0”（“ ON”或“ OFF”）的形式产生二进制输出信号。因此，这意味着数字信号仅产生离散（非连续）值，这些值可以作为单个“位”（串行传输）或通过组合这些位以产生单个“字节”输出（并行传输）来输出。
用于产生数字信号的光传感器在上面的简单示例中，旋转轴的速度是通过使用数字LED /光电探测器传感器来测量的。固定在旋转轴上的光盘（例如，通过电动机或机械手的轮子），在其设计中具有多个透明插槽。当光盘以轴的速度旋转时，每个插槽依次经过传感器，产生代表逻辑“ 1”或逻辑“ 0”电平的输出脉冲。

这些脉冲被发送到计数器寄存器，最后被发送到输出显示器，以显示轴的速度或转数。通过增加光盘中的插槽或“窗口”的数量，可以为轴的每转产生更多的输出脉冲。这样做的优点是，由于可以检测出转数的分数，因此可以获得更高的分辨率和精度。然后，这种类型的传感器布置也可以用于位置控制，其中一个盘槽代表一个参考位置。

与模拟信号相比，数字信号或数量具有很高的准确性，并且可以以非常高的时钟速度进行测量和“采样”。数字信号的精度与用来表示测量量的位数成正比。例如，使用8位处理器，将产生0.390％的精度（256分之一）。使用16位处理器时，精度为0.0015％（65,536中的1分）或260倍。由于数字量的处理和处理速度非常快，比模拟信号快百万倍，因此可以保持这种精度。

在大多数情况下，传感器，更具体地说是模拟传感器通常需要外部电源和某种形式的信号附加放大或滤波，以便产生能够被测量或使用的合适的电信号。在单个电路中同时实现放大和滤波的一种非常好的方法是使用运算放大器，如前所述。

传感器的信号调理正如我们在“运算放大器”教程中所看到的，当以反相或同相配置连接时，运算放大器可用于提供信号放大。

由传感器产生的非常小的模拟信号电压（例如几毫伏甚至皮微伏特）可以通过一个简单的运算放大器电路放大很多倍，以产生更大的电压信号，例如5v或5mA，然后用作微处理器或基于模数的系统的输入信号。

因此，为了提供任何有用的信号，传感器的输出信号必须通过放大器进行放大，该放大器的电压增益最高为10,000，电流增益最高为1,000,000，且信号的放大与输出信号的线性相关是输出信号的精确再现。输入，只是幅度发生了变化。

然后，放大是信号调节的一部分。因此，在使用模拟传感器时，通常可能需要某种形式的放大（增益），阻抗匹配，输入和输出之间的隔离或可能的滤波（频率选择），然后才能使用信号，这可以由运算放大器方便地执行。

同样，当测量很小的物理变化时，传感器的输出信号可能会被有害信号或电压“污染”，从而无法正确测量所需的实际信号。这些不需要的信号称为“噪声”。如我们在有源滤波器教程中所讨论的，通过使用信号调节或滤波技术，可以大大降低甚至消除这种噪声或干扰。

通过使用低通，高通甚至带通滤波器，可以降低噪声的“带宽”，仅留下所需的输出信号。例如，来自开关，键盘或手动控件的许多类型的输入无法快速更改状态，因此可以使用低通滤波器。当干扰处于特定频率（例如主电源频率）时，可以使用窄带抑制或陷波滤波器来产生频率选择滤波器。
典型运算放大器滤波器如果在过滤后仍残留一些随机噪声，则可能有必要进行几个采样，然后取它们的平均值以得到最终值，从而提高信噪比。无论哪种方式，放大和滤波在“真实世界”条件下将传感器和换能器与基于微处理器和电子系统的接口连接时都起着重要作用。

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