一、傳感器的定義

傳感器，英文名稱為Transducer或Sensor，是一種能夠檢測(cè)物理量并將其轉(zhuǎn)換為可測(cè)量信號(hào)的裝置。從廣義上講，傳感器能夠感知外界信息，如溫度、壓力、光、聲音、磁場(chǎng)等，并將這些信息按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他形式的輸出信號(hào)，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分，與計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)共同構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

二、傳感器的工作原理

傳感器的工作原理基于物理量與電信號(hào)之間的相互作用，通過敏感元件和轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)非電學(xué)量到電學(xué)量的轉(zhuǎn)換。不同類型的傳感器采用不同的工作原理，以適應(yīng)不同的測(cè)量需求。以下是幾種常見傳感器的工作原理：

1. 壓力傳感器
   • 工作原理 ：利用壓力作用在傳感器敏感元件上產(chǎn)生的變形，通過敏感元件內(nèi)部的電阻、電容、電感等元件的變化，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
   • 特點(diǎn) ：廣泛應(yīng)用于工業(yè)自控環(huán)境中，是測(cè)量壓力變化的重要工具。
2. 溫度傳感器
   • 工作原理 ：利用溫度對(duì)電阻、電容、電勢(shì)等物理量的影響，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。例如，鉑電阻（Pt100）的電阻值隨溫度變化而變化，通過測(cè)量電阻值可以推算出溫度。
   • 特點(diǎn) ：精度高、穩(wěn)定性好，是測(cè)量溫度的核心元件。
3. 光電傳感器
   • 工作原理 ：利用光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。當(dāng)光線照射到光電傳感器上時(shí)，光敏元件吸收光能并產(chǎn)生電信號(hào)，電信號(hào)的大小與光線的強(qiáng)度成正比。
   • 特點(diǎn) ：響應(yīng)速度快、靈敏度高，廣泛應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量和自動(dòng)控制領(lǐng)域。
4. 加速度傳感器
   • 工作原理 ：利用加速度對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的微小質(zhì)量進(jìn)行作用，通過微小的電容、電阻、電感等元件的變化，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。
   • 特點(diǎn) ：體積小、重量輕、功耗低，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、游戲控制器等設(shè)備中。
5. 磁力傳感器
   • 工作原理 ：利用磁場(chǎng)對(duì)磁敏元件的影響，將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。磁敏元件在磁場(chǎng)作用下發(fā)生磁化或磁阻變化，通過測(cè)量這種變化可以推算出磁場(chǎng)強(qiáng)度。
   • 特點(diǎn) ：能夠檢測(cè)微弱磁場(chǎng)變化，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、磁場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域。

三、傳感器的種類

傳感器種類繁多，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為多種類型。以下是一些常見的分類方式及其對(duì)應(yīng)的傳感器類型：

1. 按測(cè)量參數(shù)分類
   • 溫度傳感器 ：如鉑電阻、熱電偶等，用于測(cè)量溫度。
   • 壓力傳感器 ：如壓阻式、電容式等，用于測(cè)量壓力。
   • 流量傳感器 ：如渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)等，用于測(cè)量流體流量。
   • 位移傳感器 ：如光柵尺、激光測(cè)距儀等，用于測(cè)量物體位移。
   • 速度傳感器 ：如霍爾效應(yīng)傳感器、加速度傳感器等，用于測(cè)量物體速度。
2. 按工作原理分類
   • 電阻式傳感器 ：利用電阻值隨被測(cè)量變化而變化的原理工作，如熱電阻、壓阻傳感器等。
   • 電容式傳感器 ：利用電容值隨被測(cè)量變化而變化的原理工作，如電容式壓力傳感器、電容式位移傳感器等。
   • 電感式傳感器 ：利用電感值隨被測(cè)量變化而變化的原理工作，如電感式位移傳感器、電感式接近開關(guān)等。
   • 光電式傳感器 ：利用光電效應(yīng)或光敏元件工作，如光電傳感器、紅外傳感器等。
   • 磁電式傳感器 ：利用電磁感應(yīng)原理工作，如磁敏傳感器、霍爾效應(yīng)傳感器等。
3. 按輸出信號(hào)分類
   • 模擬量傳感器 ：輸出模擬量信號(hào)，如電壓、電流等，需要后續(xù)電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能與數(shù)字系統(tǒng)連接。
   • 數(shù)字量傳感器 ：直接輸出數(shù)字量信號(hào)，如二進(jìn)制編碼、脈沖信號(hào)等，便于與數(shù)字系統(tǒng)直接連接。
4. 按應(yīng)用場(chǎng)景分類
   • 工業(yè)傳感器 ：用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)測(cè)量與控制，如溫度傳感器、壓力傳感器等。
   • 醫(yī)療傳感器 ：用于醫(yī)療設(shè)備的參數(shù)測(cè)量與監(jiān)測(cè)，如心電圖傳感器、血壓傳感器等。
   • 消費(fèi)電子傳感器 ：用于智能手機(jī)、智能家居等消費(fèi)電子產(chǎn)品中的參數(shù)測(cè)量與感知，如加速度傳感器、陀螺儀等。

四、傳感器電路圖分享

1、水位傳感器電路圖

這個(gè)簡(jiǎn)單的水位傳感器電路監(jiān)視特定位置或容器中是否有水。當(dāng)電路檢測(cè)到漏水時(shí)，會(huì)發(fā)出聲音警報(bào)。它的構(gòu)建非常簡(jiǎn)單，由單個(gè) IC 和一些無源元件組成。

IC LM1801 是一款低功耗比較器，可在需要時(shí)提供高輸出電流。當(dāng)水擊中傳感器時(shí)，參考電壓會(huì)過高，IC 會(huì)驅(qū)動(dòng)陶瓷傳感器發(fā)出蜂鳴聲。還可以將多個(gè)傳感器連接到水位監(jiān)測(cè)電路。該傳感器可以很容易地由一小塊材料制成蝕刻后的PCB與正確的模式。去耦電容C3為100uF/16V電解電容。

2、簡(jiǎn)單的熱傳感器電路圖

制作這個(gè)簡(jiǎn)單的熱傳感器電路來監(jiān)控放大器和逆變器等發(fā)熱設(shè)備的溫度。當(dāng)設(shè)備內(nèi)的溫度超過允許極限時(shí)，電路會(huì)通過蜂鳴聲發(fā)出警告。它太簡(jiǎn)單了，可以通過從設(shè)備中分接電源來固定在設(shè)備本身中。該電路工作電壓為 5 至 12 伏直流電。

該電路是在雙穩(wěn)態(tài)模式下使用流行的定時(shí)器 IC 555 設(shè)計(jì)的。 IC 555 有兩個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)輸出級(jí)。當(dāng)大于 1/3 Vcc 的負(fù)脈沖施加到其觸發(fā)引腳 2 時(shí)，其輸出變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)，下比較器觸發(fā)并改變觸??發(fā)器的狀態(tài)，輸出變?yōu)楦唠娖健Ｒ簿褪钦f，如果引腳 2 的電壓低于 1/3 Vcc，則輸出變?yōu)楦唠娖剑绻哂?1/3 Vcc，則輸出保持低電平。

這里使用 NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻作為熱傳感器。它是一種可變電阻器，其阻值取決于周圍的溫度。在 NTC 熱敏電阻中，當(dāng)其附近的溫度升高時(shí)，電阻會(huì)下降。但在 PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻中，電阻隨溫度升高而增大。

電路中，4.7K NTC熱敏電阻連接到IC1的第2腳。可變電阻 VR1 調(diào)節(jié)熱敏電阻在特定溫度水平下的靈敏度。為了復(fù)位觸發(fā)器并從而改變輸出，使用了 IC1 的閾值引腳 6。當(dāng)正脈沖通過按鈕開關(guān)施加到引腳6時(shí)，IC1的上部比較器變高并觸發(fā)觸發(fā)器的R輸入。這會(huì)重置并且輸出變低。

當(dāng)器件溫度正常時(shí)（由 VR1 設(shè)置），IC1 的輸出保持低電平，因?yàn)橛|發(fā)引腳 2 的電壓超過 1/3 Vcc。這使得輸出保持低電平并且蜂鳴器保持靜音。當(dāng)由于長時(shí)間使用或電源短路而導(dǎo)致設(shè)備溫度升高時(shí)，熱??敏電阻的電阻會(huì)降低，使觸發(fā)引腳低于 1/3 Vcc。然后雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)并且其輸出變高。這將激活蜂鳴器并發(fā)出蜂鳴聲。這種狀態(tài)一直持續(xù)到溫度降低或按下 S1 使 IC 復(fù)位為止。

3、使用IC LM339的觸摸傳感器電路圖

使用 IC LM339設(shè)計(jì)的 簡(jiǎn)單觸摸傳感器電路，眾所周知 LM339 包含由單電源供電的四路差分比較器。該觸摸傳感器采用 LM339，只需很少的外部元件和兩個(gè)導(dǎo)電觸摸板觸點(diǎn)。這里，一個(gè)觸摸板接地，另一個(gè)觸摸板與非反相引腳 5 連接，具有有限的偏置和浮動(dòng)。

觸摸感應(yīng)開關(guān)或傳感器可用于不同級(jí)別的應(yīng)用，該傳感器電路能夠執(zhí)行非關(guān)鍵應(yīng)用和任務(wù)。該電路在比較器模式下工作，因此反相或同相輸入的微小變化可能會(huì)導(dǎo)致輸出狀態(tài)的變化。

德州儀器 (TI) 的 IC LM339 有不同的封裝和尺寸。在這個(gè)觸摸傳感器電路中，我們使用PDIP（14）封裝，并且我們使用單電源9V，該電路用作比較器，因此我們使用反相輸入引腳4作為參考，非反相引腳5作為浮動(dòng)輸入。

這里，引腳 4 或反相輸入通過 R1 連接到 +9V，并通過 R3 電阻平衡接地。由于其非反相操作模式，引腳 5（非反相）電位保持高于引腳 4。因此，輸出引腳給出高狀態(tài)，當(dāng)觸摸板被任何人觸摸時(shí)，引腳 5 電壓由該人接地，引腳電位5 低于引腳 4，輸出狀態(tài)變?yōu)榈碗娖讲⑻峁┙咏拥氐妮敵觥Ｈ缓?LED D1 開始發(fā)光并指示觸摸事件。

在該電路中，輸出電流由負(fù)載和上拉電阻以及邏輯和上拉電壓決定。電容器 C1 充當(dāng)直流電壓濾波器，如果您使用經(jīng)過濾波的直流電源作為電壓源，那么我們不需要這個(gè)組件。使用銅板作為觸摸板觸點(diǎn)以獲得最佳感應(yīng)響應(yīng)。

4、光學(xué)液體傳感器電路圖

這是一種獨(dú)立光學(xué)液體傳感器的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)理念，使用常用的電子元件實(shí)現(xiàn)。該傳感器專為在透明或半透明管道中通過非接觸方法檢測(cè)液位而設(shè)計(jì)。該傳感器具有來自紅外光發(fā)射器的紅外光束，當(dāng)存在液體時(shí)，該光束會(huì)被折射并且無法被紅外光接收器檢測(cè)到，可以安裝在直徑在 3 至 13 毫米之間的管道上。這款緊湊型非侵入式傳感器設(shè)備采用 12 伏直流電運(yùn)行。液體折射光束的“穿透掃描”原理確保了可靠的檢測(cè)，而紅外光束技術(shù)可以幫助穿透漿料和其他固體，其檢測(cè)效果與水/液體類似。

這種光學(xué)液體傳感器最初是為小型工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但也可以用于許多業(yè)余愛好/家庭應(yīng)用。請(qǐng)注意，該電路的設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單性為首要考慮。 12V 電源電壓通常適合工業(yè)用途，并且傳感器連接具有反極性保護(hù)。紅外發(fā)送器圍繞常見的紅外發(fā)光二極管 (IRLED1) 構(gòu)建，在原型中為 EVER LIGHT 的 5mm 型 IR333-A，這是一種模制在藍(lán)色透明塑料封裝中的高強(qiáng)度二極管。同樣，紅外接收器 (IRPD1) 是借助 LITE-ON 的 LTR-3208E 光電晶體管實(shí)現(xiàn)的，該光電晶體管采用 2 引腳/5mm 特殊深色塑料封裝，可切斷可見光。但是，請(qǐng)注意紅外發(fā)送器和接收器的指定部件號(hào)（IRLED1 和IRPD1) 組件不是很關(guān)鍵！

通電后，紅外光發(fā)射器 (IR LED1) 會(huì)亮起。這里使用電阻R1（470R）來限制紅外LED的工作電流。在無液體情況下，來自紅外發(fā)射器的光落在紅外接收器上，結(jié)果紅外接收器通過驅(qū)動(dòng)晶體管T1為電磁繼電器（RL1）供電。繼電器的 SPDT (1 C/O) 觸點(diǎn)可用于關(guān)閉外部電氣設(shè)備，或打開警報(bào)蜂鳴器等發(fā)聲器。

將電路組裝在通用電路板上，并在初步測(cè)試后嘗試將整個(gè)電路封裝在合適的叉形盒中。電阻器 R1 的 470 歐姆值適用于大多數(shù)液體，但您可以根據(jù)實(shí)際需求增加或減少該值。建議制造商必須評(píng)估水/流體/化學(xué)組合/混合情況，以確定在最終設(shè)計(jì)之前哪個(gè)電阻值最有效。