傳感器：機器的“感官”

現今生活中，傳感器的身影無處不在，從手機、電視、臺燈，到鍋爐、電網、醫療器械……可以說，傳感技術和傳感器是現代設備中不可缺少的部分。愛好科創發明的你，怎能不多多了解這個神通廣大的家伙——

主持：栗子君

傳感器是什么

傳感器，顧名思義，即“傳遞”“感覺”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、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（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，必須借助于感覺器官。但隨著文明的進步，人類自身的感官已不能滿足探索研究和生產活動的需要，于是傳感器便應運而生。從這個意義上講，傳感器可以看作是人類感官的延伸，也是人類將感覺賦予機器設備的人造裝置。正如中國物聯網校企聯盟描述的那樣：

傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活起來。

人們喜歡用生物的五大感覺器官，來與傳感器相比擬——光傳感器，對應視覺器官;聲音傳感器，對應聽覺器官;氣體傳感器，對應嗅覺器官;味傳感器，對應味覺器官;溫度傳感器、壓力傳感器，對應觸覺器官。可以說是既生動又貼切。

在嚴謹的定義，如國家標準中，傳感器是：

能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

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

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傳感器在英語中用“transducer”或“sensor”表示，《新韋氏大詞典》將其定義為“從一個系統接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。這兩個單詞既有聯系也有區別，代表了對傳感器概念的不同理解，有興趣的同學可做進一步了解，從而加深對傳感器的認識。]

基本構造

傳感器一般由四大部分組成，即敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源。

其中敏感元件直接感受被測的量，然后輸出信號;轉換元件將該信號轉換為電信號;變換電路（信號調理電路）對電信號進行放大調制，最后將標準信號發送給其他設備（通常是計算機處理器）;輔助電源則負責給轉換元件和變換電路供電。

當然，并非所有傳感器都必須包括轉換元件，如果敏感元件直接輸出電信號，它就同時兼為轉換元件。

不難看出，敏感元件是傳感器的核心部件。根據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！

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敏感元件也可以“兼任”哦。

一般來說，敏感元件是專門設計制造的，但別忘了，根據傳感器的定義，只要能起到探測、傳回信號的作用即可，不必拘泥于特定的形式。因此，為了節省資源、金錢和時間，有些研究團隊大開腦洞，打起了用現有設施兼任傳感器敏感元件的主意。

比如埋在地下的光纜，其實能精確分辨出地面上汽車、自行車和行人所產生的不同振動，甚至連不同的汽車型號、車里坐了幾個人都能分得清清楚楚。目前，一個美國公司正嘗試利用從斯坦福大學校園收集的地底光纜振動信息，開發追蹤車輛和行人的新項目。

再如手機信號塔，可以兼做濕敏元件，監測天氣濕度。因為手機跟附近信號塔通信所需的時間，與空氣中的水分含量直接相關。

傳感器怎樣工作

傳感器種類繁多，所依據的原理也不盡相同。下面簡單介紹常用的幾大類傳感器是如何設計、如何工作的。（分類標準并不絕對，許多類別之間會有交叉。）

◆電阻式傳感器

通過將被測量的量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等，轉變成電阻值來工作。總之，只要是與電阻值有穩定對應關系的量，都可設計出相應的電阻式傳感器，因此這個大類別應用極廣，又可細分為熱電阻、電阻應變式、壓阻式、氣敏、濕敏等具體種類。

熱電阻。我們知道，導體的電阻大小會隨溫度變化而變化，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”。

電阻應變式。導體或半導體在外力作用下發生機械形變時，其電阻值相應地發生變化，這種現象稱為“應變效應”。根據該原理制成的電阻應變式傳感器，可測量應變、應力、力矩、位移、加速度、扭矩等物理量。傳感器中的電阻應變片主要有金屬和半導體兩類。

壓阻式。壓阻效應與應變效應相似，即材料受力時電阻值會相應變化;不同的是，壓阻效應發生在微觀的原子層面，故對外力的變化要敏感得多。壓阻式傳感器通常使用半導體壓敏材料制作，主要是硅片和鍺片，敏感度可達應變式的100倍，但缺點是同時易受溫度影響。

氣敏和濕敏電阻會涉及化學效應，在下文化學傳感器中再詳細介紹。

◆光敏傳感器

即對外界光信號、光輻射有響應或轉換功能的傳感器。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工作。光照射物體，相當于是一連串帶有能量的光子轟擊該物體。物體內部的電子從光子處獲得能量，狀態發生變化，使得該物體產生相應的電效應，于是光信號就轉變成了電信號。光敏傳感器的敏感波長在可見光附近，也包括紅外線和紫外線。

光敏傳感器探測的對象并不只局限于光，它還可以探測許多其他非電量，只要這種量能轉換成光信號的變化。因此，它也是最常見、應用最廣的傳感器類別之一。

光敏電阻。是最簡單的光敏傳感器，用硫化鎘或硒化鎘等半導體材料制成，其電阻值會隨光照的強弱發生改變。光敏電阻可以很方便地測量光、控制光，以及進行光電轉換，所以很多自動開關、調光電路、光電池等都會用到它。

色彩傳感器。我們知道，將紅、綠、藍三種基本色光按不同比例混合，可引起不同的色彩感覺。色彩傳感器中就裝有這三種光源，分別向物體發射紅、綠、藍光，然后根據三種光反射回來的信號，計算出三基色的占比，從而“感知”物體顏色。再通過對比預存的色值，即可控制下一步操作，如開關電路、校準色彩等。

圖像傳感器。無論什么樣的圖像，都可看成是由千千萬萬像素組成的陣列。圖像傳感器的基本原理，就是將被測量物體的圖像分解成一個個像素，然后接收每個像素點的光信號并轉換成相應的電信號，再按照同樣的陣列進行組合，從而還原圖像。

圖像傳感器被廣泛用于數碼相機、攝像機、醫學內窺儀器等成像設備上，進行圖像捕捉，此外它還能通過對比預存的基準圖像來識別和處理目標物體。比如，將預存圖像設定為正確安裝8顆螺栓的零件，傳感器就會自動拒收螺栓不等于8顆或位置未對準的產品。

◆霍爾傳感器

根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。所謂霍爾效應，是指當電流通過位于磁場中的導體時，會產生一個與原電流方向垂直的電勢差。這個電勢差稱為霍爾電壓。磁場越強，霍爾電壓就越高，反之則越低。

霍爾效應可用于測量物體本身的磁場或磁特性，也可將位移、速度、壓力等物理量轉換成磁場變化來進行測量和控制。比如一個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，圓盤每旋轉一周，霍爾傳感器就會輸出一個信號，從而統計出所轉的圈數;如果給定時間限制，測出的便是轉速。

◆化學傳感器

對各種化學物質敏感并將其濃度、成分等轉化成電信號的傳感器。氣敏、濕敏電阻都是常見的化學傳感器。

氣敏電阻。又分接觸燃燒式、電化學式和半導體式。

接觸燃燒式一般以鉑金屬絲為檢測元件，主要用于檢測可燃性氣體。可燃性氣體接觸到通電發熱的高溫鉑絲后燃燒，使得鉑絲溫度升高，電阻值增大，從而檢知氣體濃度。

電化學式是利用被測氣體在電極處發生氧化還原反應，使電極的電阻率發生改變來工作，可用于檢測一氧化碳、氫氣、甲烷、二氧化硫、乙醇等。

半導體式利用的則是一些氧化物半導體材料，如氧化錫、氧化鋅、氧化鐵等，它們接觸相應氣體后，表面發生氧化還原反應，使得自身的電阻值改變，從而實現檢測。

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，離子導電率會發生變化。在濕度高的環境里，氯化鋰溶液濃度將會降低，導電率下降，電阻值增大;反之則電阻值減小。利用這一特性，就可檢測濕度。

傳感器的世界可真廣闊，栗子君越去了解就越覺得豐富、有趣。你有沒有同感？