【導讀】換能器是將一種能量轉變為另一種能量的裝置。它們可以用作電路的輸出或輸入。傳感器是一種檢測和測量物理量（例如溫度、壓力或光）並將其轉換為電信號的設備。在所有電子和控製係統中

，傳感器和轉換器（分別是輸入和輸出設備）是使係統能夠測量或改變其周圍環境的重要部件，具體取決於所使用的設備。然而，電子電路或係統必須能夠與“現實世界”連接才能執行任何有用的活動或功能。

換能器是將一種能量轉變為另一種能量的裝置。它們可以用作電路的輸出或輸入。傳感器是一種檢測和測量物理量（例如溫度

、壓力或光）並將其轉換為電信號的設備。在所有電子和控製係統中，傳感器和轉換器（分別是輸入和輸出設備）是使係統能夠測量或改變其周圍環境的重要部件
，具體取決於所使用的設備。然而，電子電路或係統必須能夠與“現實世界”連接才能執行任何有用的活動或功能。任務是否涉及打開輸出設備以打開單個燈或從開關（開/關）接jie收shou輸shu入ru信xin號hao。換huan句ju話hua說shuo
，傳chuan感gan器qi和he換huan能neng器qi是shi電dian子zi係xi統tong或huo電dian路lu的de重zhong要yao組zu成cheng部bu分fen，必bi須xu能neng夠gou執zhi行xing任ren何he任ren務wu。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia
，傳chuan感gan器qi和he執zhi行xing器qi都dou被bei稱cheng為wei“傳感器”。傳感器可以檢測多種能量類型
，包括熱能、磁能
、輻射能
、電能和運動能。然而，執行器可以改變輸出電壓、電流或狀態。模擬和數字傳感器和變換器種類繁多，有輸入和輸出變體可供選擇。 “感測”或“控製”的信號或過程的類型真正決定了所采用的輸入或輸出傳感器的類型。可以將一種物理量轉換為另一種物理量的設備稱為傳感器。執行“輸入”功能的設備通常被稱為傳感器，因為它們可以“感知”物理特性的變化，從而改變它們對外部刺激的反應。例如
，熱或力可以轉換成電信號。執行器通常被定義為執行“輸出”功能並可用於調節外部動作的設備。例如，聲音或動作。因此，利用電換能器將一種類型的能量轉換為另一種類型的能量。揚聲器（輸出設備）將電信號轉換回聲波
，麥克風（輸入設備）將歌手的聲波轉換為電信號，供放大器放大（一個過程）。下麵給出了這種基本輸入/輸出（I/O）係統的圖示。

簡單的輸入/輸出係統

圖 1：使用聲音傳感器的簡單輸入/輸出係統

電子行業提供各種各樣的傳感器和變換器，它們通常根據所需的測量（即物理、化學或生物）進行分類。因此，被測量或控製的量真正決定了所使用的傳感器；主要流行品種如下表所示：

常見傳感器和轉換器

表 1：傳感器和轉換器
　　

輸入型傳感器或傳感器的輸出響應是與被測量量（刺激）的變化成比例的電壓或信號。所使用的傳感器的類型決定了輸出信號的類型或幅度。然而
，一般來說，傳感器可以分為兩類：無源傳感器和有源傳感器。有源傳感器通常需要外部電源才能發揮作用；該電源稱為激勵信號，傳感器用它來生成輸出信號。當發生外部影響時
，有源傳感器會改變其特性以提供輸出信號。例如
，輸出電流為4～20mA DC，或者輸出電壓為1～10V DC。此外，有源傳感器由於其電源需求而可以產生信號放大。LVDT 傳感器或應變儀是有源傳感器的示例。外部偏置（激勵信號）應變計是一種壓敏電阻橋網絡，可生成與施加到傳感器的機械力和/或(huo)應(ying)變(bian)成(cheng)比(bi)例(li)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。無(wu)源(yuan)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)像(xiang)有(you)源(yuan)傳(chuan)感(gan)器(qi)那(na)樣(yang)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)電(dian)源(yuan)或(huo)激(ji)勵(li)電(dian)壓(ya)。相(xiang)反(fan)
，無(wu)源(yuan)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)過(guo)產(chan)生(sheng)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)來(lai)響(xiang)應(ying)外(wai)部(bu)刺(ci)激(ji)。例(li)如(ru)，熱(re)電(dian)偶(ou)在(zai)加(jia)熱(re)時(shi)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)壓(ya)輸(shu)出(chu)。無(wu)源(yuan)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)直(zhi)接(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，可(ke)以(yi)改(gai)變(bian)電(dian)感(gan)
、電容或電阻等物理特性。與模擬傳感器相比，數字傳感器生成表示二進製數或數字的離散輸出
，例如邏輯電平“0”或“1”。
　　

模擬和數字傳感器和轉換器
　　

模擬傳感器
　　

模擬傳感器產生通常與被測量量成比例的連續輸出信號或電壓。由於溫度、速度

、壓力、位移

、yingbiandengwuliliangjuyoulianxuxing，yincitamendoushixiangside。liru
，dangyetijiarehuolengqueshi，wendujihuoredianoubuduanduiwendubianhuazuochufanying，keyongyuceliangyetidewendu。

圖 2：用於產生模擬信號的熱電偶

但是，請記住，水銀溫度計利用熱膨脹來改變水銀的體積以響應溫度變化；這zhe個ge過guo程cheng會hui產chan生sheng機ji械xie或huo可ke見jian的de位wei移yi，而er不bu是shi電dian信xin號hao。模mo擬ni傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu信xin號hao通tong常chang會hui隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi逐zhu漸jian平ping滑hua地di變bian化hua。由you於yu這zhe些xie信xin號hao的de值zhi通tong常chang在zai幾ji微wei伏fu (uV) 和幾毫伏 (mV) 之間
，因此需要某種放大。模擬信號測量電路通常響應緩慢和/或不準確。此外，模數轉換器 (ADC) 可以輕鬆地將模擬信號轉換為數字信號，以便在微控製器係統中使用。
　　

數字傳感器
　　

顧名思義
，數字傳感器生成離散的數字輸出信號或電壓，反映數字測量的數量。數字傳感器的二進製輸出信號要麼是邏輯“1”
，要麼是邏輯“0”，要麼是“ON”或“OFF”。因此，數字信號僅生成離散（非連續）值，這些值可以通過組合比特而產生為單個“位”（串行傳輸）或單個“字節”（並行傳輸）。

　　圖 3：用於產生數字信號的光傳感器

在上麵的基本示例中，數字 LED/光電檢測器傳感器用於測量旋轉軸的速度。圓盤的設計中有幾個透明的孔，連接到旋轉軸（例如電機或機器人輪）。當圓盤與軸的速度一起旋轉時，經過傳感器的每個槽依次生成代表邏輯“1”或邏輯“0”電平的輸出脈衝。為了顯示軸的速度或旋轉，這些脈衝首先被發送到計數器寄存器，然後發送到輸出顯示器。通過擴大圓盤的槽或“窗口”，zhoumeizhuanyiquandoukeyichanshenggengduodeshuchumaichong。zheyangzuodehaochushikeyijiancedaoxuanzhuandeyixiaobufen
，congertigaofenbianlvhezhunquexing。yipankongzhiyizuoweicankaoweizhi，zhezhongchuanganqizuhekenengyongyudingweikongzhi。shuzixinhaohuoshuliangkeyiyifeichanggaodeshizhongsudujinxingjiankonghe“采樣”，並且與模擬信號相比具有極高的精度。用於表示測量量的位數決定了數字信號的準確度。例如

，8 位處理器的準確度為 0.390%（256 分之一）。另一方麵，16 位處理器提供 0.0015% 的精度（65,536 分之一），即 260 倍的精度。由於數字值的處理和修改速度比模擬信號快數百萬倍
，因此可以保持這種精度。為了提供適合測量或使用的電信號，傳感器（更具體地說是模擬傳感器）除了某種額外的信號放大或濾波之外，通常還需要外部電源。如前所述，運算放大器是在單個電路中進行放大和濾波的非常好的方法。

傳感器和轉換器的信號調理

正zheng如ru運yun算suan放fang大da器qi課ke程cheng中zhong所suo演yan示shi的de，運yun算suan放fang大da器qi可ke以yi以yi同tong相xiang或huo反fan相xiang布bu置zhi方fang式shi連lian接jie
，以yi提ti供gong信xin號hao放fang大da。基ji本ben運yun算suan放fang大da器qi電dian路lu可ke以yi大da大da增zeng加jia傳chuan感gan器qi生sheng成cheng的de非fei常chang小xiao的de模mo擬ni信xin號hao電dian壓ya（例如幾毫伏甚至皮伏），以創建更大的電壓信號，例如 5v 或 5mA，然後可以將其用作輸入信號發送至微處理器或模數係統。因此
，必須使用電壓增益高達 10,000 和電流增益高達 1,000,000 的(de)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)放(fang)大(da)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)，以(yi)產(chan)生(sheng)有(you)用(yong)的(de)信(xin)號(hao)。放(fang)大(da)過(guo)程(cheng)必(bi)須(xu)是(shi)線(xian)性(xing)的(de)
，並(bing)且(qie)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)必(bi)須(xu)是(shi)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)的(de)再(zai)現(xian)，但(dan)幅(fu)度(du)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。然(ran)後(hou)
，信(xin)號(hao)調(tiao)節(jie)包(bao)括(kuo)放(fang)大(da)。因(yin)此(ci)，在(zai)模(mo)擬(ni)傳(chuan)感(gan)器(qi)使(shi)用(yong)信(xin)號(hao)之(zhi)前(qian)，通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)某(mou)種(zhong)放(fang)大(da)（增益）
、阻抗匹配
、輸入和輸出之間的隔離，或者可能進行濾波（頻率選擇）。運算放大器是實現這一目標的實用方法。此外，當感測到極小的物理變化時，傳感器的輸出信號可能會受到不需要的信號或電壓的“汙染”，從而無法準確測量所需的信號。 “噪音”是(shi)這(zhe)些(xie)不(bu)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)衝(chong)動(dong)的(de)術(shu)語(yu)。正(zheng)如(ru)我(wo)們(men)在(zai)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)課(ke)程(cheng)中(zhong)介(jie)紹(shao)的(de)那(na)樣(yang)
，信(xin)號(hao)調(tiao)節(jie)或(huo)濾(lv)波(bo)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhe)減(jian)少(shao)甚(shen)至(zhi)消(xiao)除(chu)這(zhe)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)或(huo)幹(gan)擾(rao)。通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)低(di)通(tong)、高通甚至帶通濾波器
，可以降低噪聲的“帶寬”，僅留下所需的輸出信號。例如，可以使用低通濾波器，因為許多輸入類型（如開關、鍵盤或手動控製器）無法快速改變狀態。當幹擾發生在特定頻率（例如電源頻率）時


，窄帶抑製濾波器或陷波濾波器可用於創建選頻濾波器。

典型運算放大器濾波器

圖 4：低通有源濾波器

圖 5：高通有源濾波器

ruguolvbohourengrancunzaiyixiesuijizaosheng
，zekenengxuyaocaiquxuduoyangbenbingduitamenjinxingpingjunyitigongzhongjieguo，congertigaoxinzaobi。wulunruhe，fangdahelvboduiyujiangchuanganqihehuannengqilianjiedao“現實世界”環境中的電子設備和基於微處理器的係統至關重要。位置傳感器用於監視物理對象的位置和/或位移（即從一個位置到另一個位置一定距離或角度的移動）
，將在下一傳感器課程中介紹。

結論
　　

傳感器將一種類型的能量轉換為另一種類型的能量
，分為輸入（傳感器）或輸出（執行器）設備。傳感器檢測和測量溫度或壓力等物理特性
，將其轉換為電信號，而執行器則調節外部動作。傳感器和換能器分為模擬或數字、有you源yuan或huo無wu源yuan。模mo擬ni設she備bei產chan生sheng連lian續xu信xin號hao，而er數shu字zi設she備bei產chan生sheng離li散san信xin號hao。有you源yuan傳chuan感gan器qi需xu要yao外wai部bu電dian源yuan，而er無wu源yuan傳chuan感gan器qi則ze根gen據ju外wai部bu刺ci激ji生sheng成cheng信xin號hao。放fang大da和he濾lv波bo對dui於yu處chu理li傳chuan感gan器qi輸shu出chu至zhi關guan重zhong要yao。運yun算suan放fang大da器qi通tong常chang用yong於yu增zeng強qiang小xiao模mo擬ni信xin號hao並bing濾lv除chu噪zao聲sheng，確que保bao測ce量liang和he與yu數shu字zi係xi統tong的de兼jian容rong性xing。應ying用yong包bao括kuo將jiang聲sheng波bo轉zhuan換huan為wei電dian信xin號hao的de麥mai克ke風feng和he執zhi行xing相xiang反fan過guo程cheng的de揚yang聲sheng器qi。熱re電dian偶ou和he應ying變bian儀yi等deng傳chuan感gan器qi在zai測ce量liang物wu理li特te性xing和he實shi現xian係xi統tong控kong製zhi方fang麵mian展zhan示shi了le實shi際ji用yong途tu。數shu字zi傳chuan感gan器qi提ti供gong更geng高gao的de精jing度du和he分fen辨bian率lv
，具ju有you適shi合he微wei處chu理li器qi的de離li散san二er進jin製zhi輸shu出chu。模mo擬ni傳chuan感gan器qi雖sui然ran是shi連lian續xu的de
，但dan需xu要yao轉zhuan換huan為wei數shu字zi信xin號hao以yi進jin行xing處chu理li。這zhe兩liang種zhong類lei型xing在zai電dian子zi和he控kong製zhi係xi統tong中zhong都dou發fa揮hui著zhe關guan鍵jian作zuo用yong。

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