換能器是將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量的設(shè)備，既可以用作電子電路的輸入，也可以用作其輸出。

傳感器和換能器分別是輸入和輸出設(shè)備，是所有電子和控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，允許其根據(jù)所使用的設(shè)備測(cè)量或改變其周圍環(huán)境。

但是，為了使電子電路或系統(tǒng)執(zhí)行任何有用的任務(wù)或功能，它需要能夠與“現(xiàn)實(shí)世界”進(jìn)行通信。無(wú)論是通過(guò)從“開(kāi)/關(guān)”開(kāi)關(guān)讀取輸入信號(hào)，還是通過(guò)激活某種形式的輸出設(shè)備來(lái)點(diǎn)亮一盞燈。

換句話說(shuō)，電子系統(tǒng)或電路必須能夠“做”某事，而傳感器和換能器是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的完美組件。

“換能器”一詞是傳感器和執(zhí)行器的統(tǒng)稱。傳感器可用于感知各種不同的能量形式，如運(yùn)動(dòng)、電信號(hào)、輻射能、熱能或磁能等。而執(zhí)行器可用于切換輸出狀態(tài)、電壓或電流。

有許多不同類型的傳感器和換能器，包括模擬和數(shù)字類型，既有輸入版本也有輸出版本可供選擇。所使用的輸入或輸出換能器的類型實(shí)際上取決于被“感知”或“控制”的信號(hào)或過(guò)程的類型。然后我們可以將換能器定義為可以將一種物理量轉(zhuǎn)換為另一種物理量的設(shè)備。

執(zhí)行“輸入”功能的設(shè)備通常稱為傳感器，因?yàn)樗鼈儭案兄蹦承┨匦缘奈锢碜兓?，從而改變它們?duì)某種形式的外部激勵(lì)的響應(yīng)。例如，熱量或力被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。執(zhí)行“輸出”功能的設(shè)備通常稱為執(zhí)行器，可用于控制某些外部動(dòng)作。例如，運(yùn)動(dòng)或聲音。

因此，電換能器用于將一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量。例如，麥克風(fēng)（輸入設(shè)備）將歌手的聲音波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供放大器放大（一個(gè)過(guò)程），而揚(yáng)聲器（輸出設(shè)備）將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換回聲波。

下面給出了這種簡(jiǎn)單輸入/輸出（I/O）系統(tǒng)的示例。

使用聲換能器的簡(jiǎn)單輸入/輸出系統(tǒng)

聲換能器系統(tǒng)

市場(chǎng)上有許多不同類型的傳感器和換能器，通常按測(cè)量類型分類，即物理、化學(xué)或生物。因此，選擇使用哪種傳感器實(shí)際上取決于被測(cè)量或控制的量，下表列出了一些常見(jiàn)類型：

常見(jiàn)傳感器和換能器

輸入型換能器或傳感器產(chǎn)生與它們所測(cè)量的量（刺激）變化成比例的電壓或信號(hào)輸出響應(yīng)。輸出信號(hào)的類型或數(shù)量取決于所使用的傳感器類型。但一般來(lái)說(shuō)，所有類型的傳感器可以分為兩種，即無(wú)源傳感器或有源傳感器。

通常，有源傳感器需要外部電源來(lái)操作，稱為激勵(lì)信號(hào)，傳感器使用該信號(hào)來(lái)產(chǎn)生輸出信號(hào)。有源傳感器響應(yīng)外部效應(yīng)改變其特性并產(chǎn)生輸出信號(hào)。例如，1到10V DC的輸出電壓，或4到20mA DC的輸出電流。此外，由于它們的電源需求，有源傳感器還可以產(chǎn)生信號(hào)放大。

有源傳感器的一個(gè)很好的例子是LVDT傳感器或應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)是壓力敏感的電阻橋網(wǎng)絡(luò)，外部偏置（激勵(lì)信號(hào)）以產(chǎn)生與施加到傳感器上的機(jī)械力和/或應(yīng)變量成比例的輸出電壓。

與有源傳感器不同，無(wú)源傳感器不需要任何額外的電源或激勵(lì)電壓。相反，無(wú)源傳感器響應(yīng)某些外部刺激生成輸出信號(hào)。例如，熱電偶在暴露于熱量時(shí)生成自己的電壓輸出。然后無(wú)源傳感器是直接傳感器，它們改變其物理特性，如電阻、電容或電感等。

但除了模擬傳感器外，數(shù)字傳感器還產(chǎn)生表示二進(jìn)制數(shù)或數(shù)字的離散輸出，例如邏輯電平“0”或邏輯電平“1”。

模擬和數(shù)字傳感器及換能器

模擬傳感器

模擬傳感器產(chǎn)生連續(xù)輸出信號(hào)或電壓，通常與被測(cè)量的量成比例。溫度、速度、壓力、位移、應(yīng)變等物理量都是模擬量，因?yàn)樗鼈兺沁B續(xù)的。

例如，液體的溫度可以使用溫度計(jì)或熱電偶測(cè)量，這些設(shè)備在液體加熱或冷卻時(shí)連續(xù)響應(yīng)溫度變化。

用于產(chǎn)生模擬信號(hào)的熱電偶

模擬信號(hào)傳感器和換能器

請(qǐng)注意，水銀溫度計(jì)將通過(guò)熱膨脹響應(yīng)溫度變化而產(chǎn)生水銀體積的變化，其中輸出是機(jī)械或視覺(jué)位移而不是電信號(hào)。

模擬傳感器往往會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間平滑且連續(xù)變化的輸出信號(hào)。這些信號(hào)的值往往非常小，從幾微伏（uV）到幾毫伏（mV），因此需要某種形式的放大。

然后測(cè)量模擬信號(hào)的電路通常響應(yīng)較慢和/或精度較低。此外，通過(guò)使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），模擬信號(hào)可以輕松轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于微控制器系統(tǒng)。

數(shù)字傳感器

顧名思義，數(shù)字傳感器產(chǎn)生離散的數(shù)字輸出信號(hào)或電壓，這些信號(hào)是被測(cè)量的量的數(shù)字表示。數(shù)字傳感器以邏輯“1”或邏輯“0”（“開(kāi)”或“關(guān)”）的形式產(chǎn)生二進(jìn)制輸出信號(hào)。這意味著數(shù)字信號(hào)僅產(chǎn)生離散（非連續(xù)）值，可以作為單個(gè)“位”（串行傳輸）輸出，或通過(guò)組合位產(chǎn)生單個(gè)“字節(jié)”輸出（并行傳輸）。

用于產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的光傳感器

數(shù)字信號(hào)傳感器和換能器

在我們上面的簡(jiǎn)單示例中，旋轉(zhuǎn)軸的速度通過(guò)使用數(shù)字LED/光電探測(cè)器傳感器測(cè)量。固定在旋轉(zhuǎn)軸（例如，電機(jī)或機(jī)器人輪子）上的圓盤在其設(shè)計(jì)中具有多個(gè)透明槽。當(dāng)圓盤隨軸的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)槽依次通過(guò)傳感器，產(chǎn)生表示邏輯“1”或邏輯“0”電平的輸出脈沖。

這些脈沖被發(fā)送到計(jì)數(shù)器寄存器，最后發(fā)送到輸出顯示器以顯示軸的速度或轉(zhuǎn)數(shù)。通過(guò)增加圓盤中的槽或“窗口”數(shù)量，可以為軸的每轉(zhuǎn)產(chǎn)生更多的輸出脈沖。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率和精度，因?yàn)榭梢詸z測(cè)到軸的幾分之一轉(zhuǎn)。然后這種類型的傳感器布置也可以用于位置控制，其中一個(gè)圓盤槽代表參考位置。

與模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)或量具有非常高的精度，并且可以以非常高的時(shí)鐘速度進(jìn)行測(cè)量和“采樣”。數(shù)字信號(hào)的精度與用于表示被測(cè)量的量的位數(shù)成正比。例如，使用8位處理器將產(chǎn)生0.390%的精度（1/256）。而使用16位處理器則提供0.0015%的精度（1/65,536）或260倍的精度。這種精度可以保持，因?yàn)閿?shù)字量的處理和操作非常迅速，比模擬信號(hào)快數(shù)百萬(wàn)倍。

在大多數(shù)情況下，傳感器，特別是模擬傳感器通常需要外部電源和某種形式的信號(hào)放大或?yàn)V波，以產(chǎn)生能夠被測(cè)量或使用的合適電信號(hào)。實(shí)現(xiàn)放大和濾波的一種非常好的方法是在單個(gè)電路中使用運(yùn)算放大器，如前所述。

傳感器和換能器的信號(hào)調(diào)理

正如我們?cè)谶\(yùn)算放大器教程中看到的，運(yùn)算放大器可以用于在反相或非反相配置中提供信號(hào)放大。

由傳感器產(chǎn)生的非常小的模擬信號(hào)電壓，如幾毫伏甚至皮伏，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路放大許多倍，以產(chǎn)生更大的電壓信號(hào)，例如5V或5mA，然后可以用作微處理器或基于模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入信號(hào)。

因此，為了提供任何有用的信號(hào)，傳感器的輸出信號(hào)必須通過(guò)具有高達(dá)10,000的電壓增益和高達(dá)1,000,000的電流增益的放大器進(jìn)行放大，信號(hào)的放大是線性的，輸出信號(hào)是輸入的精確再現(xiàn)，只是幅度發(fā)生了變化。

然后放大是信號(hào)調(diào)理的一部分。因此，在使用模擬傳感器時(shí)，通常需要某種形式的放大（增益）、阻抗匹配、輸入和輸出之間的隔離或?yàn)V波（頻率選擇），然后才能使用信號(hào)，這可以通過(guò)運(yùn)算放大器方便地執(zhí)行。

此外，當(dāng)測(cè)量非常小的物理變化時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)可能會(huì)被不需要的信號(hào)或電壓“污染”，從而無(wú)法正確測(cè)量所需的實(shí)際信號(hào)。這些不需要的信號(hào)稱為“噪聲”。通過(guò)使用信號(hào)調(diào)理或?yàn)V波技術(shù)，可以大大減少甚至消除這種噪聲或干擾，正如我們?cè)谟性礊V波器教程中討論的那樣。

通過(guò)使用低通、高通或甚至帶通濾波器，可以減少噪聲的“帶寬”，只留下所需的輸出信號(hào)。例如，來(lái)自開(kāi)關(guān)、鍵盤或手動(dòng)控制的許多類型的輸入無(wú)法快速改變狀態(tài)，因此可以使用低通濾波器。當(dāng)干擾處于特定頻率時(shí)，例如主頻率，可以使用窄帶抑制或陷波濾波器來(lái)產(chǎn)生頻率選擇性濾波器。

典型的運(yùn)算放大器濾波器

傳感器和換能器濾波器

如果在濾波后仍然存在一些隨機(jī)噪聲，則可能需要采集多個(gè)樣本，然后對(duì)其進(jìn)行平均以給出最終值，從而提高信噪比。無(wú)論哪種方式，放大和濾波在將傳感器和換能器與微處理器和基于電子系統(tǒng)的“現(xiàn)實(shí)世界”條件接口中都起著重要作用。

在下一個(gè)關(guān)于傳感器的教程中，我們將討論位置傳感器，這些傳感器測(cè)量物理對(duì)象的位置和/或位移，即從一位置到另一位置的移動(dòng)，用于特定距離或角度。