传感器：机器的“感官”

现今生活中，传感器的身影无处不在，从手机、电视、台灯，到锅炉、电网、医疗器械……可以说，传感技术和传感器是现代设备中不可缺少的部分。爱好科创发明的你，怎能不多多了解这个神通广大的家伙——

主持：栗子君

传感器是什么

传感器，顾名思义，即“传递”“感觉”的“器具”。在最广泛的定义中，传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾）等，并将获得的信息传递给其他装置、器官。

我们知道，生物为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。但随着文明的进步，人类自身的感官已不能满足探索研究和生产活动的需要，于是传感器便应运而生。从这个意义上讲，传感器可以看作是人类感官的延伸，也是人类将感觉赋予机器设备的人造装置。正如中国物联网校企联盟描述的那样：

传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活起来。

人们喜欢用生物的五大感觉器官，来与传感器相比拟——光传感器，对应视觉器官;声音传感器，对应听觉器官;气体传感器，对应嗅觉器官;味传感器，对应味觉器官;温度传感器、压力传感器，对应触觉器官。可以说是既生动又贴切。

在严谨的定义，如国家标准中，传感器是：

能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

这里所说的“可用输出信号”，是指便于加工处理、便于传输利用的信号，就目前而言主要是电信号。所以传感器也常被称为“电五官”。

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传感器在英语中用“transducer”或“sensor”表示，《新韦氏大词典》将其定义为“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。这两个单词既有联系也有区别，代表了对传感器概念的不同理解，有兴趣的同学可做进一步了解，从而加深对传感器的认识。]

基本构造

传感器一般由四大部分组成，即敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源。

其中敏感元件直接感受被测的量，然后输出信号;转换元件将该信号转换为电信号;变换电路（信号调理电路）对电信號进行放大调制，最后将标准信号发送给其他设备（通常是计算机处理器）;辅助电源则负责给转换元件和变换电路供电。

当然，并非所有传感器都必须包括转换元件，如果敏感元件直接输出电信号，它就同时兼为转换元件。

不难看出，敏感元件是传感器的核心部件。根据敏感元件的感知功能，传感器常被分成热敏、光敏、气敏、力敏、磁敏、湿敏、声敏、放射敏、色敏和味敏等10大类。有些猛人甚至将敏感元件分出了46类！

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敏感元件也可以“兼任”哦。

一般来说，敏感元件是专门设计制造的，但别忘了，根据传感器的定义，只要能起到探测、传回信号的作用即可，不必拘泥于特定的形式。因此，为了节省资源、金钱和时间，有些研究团队大开脑洞，打起了用现有设施兼任传感器敏感元件的主意。

比如埋在地下的光缆，其实能精确分辨出地面上汽车、自行车和行人所产生的不同振动，甚至连不同的汽车型号、车里坐了几个人都能分得清清楚楚。目前，一个美国公司正尝试利用从斯坦福大学校园收集的地底光缆振动信息，开发追踪车辆和行人的新项目。

再如手机信号塔，可以兼做湿敏元件，监测天气湿度。因为手机跟附近信号塔通信所需的时间，与空气中的水分含量直接相关。

传感器怎样工作

传感器种类繁多，所依据的原理也不尽相同。下面简单介绍常用的几大类传感器是如何设计、如何工作的。（分类标准并不绝对，许多类别之间会有交叉。）

◆电阻式传感器

通过将被测量的量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等，转变成电阻值来工作。总之，只要是与电阻值有稳定对应关系的量，都可设计出相应的电阻式传感器，因此这个大类别应用极广，又可细分为热电阻、电阻应变式、压阻式、气敏、湿敏等具体种类。

热电阻。我们知道，导体的电阻大小会随温度变化而变化，利用这一特性可以很方便地制成温度或与温度相关的传感器。热电阻大多由纯金属制成，温度越高电阻越大，反之电阻越小。其中用得最多的金属材料是铂和铜，此外还有镍、锰、铑等“新秀”。

电阻应变式。导体或半导体在外力作用下发生机械形变时，其电阻值相应地发生变化，这种现象称为“应变效应”。根据该原理制成的电阻应变式传感器，可测量应变、应力、力矩、位移、加速度、扭矩等物理量。传感器中的电阻应变片主要有金属和半导体两类。

压阻式。压阻效应与应变效应相似，即材料受力时电阻值会相应变化;不同的是，压阻效应发生在微观的原子层面，故对外力的变化要敏感得多。压阻式传感器通常使用半导体压敏材料制作，主要是硅片和锗片，敏感度可达应变式的100倍，但缺点是同时易受温度影响。

气敏和湿敏电阻会涉及化学效应，在下文化学传感器中再详细介绍。

◆光敏传感器

即对外界光信号、光辐射有响应或转换功能的传感器。光敏传感器的家族成员也非常多，光电二极管、光电三极管、光电倍增管、光敏电阻、太阳能电池、色彩传感器、图像传感器等，都属于光敏传感器。

光敏传感器利用光电效应工作。光照射物体，相当于是一连串带有能量的光子轰击该物体。物体内部的电子从光子处获得能量，状态发生变化，使得该物体产生相应的电效应，于是光信号就转变成了电信号。光敏传感器的敏感波长在可见光附近，也包括红外线和紫外线。

光敏传感器探测的对象并不只局限于光，它还可以探测许多其他非电量，只要这种量能转换成光信号的变化。因此，它也是最常见、应用最广的传感器类别之一。

光敏电阻。是最简单的光敏传感器，用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成，其电阻值会随光照的强弱发生改变。光敏电阻可以很方便地测量光、控制光，以及进行光电转换，所以很多自动开关、调光电路、光电池等都会用到它。

色彩传感器。我们知道，将红、绿、蓝三种基本色光按不同比例混合，可引起不同的色彩感觉。色彩传感器中就装有这三种光源，分别向物体发射红、绿、蓝光，然后根据三种光反射回来的信号，计算出三基色的占比，从而“感知”物体颜色。再通过对比预存的色值，即可控制下一步操作，如开关电路、校准色彩等。

图像传感器。无论什么样的图像，都可看成是由千千万万像素组成的阵列。图像传感器的基本原理，就是将被测量物体的图像分解成一个个像素，然后接收每个像素点的光信号并转换成相应的电信号，再按照同样的阵列进行组合，从而还原图像。

图像传感器被广泛用于数码相机、摄像机、医学内窥仪器等成像设备上，进行图像捕捉，此外它还能通过对比预存的基准图像来识别和处理目标物体。比如，将预存图像设定为正确安装8颗螺栓的零件，传感器就会自动拒收螺栓不等于8颗或位置未对準的产品。

◆霍尔传感器

根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。所谓霍尔效应，是指当电流通过位于磁场中的导体时，会产生一个与原电流方向垂直的电势差。这个电势差称为霍尔电压。磁场越强，霍尔电压就越高，反之则越低。

霍尔效应可用于测量物体本身的磁场或磁特性，也可将位移、速度、压力等物理量转换成磁场变化来进行测量和控制。比如一个非磁性材料制成的圆盘，在它边缘上粘一块磁钢，把霍尔传感器放在旁边，圆盘每旋转一周，霍尔传感器就会输出一个信号，从而统计出所转的圈数;如果给定时间限制，测出的便是转速。

◆化学传感器

对各种化学物质敏感并将其浓度、成分等转化成电信号的传感器。气敏、湿敏电阻都是常见的化学传感器。

气敏电阻。又分接触燃烧式、电化学式和半导体式。

接触燃烧式一般以铂金属丝为检测元件，主要用于检测可燃性气体。可燃性气体接触到通电发热的高温铂丝后燃烧，使得铂丝温度升高，电阻值增大，从而检知气体浓度。

电化学式是利用被测气体在电极处发生氧化还原反应，使电极的电阻率发生改变来工作，可用于检测一氧化碳、氢气、甲烷、二氧化硫、乙醇等。

半导体式利用的则是一些氧化物半导体材料，如氧化锡、氧化锌、氧化铁等，它们接触相应气体后，表面发生氧化还原反应，使得自身的电阻值改变，从而实现检测。

湿敏电阻。某些吸湿性盐类，如氯化锂，吸收空气中的水分潮解后，离子导电率会发生变化。在湿度高的环境里，氯化锂溶液浓度将会降低，导电率下降，电阻值增大;反之则电阻值减小。利用这一特性，就可检测湿度。

传感器的世界可真广阔，栗子君越去了解就越觉得丰富、有趣。你有没有同感？