傳感器

 

一、定義

 

傳感器（transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

 

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定的規律(數學函數法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”

 

二、特點

 

微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化

 

三、組成

 

傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四部分組成，如圖所示：

 

四、檢測標準

 

我國現行的檢測標準：

GB/T 14479-1993 傳感器圖用圖形符號

GB/T 15478-1995 壓力傳感器性能試驗方法

GB/T 15768-1995 電容式濕敏元件與濕度傳感器總規范

GB/T 15865-1995 攝像機(PAL/SECAM/NTSC)測量方法第1部分:非廣播單傳感器攝像機

GB/T 13823.17-1996 振動與沖擊傳感器的校準方法聲靈敏度測試

GB/T 18459-2001 傳感器主要靜態性能指標計算方法

GB/T 18806-2002 電阻應變式壓力傳感器總規范

GB/T 18858.2-2002 低壓開關設備和控制設備控制器-設備接口(CDI) 第2部分:執行器傳感器接口(AS-i)

GB/T 18901.1-2002 光纖傳感器第1部分:總規范

GB/T 19801-2005 無損檢測聲發射檢測聲發射傳感器的二級校準

GB/T 7665-2005 傳感器通用術語

GB/T 7666-2005 傳感器命名法及代號

GB/T 11349.1-2006 振動與沖擊機械導納的試驗確定第1部分：基本定義與傳感器

GB/T 20521-2006 半導體器件第14-1部分: 半導體傳感器-總則和分類

GB/T 14048.15-2006 低壓開關設備和控制設備第5-6部分：控制電路電器和開關元件-接近傳感器和開關放大器的DC接口（NAMUR）

GB/T 20522-2006 半導體器件第14-3部分: 半導體傳感器-壓力傳感器

GB/T 20485.11-2006 振動與沖擊傳感器校準方法第11部分：激光干涉法振動絕對校準

GB/T 20339-2006 農業拖拉機和機械固定在拖拉機上的傳感器聯接裝置技術規范

GB/T 20485.21-2007 振動與沖擊傳感器校準方法第21部分：振動比較法校準

GB/T 20485.13-2007 振動與沖擊傳感器校準方法第13部分: 激光干涉法沖擊絕對校準

GB/T 13606-2007 土工試驗儀器巖土工程儀器振弦式傳感器通用技術條件

GB/T 21529-2008 塑料薄膜和薄片水蒸氣透過率的測定電解傳感器法

GB/T 20485.1-2008 振動與沖擊傳感器校準方法第1部分: 基本概念

GB/T 20485.12-2008 振動與沖擊傳感器校準方法第12部分：互易法振動絕對校準

GB/T 20485.22-2008 振動與沖擊傳感器校準方法第22部分：沖擊比較法校準

GB/T 7551-2008 稱重傳感器

GB 4793.2-2008 測量、控制和實驗室用電氣設備的安全要求第2部分：電工測量和試驗用手持和手操電流傳感器的特殊要求

GB/T 13823.20-2008 振動與沖擊傳感器校準方法加速度計諧振測試通用方法

GB/T 13823.19-2008 振動與沖擊傳感器的校準方法地球重力法校準

GB/T 25110.1-2010 工業自動化系統與集成工業應用中的分布式安裝第1部分：傳感器和執行器

GB/T 20485.15-2010 振動與沖擊傳感器校準方法第15部分：激光干涉法角振動絕對校準

GB/T 26807-2011 硅壓阻式動態壓力傳感器

GB/T 20485.31-2011 振動與沖擊傳感器的校準方法第31部分：橫向振動靈敏度測試

GB/T 13823.4-1992 振動與沖擊傳感器的校準方法磁靈敏度測試

GB/T 13823.5-1992 振動與沖擊傳感器的校準方法安裝力矩靈敏度測試

GB/T 13823.6-1992 振動與沖擊傳感器的校準方法基座應變靈敏度測試

GB/T 13823.8-1994 振動與沖擊傳感器的校準方法橫向振動靈敏度測試

GB/T 13823.9-1994 振動與沖擊傳感器的校準方法橫向沖擊靈敏度測試

GB/T 13823.12-1995 振動與沖擊傳感器的校準方法安裝在鋼塊上的無阻尼加速度計共振頻率測試

GB/T 13823.14-1995 振動與沖擊傳感器的校準方法離心機法一次校準

GB/T 13823.15-1995 振動與沖擊傳感器的校準方法瞬變溫度靈敏度測試法

GB/T 13823.16-1995 振動與沖擊傳感器的校準方法溫度響應比較測試法

GB/T 13866-1992 振動與沖擊測量描述慣性式傳感器特性的規定

 

手機中常用傳感器

 

一、光線傳感器：

 

原理：光敏三極管，接受外界光線時，會產生強弱不等的電流，從而感知環境光亮度。

 

用途：通常用于調節屏幕自動背光的亮度，白天提高屏幕亮度，夜晚降低屏幕亮度，使得屏幕看得更清楚，并且不刺眼。也可用于拍照時自動白平衡。還可以配合下面的距離傳感器檢測手機是否在口袋里防止誤觸。

 

二、距離傳感器：

 

原理：紅外LED燈發射紅外線，被近距離物體反射后，紅外探測器通過接收到紅外線的強度，測定距離，一般有效距離在10 cm內。距離傳感器同時擁有發射和接受裝置，一般體積較大。

 

用途：檢測手機是否貼在耳朵上正在打電話，以便自動熄滅屏幕達到省電的目的。也可用于皮套、口袋模式下自動實現解鎖與鎖屏動作。

 

題外話：光線傳感器與距離傳感器的位置

 

光線傳感器和距離傳感器一般都是放在一起的，位于手機正面聽筒周圍，這樣就存在一個問題，手機的額頭上開了太多洞或黑色長條不太好看，所以蘋果一直在想方設法減少開孔、或者隱藏開孔。黑色面板的手機可以輕易隱藏這兩個傳感器，但白色面板就有點難度了：

 

蘋果從iPhone5開始，將光線傳感器做成了白色，很好的隱藏了起來，但很多國產手機廠商暫時無法做到，他們只能選用更小尺寸的傳感器，將光線+距離傳感器放在一起做成更小的長條形，或者和攝像頭一樣大的大圓形，這樣相對好看一些。錘子的傳感器也是長條形，但直接放在了聽筒里面，也算是隱藏了起來。

 

三、重力傳感器：

 

原理：利用壓電效應實現，傳感器內部一塊重物和壓電片整合在一起，通過正交兩個方向產生的電壓大小，來計算出水平方向。

 

用途：手機橫豎屏智能切換、拍照照片朝向、重力感應類游戲(如滾鋼珠)。

 

四、加速度傳感器：

 

原理：與重力傳感器相同，也是壓電效應，通過三個維度確定加速度方向，但功耗更小，但精度低。

 

用途：計步、手機擺放位置朝向角度。

 

五、磁場傳感器：

 

原理：各向異性磁致電阻材料，感受到微弱的磁場變化時會導致自身電阻產生變化，所以手機要旋轉或晃動幾下才能準確指示方向。

 

用途：指南針、地圖導航方向、金屬探測器APP。

 

六、陀螺儀：

 

原理：角動量守恒，一個正在高速旋轉的物體(陀螺)，它的旋轉軸沒有受到外力影響時，旋轉軸的指向是不會有任何改變的。陀螺儀就是以這個原理作為依據，用它來保持一定的方向。三軸陀螺儀可以替代三個單軸陀螺儀，可同時測定6個方向的位置、移動軌跡及加速度。

 

用途：體感、搖一搖(晃動手機實現一些功能)、平移/轉動/移動手機可在游戲中控制視角、VR虛擬現實、在GPS沒有信號時(如隧道中)根據物體運動狀態實現慣性導航。

 

七、GPS：

 

原理：地球特定軌道上運行著24顆GPS衛星，每一顆衛星都在時刻不停地向全世界廣播自己的當前的位置坐標及時間戳信息。手機GPS模塊通過天線接收到這些信息。GPS模塊中的芯片根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，根據衛星發射坐標的時間戳與接收時的時間差計算出衛星與手機的距離，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置坐標。

 

用途：地圖、導航、測速、測距。

 

八、指紋傳感器：

 

目前的主流是電容式指紋識別，但從今年開始識別速度更快識別率更高的超聲波指紋識別會逐漸普及。

 

電容指紋傳感器原理：手指構成電容的一極，另一極是硅晶片陣列，通過人體帶有的微電場與電容傳感器間形成微電流，指紋的波峰波谷與感應器之間的距離形成電容高低差，從而描繪出指紋圖像。

 

超聲波指紋傳感器原理：超聲波多用于測量距離，比如海底地形測繪用的聲納系統。超聲波指紋識別的原理也相同，就是直接掃描并測繪指紋紋理，甚至連毛孔都能測 繪出來。因此超聲波獲得的指紋是3D立體的，而電容指紋是2D平面的。超聲波不僅識別速度更快、而且不受汗水油污的干擾、指紋細節更豐富難以破解。

 

用途：加密、解鎖、支付……

 

九、霍爾感應器：

 

原理：霍爾磁電效應，當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的的作用力，從而在導體的兩端產生電勢差。

 

用途：翻蓋自動解鎖、合蓋自動鎖屏

 

十、氣壓傳感器：

 

原理：分為變容式或變阻式氣壓傳感器，將薄膜與變阻器或電容連接起來，氣壓變化導致電阻或電容的數值發生變化，從而獲得氣壓數據。

 

用途：GPS計算海拔會有十米左右的誤差，氣壓傳感器主要用于修正海拔誤差(將至1米左右)，當然也能用來輔助GPS定位立交橋或樓層位置。

 

十一、心率傳感器：

 

原理：用高亮度LED光源照射手指，當心臟將新鮮的血液壓入毛細血管時，亮度(紅色的深度)呈現如波浪般的周期性變化，通過攝像頭快速捕捉這一有規律變化的間隔，再通過手機內應用換算，從而判斷出心臟的收縮頻率。

 

用途：運動、健康。

 

十二、血氧傳感器：

 

原理：血液中血紅蛋白和氧合血紅蛋白對紅外光和紅光的吸收比率不同，用紅外光和紅光兩個LED同時照射手指，測量反射光的吸收光譜，就可以測量血氧含量。

 

用途：運動、健康。

 

十三、紫外線傳感器：

 

原理：利用某些半導體、金屬或金屬化合物的光電發射效應，在紫外線照射下會釋放出大量電子，檢測這種放電效應可計算出紫外線強度。

 

用途：運動、健康。