一文详细了解传感器的工作原理及应用（一文详细了解传感器的工作原理）

传感器是指将收集到的信息转换成设备可以处理的信号的元件或设备。

人类会根据视觉、听觉、嗅觉和触觉获得的信息行动，设备也会如此，它们会根据传感器获得的信息进行控制或处理。

传感器采集并转换的信号(物理量)包括温度、光线、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。

这些材料变化使用半导体，此外，还有生物传感器使用生物物质，如酶和微生物。

不仅包括智能手机、个人电脑等通讯设备，还包括医疗设备、可穿戴设备、交通工具、自然环境、基础设施等。所有的对象都可以在互联网上共享信息，从而创造一个更方便、更安全的社会。

实现这些不可或缺的是传感器检测状态的。

地磁传感器

被地球的磁力包围的磁场，这叫地磁。

地磁传感器是一种探测地球的传感器磁力，也称为电子罗盘。

地磁传感器可以通过检测地磁来检测方向。

[地球周围的地磁]

地磁传感器具有X和Y两个轴，以及添加了Z的三个轴，并且测量所有方向上的磁力值。

如果不考虑诸如简单罗盘的倾斜，则仅使用X轴和Y轴的值。考虑倾斜时，需要结合地磁传感器和加速度传感器的3轴值，修正到正确的方向。

下图是地磁传感器水平旋转时X和Y值的分布。

如果地磁传感器水平旋转，在不受周围磁场影响的理想情况下，输出分布图的中心会变为零。

但实际上，由于环境磁场的影响，中心是移动的，所以需要调整使圆心移动到零。

地磁传感器导出的北极称为磁北(稍微偏离北极)。通过上面的等式计算磁北的角度，可以很容易地知道方向。

各种磁传感器

磁传感器是一种以测量磁场大小和方向为目的的传感器。

根据用途不同，传感器有很多种。以下是一些典型的传感器。

霍尔传感器

基于霍尔效应测量磁通密度的传感器输出与磁通密度成比例的电压。

它易于使用，主要用于非接触开关应用，如门和笔记本电脑等物体的打开和关闭检测。

磁共振传感器

MR(Magneto Resistance)传感器又称磁阻传感器，是一种利用物体电阻来测量因磁场变化而产生的地磁大小的传感器。

灵敏度比霍尔传感器高，功耗更低，是一种应用更广泛的磁传感器。除了电子罗盘等地磁检测应用之外，它还用于电机旋转和位置检测应用。

MI传感器

磁阻抗传感器是下一代磁传感器，采用特殊的非晶丝，应用磁阻抗效应。

其灵敏度比霍尔传感器高10000倍以上，可以高精度测量地磁的微小变化。

可应用于超低功耗的方位检测(电子罗盘)，也可应用于室内定位、金属异物检测等高灵敏度应用。

脉冲传感器

脉搏波是心脏送血时产生的血管容积变化的波形，监测这种容积变化的探测器称为脉搏传感器。

首先，测量心率的方法有四种，心电图法、光电脉搏波法、血压测量法、心音图法等。

其中，光电脉搏波法是使用脉搏传感器的测量方法。

由于测量方法不同，光电脉搏波法的脉搏传感器有透射式和反射式。

B型通过向体表照射红外线或红光，测量血流随心脏脉搏的变化，将脉搏波测量为透过身体的光的变化。

这种方法仅限于测量容易穿透的部位，如指尖和耳垂。

反射式脉冲传感器

反射脉冲传感器向活体照射波长约为550nm的红外光、红光和绿光，并通过光电二极管或光电晶体管测量活体反射的光。氧合血红蛋白存在于动脉血中，具有吸收入射光的特性。因此，通过检测随时间序列和心跳而变化的血流量(血管容积的变化)来测量脉搏信号。

另外，既然是反射光的测量，就不需要像透射式那样限制测量位置。

[反射式脉冲传感器的原理]

当使用红外线或红光来测量脉搏波时，会受到室外太阳光中所含红外线的影响，因此无法稳定地测量脉搏波。因此，建议仅将其用于室内或半室内应用。

在运动手表等户外应用中，血液中血红蛋白的吸收率很高。由于绿色光源受环境光影响较小，我们采用绿色LED作为照射光。

脉搏传感器的应用

一般来说，动脉血氧饱和度(SpO2)可以通过观察以下两点来测量。通过脉搏传感器获得的波形的波动周期观察心率(脉率)；通过使用红外光和红光两种波长来观察脉动(变化)。

此外，作为脉搏传感器的应用，期望获得各种生命体征，例如HRV分析(压力水平)、血管年龄等。通过高速采样和高精度测量。

气压传感器

气压传感器是检测大气压力的传感器。

根据要测量的压力值，压力传感器有如下所示的各种材料和方法的传感器。

在这些压力传感器中，检测大气压力的传感器(用于气压检测)通常被称为气压传感器。

[使用的材料-按模式分类的压力传感器]

气压传感器的典型例子是使用硅(Si)半导体的压阻型。

罗马提供的气压传感器也是压阻式气压传感器。

压阻式气压传感器

压阻式气压传感器以Si单晶片为膜片(压力接收元件)，通过其表面扩散杂质形成电阻电桥电路，以施加压力时产生的变形为电阻值变化来计算压力(气压)。

[压阻空气压力传感器]

由于施加在电阻器上的压力而导致电阻率(电导率)发生变化的现象称为压阻效应。Romm s气压传感器IC将压阻式压力接收元件(膜片结构和压阻集成在一起MEMS)和温度校正处理、控制电路等集成电路(ASIC)集成在一个封装中，可以轻松获得高精度的气压信息。

Mems:微机电系统(micro electro mechanical system)

集成了机械部件、传感器、执行器(驱动部件)等的装置。在电路板上。

专用集成电路。

它是一种集成电路，将几种电路功能结合到一个特定的应用中。

加速度传感器

加速度是指单位时间内产生的速度，测量加速度的IC称为加速度传感器。

通过测量加速度，我们可以测量物体的倾斜和振动。

加速度的单位是m/s2(国际单位制中的 SI)。

另外，单位G是基于标准重力(1 G=9.806 65m/s2)的加速度值。

还有用来检测地震振动加速度的单位Gal(CGS单位制)。

SI(法语：国际系统d 单位)

由长度m、重量kg和时间s组成的国际单位(MKS单位)。

标准重力

物体在重力作用下的加速度。物体自由落体时，物体单位时间内增加的速度(9.806 65m/s2)。

女孩

CGS(长度厘米，重量克，时间秒为基准)系统的加速度单位。定义为国际单位制的1/100(1加仑=0.01米/S2)。

传感器一般分为低g加速度传感器和高g加速度传感器，如下图所示。

电容式加速度传感器

Romm加速度计是采用MEMS技术的电容式加速度计。

该传感器由硅制成的固定电极、活动电极和弹簧组成。当没有施加加速度时，固定电极和可移动电极之间的距离是相同的。当施加加速度时，可移动电极发生位移。因此，与固定电极的位置关系改变，并且电极之间的电容改变。ASIC将容量变化转换为电压，计算加速度。

[电容原理]

ASIC

专用集成电路(专用集成电路)

指为特定目的集成多种电路功能的集成电路。

电流传感器

什么是电流传感器？

电流传感器是指检测电路中流动的电流值的传感器。

基于的电流检测方法

如下图所示，检测流动电流的方法大致可以分为电阻检测型和磁场检测型。

[当前的检测方法和特征]

电阻式将分流电阻引起的电压降转换成电流。安装简单，价廉物美，操作简单，但缺点是电阻上的功率损耗会产生较大的热量。磁场检测型

根据电流线中流动的电流，测量铁芯中产生的磁场的大小，从而测量电流值。这种方式不需要触点，功率损耗小，但是铁芯大，导致安装面积大的问题。

利用霍尔效应将流动电流周围产生的磁场转化为电压(霍尔电压)，测量电流值。由于霍尔效应产生的电压很小，所以集成电路由霍尔元件和放大电路组成。因为需要将电流引入IC，所以会发生功率损耗。

M1电流传感器

为了消除上述磁场检测型在安装难度(有铁芯)和功率损耗(无铁芯)方面的缺点，ROHM开发了一种采用MI(磁脉冲)元件的磁场检测型非接触电流传感器。

MI传感器是利用特殊非晶丝及其磁阻抗效应的新一代传感器，其特点是具有超灵敏的磁检测能力。

灵敏度远超霍尔元件，能高精度检测磁性的微小变化。因此，可以高精度地执行非接触电流检测(磁检测),而不会将电流引入封装中。

[当前传感器的结构比较(罗马调查)]

综上所述，MI电流传感器可用于非接触式电流测量，功耗更小，安装面积进一步减小。

颜色传感器

在光敏传感器(光传感器)中，检测R(红)、G(绿)和B(蓝)三原色的传感器称为颜色传感器。

颜色传感器通过光电二极管接收环境光，并检测RGB值。

颜色传感器原理

将具有RGB分量的光照射到物体上，反射光的颜色分量会随着物体的颜色而变化。

例如，红色物体的反射光成分是红色，黄色物体是红色和绿色，白色物体包含红色、绿色和蓝色的所有成分。

[物体反射光颜色示意图]

所以物体的颜色是由物体反射的光色(R，G，B)分量的比例决定的。

人眼通过获取反射光成分来识别物体的颜色。

你可以在黑暗的地方什么也看不见！这是因为没有照明光，反射光自然不存在，所以看起来很暗。

颜色传感器和人眼一样，使用光电二极管接收光线，通过计算接收到的R、G、B的比例来识别颜色。

颜色传感器集成电路的结构

下图显示了颜色传感器IC的结构。它配备了彩色滤光片和红外截止滤光片。

Roma的代表性颜色传感器的简要结构]

下面比较有或没有这些滤波器的传感器的光谱特性。

RGB光谱特性示意图]

颜色传感器IC通过为内部传感器配备R、G和B颜色的滤光器而具有高RGB分光特性，并且通过配备红外截止滤光器而具有红外去除特性，其可以高精度地识别颜色。

原标题：总结各种传感器原理

来源：【微信微信官方账号：STM32嵌入式开发】欢迎关注！请注明文章出处。

审计唐子红