總結(jié)各種傳感器原理

何謂傳感器（Sensor）？

傳感器（Sensor）是指將收集到的信息轉(zhuǎn)換成設(shè)備能處理的信號的元件或裝置。人類會基于視覺、聽覺、嗅覺、觸覺獲得的信息進行行動，設(shè)備也一樣，根據(jù)傳感器獲得的信息進行控制或處理。

傳感器收集轉(zhuǎn)換的信號（物理量）有溫度、光、顏色、氣壓、磁力、速度、加速度等。這些利用了半導(dǎo)體的物質(zhì)變化，除此之外，還有利用酶和微生物等生物物質(zhì)的生物傳感器。

IoT與傳感器

所有物體都連接互聯(lián)網(wǎng)的IoT（Internet of Things：物聯(lián)網(wǎng)）。不僅智能手機、個人電腦等通信設(shè)備，還包括醫(yī)療設(shè)備、可穿戴式設(shè)備、車載、自然環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施等，所有物體都能聯(lián)網(wǎng)共享信息，從而創(chuàng)造更便利、更安心、更安全的社會。實現(xiàn)這些所不可缺少的是檢測狀態(tài)的“傳感器”。

IoT：Internet of Things（"物體"的互聯(lián)網(wǎng)），指傳感器嵌入到周圍物體中，進行聯(lián)網(wǎng)，從而物體之間，物體與人之間可以相互通信的狀態(tài)。

德國?工業(yè)4.0：是德國政府提出的旨在提升制造業(yè)智能化水平的概念，也是工業(yè)、政府、學(xué)術(shù)界共同推進的國家項目。推出新的概念，旨在通過工廠物聯(lián)網(wǎng)，創(chuàng)造新的價值。

M2M：Machine to Machine: 指不以人為媒介，通過物體之間聯(lián)網(wǎng)，直接通信。

P2M: People to Machine 人向物體通信＞，＜M2P: Machine to People 物體向人通信＞

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：GE（Generel Electric Company）為中心提倡的工業(yè)IoT戰(zhàn)略。

地磁傳感器

地球被磁場磁力所包圍，這被稱為地磁。地磁傳感器是檢測地球磁力的傳感器，也被稱為“電子羅盤”。地磁傳感器可以通過檢測地磁來檢測方向。

地磁傳感器有X和Y兩軸型以及添加了Z的三軸型，并測量各方向上的磁力值。如果不考慮諸如簡單羅盤之類的傾斜，則僅使用X軸和Y軸的值。當(dāng)考慮傾斜時，需要將地磁傳感器的3軸值與加速度傳感器相結(jié)合，將其校正到正確的方向。

下圖顯示了地磁傳感器水平旋轉(zhuǎn)時X和Y值的分布。

如果地磁傳感器水平旋轉(zhuǎn)，在不受周圍磁場影響的理想情況下，輸出分布圖的圓心變?yōu)榱?。然而，實際上中心因環(huán)境磁場的影響而移動，因此需要進行調(diào)整以將圓心移動到零。

地磁傳感器導(dǎo)出的北極稱為磁北（略偏離北極）。通過上述方程式計算該磁北的角度，可以容易知道方向。

各類磁傳感器

磁傳感器是一種旨在測量磁場的大小和方向的傳感器。根據(jù)目的不同有多種傳感器，以下列舉典型的傳感器。

霍爾傳感器：基于霍爾效應(yīng)測量磁通密度的傳感器，輸出與磁通密度成比例的電壓。它易于使用，主要用于非接觸式開關(guān)應(yīng)用，例如門和筆記本電腦等物體的打開和關(guān)閉檢測。

MR傳感器：MR（Magneto Resistance）傳感器也被稱為磁阻效應(yīng)傳感器，利用物體電阻因磁場變化來測量地磁大小的傳感器。靈敏度高于霍爾傳感器，功耗更低，因此是一種使用更廣泛的磁傳感器。除了電子羅盤等地磁檢測應(yīng)用外，它還用于電機旋轉(zhuǎn)和位置檢測應(yīng)用。

MI傳感器：MI（Magneto Impedance）傳感器是下一代磁傳感器，采用特殊的非晶絲并應(yīng)用了磁阻抗效應(yīng)。它的靈敏度比霍爾傳感器高出10000倍以上，并且可以高精度地測量地磁的微小變化?？梢詰?yīng)用于超低消耗電流的方位檢測（電子羅盤），還可應(yīng)用于室內(nèi)定位、金屬異物檢測等高靈敏度特性的應(yīng)用。

脈搏傳感器

脈搏波是心臟發(fā)送血液時產(chǎn)生的血管的體積變化波形，監(jiān)測該體積變化的檢測器稱為脈搏傳感器。

首先，測量心率有四種方法，心電圖、光電脈波法、血壓測量法、心音描記法等。其中的光電脈波法是使用脈搏傳感器進行測量的方法。

由于測量方法的不同，光電脈波法的脈搏傳感器有透過型和反射型。透過型通過向體表照射紅外線或紅光，測量隨著心臟的脈動而變化的血流量的變化，作為透過身體的光的變化量來測量脈搏波。該方法限于測量易于穿透的部分，例如指尖和耳垂。

反射型脈搏傳感器

反射型脈搏傳感器是向生物體照射紅外線、紅光、550nm左右波長的綠光，利用光電二極管或光電晶體管測量生物體反射的光。含氧血紅蛋白存在于動脈血液中，具有吸收入射光的特性，因此通過檢測隨時間序列并隨心臟搏動而變化的血流量（血管容積的變化），測量脈搏信號。另外，由于是反射光的測量，因此不必像透過型那樣限制測量部位。

當(dāng)使用紅外線或紅光測量脈搏波時，受到室外陽光中包含的紅外線的影響，不能進行穩(wěn)定的脈搏波測量。因此，建議僅將其用于室內(nèi)或半室內(nèi)應(yīng)用。在運動腕表等戶外用途，血液中的血紅蛋白的吸收率高，由于綠色光源較少受環(huán)境光的影響，我們將綠色LED作為照射光使用。

脈搏傳感器的應(yīng)用

通常，通過觀察以下兩點可以測量動脈血氧飽和度（SpO2）。通過脈搏傳感器獲得的波形的變動周期，觀察心率（脈率）；通過使用紅外線和紅光兩個波長，來觀察脈動（變化量）。

此外，作為脈搏傳感器的應(yīng)用，期望通過高速采樣和高精度測量來獲取諸如HRV分析（壓力水平）、血管年齡等各種生命體征。

氣壓傳感器

氣壓傳感器是檢測大氣壓力的傳感器。根據(jù)要測量的壓力值，壓力傳感器具有如下所示的各種材料和方法的傳感器。在這些壓力傳感器中，檢測大氣壓力（用于氣壓檢測）的傳感器通常被稱為氣壓傳感器。

氣壓傳感器的典型示例是使用硅（Si）半導(dǎo)體的壓阻式。

壓阻式氣壓傳感器

壓阻式氣壓傳感器使用Si單晶板作為隔膜（壓力接收元件），通過在其表面上擴散雜質(zhì)形成電阻橋電路，將施加壓力時產(chǎn)生的變形作為電阻值變化，來計算壓力（氣壓）。

電阻率（電導(dǎo)率）因施加在該電阻上的壓力而變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。羅姆的氣壓傳感器IC將使用壓阻式壓力接收元件（隔膜結(jié)構(gòu)和壓阻集成在一起MEMS），以及溫度校正處理、控制電路等的集成電路（ASIC）集成在一個封裝里，可以輕松獲得高精度的氣壓信息。

MEMS：Micro Electro Mechanical System（微機電系統(tǒng)）在一個電路板上集成機械構(gòu)成部件、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)（驅(qū)動部件）等的裝置。

ASIC：Application Specific Integrated Circuit（專用集成電路）它是一種集成電路，將多個電路功能組合成一個特定應(yīng)用。

加速度傳感器

加速度是指單位時間內(nèi)產(chǎn)生的速度，測量加速度的IC就叫加速度傳感器。通過測量加速度，可以測得物體的傾斜、振動等信息。加速度單位為m/s2（國際單位制SI）。另外，單位G是以標(biāo)準(zhǔn)重力（1 G = 9.806 65m/s2）為基準(zhǔn)的加速度值。還有用于檢測地震震動的加速度的單位Gal（CGS單位制）。

國際單位制SI（法語：Système international d'unités）：由長度m、重量kg、時間s （MKS單位）組合而成的國際單位。

標(biāo)準(zhǔn)重力：物體在重力作用下產(chǎn)生的加速度。物體在自由落體時，物體每單位時間內(nèi)增加的速度值（9.806 65m/s2）。

Gal：CGS（長度cm、重量g、時間s為基準(zhǔn)）單位制的加速度單位。被定義為SI單位制的1/100（1Gal=0.01 m/s2）。

加速度傳感器一般分為低G加速度傳感器和高G加速度傳感器，如下圖所示。

電容式加速度傳感器

傳感器元件由Si制成的固定電極、可動電極和彈簧構(gòu)成。未施加加速度的狀態(tài)下，固定電極和可動電極間的距離相同。施加加速度，則可動電極移位。由此與固定電極的位置關(guān)系發(fā)生變化，電極間容量發(fā)生變化。容量的變化通過ASIC轉(zhuǎn)化為電壓，算出加速度。

ASIC：Application Specific Integrated Circuit（專用集成電路）指將特定用途的多個電路功能集成到一起的集成電路。

電流傳感器

何謂電流傳感器？電流傳感器是指檢測電路中流動的電流值的傳感器。

電流的檢測方法

如下圖所示，檢測流動電流的方法大致可分為電阻檢測型和磁場檢測型。

電阻檢測型將分流電阻引發(fā)的電壓降轉(zhuǎn)換為電流。安裝簡單而且價廉物美，操作簡單，但缺點是電阻上的功率損耗會產(chǎn)生較大的發(fā)熱量。磁場檢測型＜有鐵芯＞

根據(jù)電流線中流動的電流測量鐵芯中產(chǎn)生磁場的大小，以此來測量電流值。這種方法無需接觸，功率損耗較小，但鐵芯較大，存在貼裝面積大的課題。＜無鐵芯＞

利用霍爾效應(yīng)將流動電流周圍產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)換為電壓（霍爾電壓）進行測量，以此來測量電流值。因為霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電壓較小，所以IC由霍爾元件和放大電路構(gòu)成。因為需要將電流引入IC內(nèi)，所以會產(chǎn)生功率損耗。

M1電流傳感器

為了消除上述磁場檢測型在安裝難度（有鐵芯）和功率損耗（無鐵芯）方面的缺點，ROHM開發(fā)出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁場檢測型非接觸型電流傳感器。

MI傳感器作為使用特殊非晶絲，利用其磁阻抗效應(yīng)的新一代傳感器，其特點是具備超高靈敏度的磁性檢測能力。靈敏度遠(yuǎn)超霍爾元件，可高精度檢測磁性的微小變化。因此，無需將電流引入封裝內(nèi)，也能以高精度進行非接觸式電流檢測（磁性檢測）。

綜上所述，MI電流傳感器可進行非接觸式電流測量，功率損耗少，還能進一步縮小貼裝面積。

顏色傳感器

感光傳感器（光傳感器）中，檢測R（紅色）、G（綠色）、B（藍(lán)色）3原色的叫作顏色傳感器。顏色傳感器通過光電二極管接收周圍光線，檢測RGB值。

顏色傳感器的原理

向物體照射具有RGB成分的光，反射光的顏色成分會隨物體的顏色發(fā)生改變。例如，紅色物體的反射光成分為紅，黃色物體為紅和綠、白色則包含紅、綠、藍(lán)全部成分。

由此可知，物體的顏色由物體反射的光色（R、G、B）成分的比例決定。人眼是通過獲取反射光成分來識別物體的顏色。在漆黑的場所什么都看不見吧！這是因為沒有照射光，反射光自然也不存在，所以看上去是漆黑一片。與人眼一樣，顏色傳感器是使用光電二極管接收光線，通過計算接收到的R、G、B量的比例來識別顏色。

顏色傳感器IC的結(jié)構(gòu)

下圖是顏色傳感器IC的結(jié)構(gòu)。內(nèi)部搭載了彩色濾光片（Color filter）和紅外截止濾光片（Ir cut filter）。

下面比較了傳感器在有無這些濾光片時的分光特性。

顏色傳感器IC通過為內(nèi)部傳感器配備R、G、B各種顏色的濾光片，具備了較高的RGB分光特性，而且通過配備紅外截止濾光片，具備了紅外線去除特性，能高精度識別顏色。

審核編輯：湯梓紅