傳感器與換能器（Sensors and Transducers）

換能器（Transducer） 是一種能將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置，可作為電子電路的輸入或輸出單元使用。

傳感器（Sensor）和換能器（Transducer）分別是電子與控制系統(tǒng)中的輸入與輸出裝置，是系統(tǒng)感知或改變外部環(huán)境的關(guān)鍵元件。若電子系統(tǒng)要完成任何有意義的任務(wù)，必須能與“現(xiàn)實(shí)世界”交互，無論是讀取開關(guān)信號，或是驅(qū)動燈光發(fā)亮，皆需要這些器件參與。

換言之，一個電子系統(tǒng)必須能夠“執(zhí)行”動作，而傳感器與換能器正是實(shí)現(xiàn)這一目的的理想組件。

傳感器與執(zhí)行器（Sensors and Actuators）

“Transducer” 是對傳感器與執(zhí)行器（Actuator）的統(tǒng)稱。

• 傳感器 可感知各種能量形式，如運(yùn)動、電信號、輻射能、熱能或磁能等；

• 執(zhí)行器 則用于切換輸出狀態(tài)、電壓或電流。

傳感器與換能器類型繁多，既有模擬型（Analogue），也有數(shù)字型（Digital），并可按用途分為輸入型與輸出型。
輸入型器件用于“感知”（Sensed），輸出型器件用于“控制”（Controlled）。因此，換能器可定義為將一種物理量轉(zhuǎn)換為另一種物理量的裝置。

• 執(zhí)行“輸入”功能的器件稱為 傳感器（Sensor），它檢測某種物理特性的變化并將其轉(zhuǎn)化為電信號，例如熱量或力。

• 執(zhí)行“輸出”功能的器件稱為 執(zhí)行器（Actuator），用于產(chǎn)生運(yùn)動或聲音等外部動作。

例如，麥克風(fēng)（Microphone） 將聲音（輸入）轉(zhuǎn)換為電信號供放大器處理，而揚(yáng)聲器（Loudspeaker） 再將電信號轉(zhuǎn)換回聲音（輸出），構(gòu)成一個基本的輸入/輸出系統(tǒng)。

常見傳感器與換能器（Common Sensors and Transducers）

有源與無源傳感器（Active and Passive Sensors）

輸入型傳感器會根據(jù)測量量的變化產(chǎn)生與之成比例的電壓或信號輸出。

• 有源傳感器（Active Sensor） 需要外部電源（激勵信號）來工作。其輸出如 1–10V DC 或 4–20mA DC，并可實(shí)現(xiàn)信號放大。例如 LVDT 位移傳感器 與 應(yīng)變計(jì)（Strain Gauge） 就屬于有源器件。

• 無源傳感器（Passive Sensor） 無需外部電源，而是直接由外部刺激產(chǎn)生信號。例如 熱電偶（Thermocouple） 受熱后自行產(chǎn)生電壓信號。無源傳感器的物理性質(zhì)（如電阻、電容或電感）隨環(huán)境變化而改變。

模擬與數(shù)字傳感器（Analogue and Digital Sensors）

模擬傳感器（Analogue Sensor）

產(chǎn)生與被測量成比例的連續(xù)電信號。溫度、速度、壓力、位移、應(yīng)變等物理量通常為連續(xù)量。
例如，熱電偶可連續(xù)輸出與溫度成比例的電壓信號。

模擬信號幅值通常很小（μV 至 mV），需要放大。由于響應(yīng)慢、精度低，常通過**模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）**轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供微控制器使用。

數(shù)字傳感器（Digital Sensor）

輸出離散的二進(jìn)制信號（邏輯“0”或“1”）。
例如，光電式轉(zhuǎn)速傳感器通過帶槽轉(zhuǎn)盤檢測轉(zhuǎn)速，每個槽觸發(fā)一次輸出脈沖。增加槽數(shù)可提高分辨率與精度。

數(shù)字信號可高速采樣與處理，其精度取決于處理位數(shù)：

• 8位精度約為 0.39%；

• 16位精度約為 0.0015%，即高 260 倍。

信號調(diào)理與放大（Signal Conditioning）

多數(shù)模擬傳感器輸出的電壓極低，需要經(jīng)**運(yùn)算放大器（Op-Amp）**放大至可用電平（如 5V）。
信號調(diào)理（Signal Conditioning）包括：

• 放大（Gain）

• 阻抗匹配

• 隔離

• 濾波（Filtering）

此外，傳感器輸出可能受噪聲干擾，可使用低通、高通或帶通濾波器去除無關(guān)信號；如干擾頻率固定（如50Hz電源噪聲），可使用陷波濾波器（Notch Filter）。
若仍有隨機(jī)噪聲，可進(jìn)行多次采樣取平均值以提高信噪比。

放大與濾波在傳感器與微處理系統(tǒng)之間起關(guān)鍵接口作用，使其能在“真實(shí)世界”條件下可靠運(yùn)行。

下一步

下一篇教程將介紹位置傳感器（Positional Sensors），即用于測量物體位移或角度變化的裝置。

【編輯點(diǎn)評】

本篇為入門級傳感器與換能器教程，系統(tǒng)闡述了傳感器的分類、工作原理及信號調(diào)理方式。
EEPW 視角解讀如下：

1. 技術(shù)背景：
   傳感器技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、自動化與智能制造的基礎(chǔ)，其核心作用在于將“物理世界”量化為“數(shù)字世界”可理解的信號。

2. 創(chuàng)新點(diǎn)與工程意義：
   文中強(qiáng)調(diào)了模擬與數(shù)字傳感器的差異及信號調(diào)理的重要性。現(xiàn)代傳感系統(tǒng)更多采用智能傳感器，集成了放大、濾波及 ADC 模塊，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高抗干擾能力。

3. 行業(yè)應(yīng)用與趨勢：
   當(dāng)前趨勢是傳感器微型化與智能化。

• MEMS 技術(shù)使得壓力、加速度、陀螺等傳感器可集成于單芯片。

• 數(shù)字接口（I2C、SPI）與無線通信（BLE、LoRa）使其可直接嵌入 IoT 終端。

• 同時，AI 邊緣處理提升了傳感信號的實(shí)時決策能力。

總體而言，該文為理解電子系統(tǒng)輸入輸出接口的經(jīng)典入門資料，對學(xué)習(xí)自動控制、嵌入式系統(tǒng)或傳感器應(yīng)用工程具有基礎(chǔ)指導(dǎo)意義。