传感器

 

一、定义

 

传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

 

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”

 

二、特点

 

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化

 

三、组成

 

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如图所示：

 

四、检测标准

 

我国现行的检测标准：

GB/T 14479-1993 传感器图用图形符号

GB/T 15478-1995 压力传感器性能试验方法

GB/T 15768-1995 电容式湿敏元件与湿度传感器总规范

GB/T 15865-1995 摄像机(PAL/SECAM/NTSC)测量方法第1部分:非广播单传感器摄像机

GB/T 13823.17-1996 振动与冲击传感器的校准方法声灵敏度测试

GB/T 18459-2001 传感器主要静态性能指标计算方法

GB/T 18806-2002 电阻应变式压力传感器总规范

GB/T 18858.2-2002 低压开关设备和控制设备控制器-设备接口(CDI) 第2部分:执行器传感器接口(AS-i)

GB/T 18901.1-2002 光纤传感器第1部分:总规范

GB/T 19801-2005 无损检测声发射检测声发射传感器的二级校准

GB/T 7665-2005 传感器通用术语

GB/T 7666-2005 传感器命名法及代号

GB/T 11349.1-2006 振动与冲击机械导纳的试验确定第1部分：基本定义与传感器

GB/T 20521-2006 半导体器件第14-1部分: 半导体传感器-总则和分类

GB/T 14048.15-2006 低压开关设备和控制设备第5-6部分：控制电路电器和开关元件-接近传感器和开关放大器的DC接口（NAMUR）

GB/T 20522-2006 半导体器件第14-3部分: 半导体传感器-压力传感器

GB/T 20485.11-2006 振动与冲击传感器校准方法第11部分：激光干涉法振动绝对校准

GB/T 20339-2006 农业拖拉机和机械固定在拖拉机上的传感器联接装置技术规范

GB/T 20485.21-2007 振动与冲击传感器校准方法第21部分：振动比较法校准

GB/T 20485.13-2007 振动与冲击传感器校准方法第13部分: 激光干涉法冲击绝对校准

GB/T 13606-2007 土工试验仪器岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件

GB/T 21529-2008 塑料薄膜和薄片水蒸气透过率的测定电解传感器法

GB/T 20485.1-2008 振动与冲击传感器校准方法第1部分: 基本概念

GB/T 20485.12-2008 振动与冲击传感器校准方法第12部分：互易法振动绝对校准

GB/T 20485.22-2008 振动与冲击传感器校准方法第22部分：冲击比较法校准

GB/T 7551-2008 称重传感器

GB 4793.2-2008 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第2部分：电工测量和试验用手持和手操电流传感器的特殊要求

GB/T 13823.20-2008 振动与冲击传感器校准方法加速度计谐振测试通用方法

GB/T 13823.19-2008 振动与冲击传感器的校准方法地球重力法校准

GB/T 25110.1-2010 工业自动化系统与集成工业应用中的分布式安装第1部分：传感器和执行器

GB/T 20485.15-2010 振动与冲击传感器校准方法第15部分：激光干涉法角振动绝对校准

GB/T 26807-2011 硅压阻式动态压力传感器

GB/T 20485.31-2011 振动与冲击传感器的校准方法第31部分：横向振动灵敏度测试

GB/T 13823.4-1992 振动与冲击传感器的校准方法磁灵敏度测试

GB/T 13823.5-1992 振动与冲击传感器的校准方法安装力矩灵敏度测试

GB/T 13823.6-1992 振动与冲击传感器的校准方法基座应变灵敏度测试

GB/T 13823.8-1994 振动与冲击传感器的校准方法横向振动灵敏度测试

GB/T 13823.9-1994 振动与冲击传感器的校准方法横向冲击灵敏度测试

GB/T 13823.12-1995 振动与冲击传感器的校准方法安装在钢块上的无阻尼加速度计共振频率测试

GB/T 13823.14-1995 振动与冲击传感器的校准方法离心机法一次校准

GB/T 13823.15-1995 振动与冲击传感器的校准方法瞬变温度灵敏度测试法

GB/T 13823.16-1995 振动与冲击传感器的校准方法温度响应比较测试法

GB/T 13866-1992 振动与冲击测量描述惯性式传感器特性的规定

 

手机中常用传感器

 

一、光线传感器：

 

原理：光敏三极管，接受外界光线时，会产生强弱不等的电流，从而感知环境光亮度。

 

用途：通常用于调节屏幕自动背光的亮度，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。也可用于拍照时自动白平衡。还可以配合下面的距离传感器检测手机是否在口袋里防止误触。

 

二、距离传感器：

 

原理：红外LED灯发射红外线，被近距离物体反射后，红外探测器通过接收到红外线的强度，测定距离，一般有效距离在10 cm内。距离传感器同时拥有发射和接受装置，一般体积较大。

 

用途：检测手机是否贴在耳朵上正在打电话，以便自动熄灭屏幕达到省电的目的。也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作。

 

题外话：光线传感器与距离传感器的位置

 

光线传感器和距离传感器一般都是放在一起的，位于手机正面听筒周围，这样就存在一个问题，手机的额头上开了太多洞或黑色长条不太好看，所以苹果一直在想方设法减少开孔、或者隐藏开孔。黑色面板的手机可以轻易隐藏这两个传感器，但白色面板就有点难度了：

 

苹果从iPhone5开始，将光线传感器做成了白色，很好的隐藏了起来，但很多国产手机厂商暂时无法做到，他们只能选用更小尺寸的传感器，将光线+距离传感器放在一起做成更小的长条形，或者和摄像头一样大的大圆形，这样相对好看一些。锤子的传感器也是长条形，但直接放在了听筒里面，也算是隐藏了起来。

 

三、重力传感器：

 

原理：利用压电效应实现，传感器内部一块重物和压电片整合在一起，通过正交两个方向产生的电压大小，来计算出水平方向。

 

用途：手机横竖屏智能切换、拍照照片朝向、重力感应类游戏(如滚钢珠)。

 

四、加速度传感器：

 

原理：与重力传感器相同，也是压电效应，通过三个维度确定加速度方向，但功耗更小，但精度低。

 

用途：计步、手机摆放位置朝向角度。

 

五、磁场传感器：

 

原理：各向异性磁致电阻材料，感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化，所以手机要旋转或晃动几下才能准确指示方向。

 

用途：指南针、地图导航方向、金属探测器APP。

 

六、陀螺仪：

 

原理：角动量守恒，一个正在高速旋转的物体(陀螺)，它的旋转轴没有受到外力影响时，旋转轴的指向是不会有任何改变的。陀螺仪就是以这个原理作为依据，用它来保持一定的方向。三轴陀螺仪可以替代三个单轴陀螺仪，可同时测定6个方向的位置、移动轨迹及加速度。

 

用途：体感、摇一摇(晃动手机实现一些功能)、平移/转动/移动手机可在游戏中控制视角、VR虚拟现实、在GPS没有信号时(如隧道中)根据物体运动状态实现惯性导航。

 

七、GPS：

 

原理：地球特定轨道上运行着24颗GPS卫星，每一颗卫星都在时刻不停地向全世界广播自己的当前的位置坐标及时间戳信息。手机GPS模块通过天线接收到这些信息。GPS模块中的芯片根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，根据卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差计算出卫星与手机的距离，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置坐标。

 

用途：地图、导航、测速、测距。

 

八、指纹传感器：

 

目前的主流是电容式指纹识别，但从今年开始识别速度更快识别率更高的超声波指纹识别会逐渐普及。

 

电容指纹传感器原理：手指构成电容的一极，另一极是硅晶片阵列，通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流，指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差，从而描绘出指纹图像。

 

超声波指纹传感器原理：超声波多用于测量距离，比如海底地形测绘用的声纳系统。超声波指纹识别的原理也相同，就是直接扫描并测绘指纹纹理，甚至连毛孔都能测 绘出来。因此超声波获得的指纹是3D立体的，而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。

 

用途：加密、解锁、支付……

 

九、霍尔感应器：

 

原理：霍尔磁电效应，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力，从而在导体的两端产生电势差。

 

用途：翻盖自动解锁、合盖自动锁屏

 

十、气压传感器：

 

原理：分为变容式或变阻式气压传感器，将薄膜与变阻器或电容连接起来，气压变化导致电阻或电容的数值发生变化，从而获得气压数据。

 

用途：GPS计算海拔会有十米左右的误差，气压传感器主要用于修正海拔误差(将至1米左右)，当然也能用来辅助GPS定位立交桥或楼层位置。

 

十一、心率传感器：

 

原理：用高亮度LED光源照射手指，当心脏将新鲜的血液压入毛细血管时，亮度(红色的深度)呈现如波浪般的周期性变化，通过摄像头快速捕捉这一有规律变化的间隔，再通过手机内应用换算，从而判断出心脏的收缩频率。

 

用途：运动、健康。

 

十二、血氧传感器：

 

原理：血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同，用红外光和红光两个LED同时照射手指，测量反射光的吸收光谱，就可以测量血氧含量。

 

用途：运动、健康。

 

十三、紫外线传感器：

 

原理：利用某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应，在紫外线照射下会释放出大量电子，检测这种放电效应可计算出紫外线强度。

 

用途：运动、健康。