换能器是将一种能量转变为另一种能量的装置。它们可以用作电路的输出或输入。传感器是一种检测和测量物理量（例如温度、压力或光）并将其转换为电信号的设备。在所有电子和控制系统中，传感器和转换器（分别是输入和输出设备）是使系统能够测量或改变其周围环境的重要部件，具体取决于所使用的设备。然而，电子电路或系统必须能够与“现实世界”连接才能执行任何有用的活动或功能。任务是否涉及打开输出设备以打开单个灯或从开关（开/关）接收输入信号。换句话说，传感器和换能器是电子系统或电路的重要组成部分，必须能够执行任何任务。在这种情况下，传感器和执行器都被称为“传感器”。传感器可以检测多种能量类型，包括热能、磁能、辐射能、电能和运动能。然而，执行器可以改变输出电压、电流或状态。模拟和数字传感器和变换器种类繁多，有输入和输出变体可供选择。 “感测”或“控制”的信号或过程的类型真正决定了所采用的输入或输出传感器的类型。可以将一种物理量转换为另一种物理量的设备称为传感器。执行“输入”功能的设备通常被称为传感器，因为它们可以“感知”物理特性的变化，从而改变它们对外部刺激的反应。例如，热或力可以转换成电信号。执行器通常被定义为执行“输出”功能并可用于调节外部动作的设备。例如，声音或动作。因此，利用电换能器将一种类型的能量转换为另一种类型的能量。扬声器（输出设备）将电信号转换回声波，麦克风（输入设备）将歌手的声波转换为电信号，供放大器放大（一个过程）。下面给出了这种基本输入/输出（I/O）系统的图示。
简单的输入/输出系统
图 1：使用声音传感器的简单输入/输出系统
电子行业提供各种各样的传感器和变换器，它们通常根据所需的测量（即物理、化学或生物）进行分类。因此，被测量或控制的量真正决定了所使用的传感器；主要流行品种如下表所示：
常见传感器和转换器
表 1：传感器和转换器
输入型传感器或传感器的输出响应是与被测量量（刺激）的变化成比例的电压或信号。所使用的传感器的类型决定了输出信号的类型或幅度。然而，一般来说，传感器可以分为两类：无源传感器和有源传感器。有源传感器通常需要外部电源才能发挥作用；该电源称为激励信号，传感器用它来生成输出信号。当发生外部影响时，有源传感器会改变其特性以提供输出信号。例如，输出电流为4～20mA DC，或者输出电压为1～10V DC。此外，有源传感器由于其电源需求而可以产生信号放大。LVDT 传感器或应变仪是有源传感器的示例。外部偏置（激励信号）应变计是一种压敏电阻桥网络，可生成与施加到传感器的机械力和/或应变成比例的输出电压。无源传感器不像有源传感器那样需要额外的电源或激励电压。相反，无源传感器通过产生输出信号来响应外部刺激。例如，热电偶在加热时会产生电压输出。无源传感器是直接传感器，可以改变电感、电容或电阻等物理特性。与模拟传感器相比，数字传感器生成表示二进制数或数字的离散输出，例如逻辑电平“0”或“1”。
模拟和数字传感器和转换器
模拟传感器
模拟传感器产生通常与被测量量成比例的连续输出信号或电压。由于温度、速度、压力、位移、应变等物理量具有连续性，因此它们都是相似的。例如，当液体加热或冷却时，温度计或热电偶不断对温度变化做出反应，可用于测量液体的温度。
图 2：用于产生模拟信号的热电偶
但是，请记住，水银温度计利用热膨胀来改变水银的体积以响应温度变化；这个过程会产生机械或可见的位移，而不是电信号。模拟传感器的输出信号通常会随着时间的推移逐渐平滑地变化。由于这些信号的值通常在几微伏 (uV) 和几毫伏 (mV) 之间，因此需要某种放大。模拟信号测量电路通常响应缓慢和/或不准确。此外，模数转换器 (ADC) 可以轻松地将模拟信号转换为数字信号，以便在微控制器系统中使用。
数字传感器
顾名思义，数字传感器生成离散的数字输出信号或电压，反映数字测量的数量。数字传感器的二进制输出信号要么是逻辑“1”，要么是逻辑“0”，要么是“ON”或“OFF”。因此，数字信号仅生成离散（非连续）值，这些值可以通过组合比特而产生为单个“位”（串行传输）或单个“字节”（并行传输）。
图 3：用于产生数字信号的光传感器
在上面的基本示例中，数字 LED/光电检测器传感器用于测量旋转轴的速度。圆盘的设计中有几个透明的孔，连接到旋转轴（例如电机或机器人轮）。当圆盘与轴的速度一起旋转时，经过传感器的每个槽依次生成代表逻辑“1”或逻辑“0”电平的输出脉冲。为了显示轴的速度或旋转，这些脉冲首先被发送到计数器寄存器，然后发送到输出显示器。通过扩大圆盘的槽或“窗口”，轴每转一圈都可以产生更多的输出脉冲。这样做的好处是可以检测到旋转的一小部分，从而提高分辨率和准确性。以盘孔之一作为参考位置，这种传感器组合可能用于定位控制。数字信号或数量可以以非常高的时钟速度进行监控和“采样”，并且与模拟信号相比具有极高的精度。用于表示测量量的位数决定了数字信号的准确度。例如，8 位处理器的准确度为 0.390%（256 分之一）。另一方面，16 位处理器提供 0.0015% 的精度（65,536 分之一），即 260 倍的精度。由于数字值的处理和修改速度比模拟信号快数百万倍，因此可以保持这种精度。为了提供适合测量或使用的电信号，传感器（更具体地说是模拟传感器）除了某种额外的信号放大或滤波之外，通常还需要外部电源。如前所述，运算放大器是在单个电路中进行放大和滤波的非常好的方法。
传感器和转换器的信号调理
正如运算放大器课程中所演示的，运算放大器可以以同相或反相布置方式连接，以提供信号放大。基本运算放大器电路可以大大增加传感器生成的非常小的模拟信号电压（例如几毫伏甚至皮伏），以创建更大的电压信号，例如 5v 或 5mA，然后可以将其用作输入信号发送至微处理器或模数系统。因此，必须使用电压增益高达 10,000 和电流增益高达 1,000,000 的放大器来放大传感器的输出信号，以产生有用的信号。放大过程必须是线性的，并且输出信号必须是输入信号的再现，但幅度发生变化。然后，信号调节包括放大。因此，在模拟传感器使用信号之前，通常需要进行某种放大（增益）、阻抗匹配、输入和输出之间的隔离，或者可能进行滤波（频率选择）。运算放大器是实现这一目标的实用方法。此外，当感测到极小的物理变化时，传感器的输出信号可能会受到不需要的信号或电压的“污染”，从而无法准确测量所需的信号。 “噪音”是这些不受欢迎的冲动的术语。正如我们在有源滤波器课程中介绍的那样，信号调节或滤波技术可以显着减少甚至消除这种噪声或干扰。通过采用低通、高通甚至带通滤波器，可以降低噪声的“带宽”，仅留下所需的输出信号。例如，可以使用低通滤波器，因为许多输入类型（如开关、键盘或手动控制器）无法快速改变状态。当干扰发生在特定频率（例如电源频率）时，窄带抑制滤波器或陷波滤波器可用于创建选频滤波器。
典型运算放大器滤波器
图 4：低通有源滤波器
图 5：高通有源滤波器
如果滤波后仍然存在一些随机噪声，则可能需要采取许多样本并对它们进行平均以提供终结果，从而提高信噪比。无论如何，放大和滤波对于将传感器和换能器连接到“现实世界”环境中的电子设备和基于微处理器的系统至关重要。位置传感器用于监视物理对象的位置和/或位移（即从一个位置到另一个位置一定距离或角度的移动），将在下一传感器课程中介绍。
结论
传感器将一种类型的能量转换为另一种类型的能量，分为输入（传感器）或输出（执行器）设备。传感器检测和测量温度或压力等物理特性，将其转换为电信号，而执行器则调节外部动作。传感器和换能器分为模拟或数字、有源或无源。模拟设备产生连续信号，而数字设备产生离散信号。有源传感器需要外部电源，而无源传感器则根据外部刺激生成信号。放大和滤波对于处理传感器输出至关重要。运算放大器通常用于增强小模拟信号并滤除噪声，确保测量和与数字系统的兼容性。应用包括将声波转换为电信号的麦克风和执行相反过程的扬声器。热电偶和应变仪等传感器在测量物理特性和实现系统控制方面展示了实际用途。数字传感器提供更高的精度和分辨率，具有适合微处理器的离散二进制输出。模拟传感器虽然是连续的，但需要转换为数字信号以进行处理。这两种类型在电子和控制系统中都发挥着关键作用。
