你需要知道的6大传感器原理

电子电路 2021-12-19 20:00

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案

何谓传感器（Sensor）？

传感器（Sensor）是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。
人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动，设备也一样，根据传感器获得的信息进行控制或处理。

传感器收集转换的信号（物理量）有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。

这些利用了半导体的物质变化，除此之外，还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。

IoT与传感器
所有物体都连接互联网的IoT（Internet of Things：物联网）。
不仅智能手机、个人电脑等通信设备，还包括医疗设备、可穿戴式设备、车载、自然环境、基础设施等，所有物体都能联网共享信息，从而创造更便利、更安心、更安全的社会。
实现这些所不可缺少的是检测状态的“传感器”。

【IoT有关的术语定义】
IoT: Internet of Things（"物体"的互联网），指传感器嵌入到周围物体中，进行联网，从而物体之间，物体与人之间可以相互通信的状态。
德国・工业4.0: 是德国政府提出的旨在提升制造业智能化水平的概念，也是工业、政府、学术界共同推进的国家项目。推出新的概念，旨在通过工厂物联网，创造新的价值。
M2M: Machine to Machine: 指不以人为媒介，通过物体之间联网，直接通信。＜P2M: People to Machine 人向物体通信＞，＜M2P: Machine to People 物体向人通信＞
工业互联网: GE（Generel Electric Company）为中心提倡的工业IoT战略。

地磁传感器

地球被磁场磁力所包围，这被称为地磁。
地磁传感器是检测地球磁力的传感器，也被称为“电子罗盘”。
地磁传感器可以通过检测地磁来检测方向。
【围绕地球的地磁】

地磁传感器有X和Y两轴型以及添加了Z的三轴型，并测量各方向上的磁力值。
如果不考虑诸如简单罗盘之类的倾斜，则仅使用X轴和Y轴的值。当考虑倾斜时，需要将地磁传感器的3轴值与加速度传感器相结合，将其校正到正确的方向。

下图显示了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，输出分布图的圆心变为零。

然而，实际上中心因环境磁场的影响而移动，因此需要进行调整以将圆心移动到零。
地磁传感器导出的北极称为磁北（略偏离北极）。通过上述方程式计算该磁北的角度，可以容易知道方向。

各类磁传感器
磁传感器是一种旨在测量磁场的大小和方向的传感器。
根据目的不同有多种传感器，以下列举典型的传感器。

检测方法	霍尔	MR	MI
构成
抗噪声（灵敏度）	×	△	◎
消耗电流	×	△	◎
响应速度	×	△	◎

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，主要用于非接触式开关应用，例如门和笔记本电脑等物体的打开和关闭检测。

MR传感器

MR（Magneto Resistance）传感器也被称为磁阻效应传感器，利用物体电阻因磁场变化来测量地磁大小的传感器。

灵敏度高于霍尔传感器，功耗更低，因此是一种使用更广泛的磁传感器。除了电子罗盘等地磁检测应用外，它还用于电机旋转和位置检测应用。

MI传感器

MI（Magneto Impedance）传感器是下一代磁传感器，采用特殊的非晶丝并应用了磁阻抗效应。

它的灵敏度比霍尔传感器高出10,000倍以上，并且可以高精度地测量地磁的微小变化。
可以应用于超低消耗电流的方位检测（电子罗盘），还可应用于室内定位、金属异物检测等高灵敏度特性的应用。

脉搏传感器

脉搏波是心脏发送血液时产生的血管的体积变化波形，监测该体积变化的检测器称为脉搏传感器。

首先，测量心率有四种方法，心电图、光电脉波法、血压测量法、心音描记法等。
其中的光电脉波法是使用脉搏传感器进行测量的方法。

由于测量方法的不同，光电脉波法的脉搏传感器有透过型和反射型。
透过型通过向体表照射红外线或红光，测量随着心脏的脉动而变化的血流量的变化，作为透过身体的光的变化量来测量脉搏波。
该方法限于测量易于穿透的部分，例如指尖和耳垂。

反射型脉搏传感器

反射型脉搏传感器是向生物体照射红外线、红光、550nm左右波长的绿光，利用光电二极管或光电晶体管测量生物体反射的光。含氧血红蛋白存在于动脉血液中，具有吸收入射光的特性，因此通过检测随时间序列并随心脏搏动而变化的血流量（血管容积的变化），测量脉搏信号。
另外，由于是反射光的测量，因此不必像透过型那样限制测量部位。

[反射型脉搏传感器的原理]

当使用红外线或红光测量脉搏波时，受到室外阳光中包含的红外线的影响，不能进行稳定的脉搏波测量。因此，建议仅将其用于室内或半室内应用。
在运动腕表等户外用途，血液中的血红蛋白的吸收率高，由于绿色光源较少受环境光的影响，我们将绿色LED作为照射光使用。

脉搏传感器的应用
通常，通过观察以下两点可以测量动脉血氧饱和度（SpO2）。通过脉搏传感器获得的波形的变动周期，观察心率（脉率）；通过使用红外线和红光两个波长，来观察脉动（变化量）。
此外，作为脉搏传感器的应用，期望通过高速采样和高精度测量来获取诸如HRV分析（压力水平）、血管年龄等各种生命体征。

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，压力传感器具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（用于气压检测）的传感器通常被称为气压传感器。

[使用的材料 - 按方式分类的压力传感器]

气压传感器的典型示例是使用硅（Si）半导体的压阻式。
罗姆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

压阻式气压传感器使用Si单晶板作为隔膜（压力接收元件），通过在其表面上扩散杂质形成电阻桥电路，将施加压力时产生的变形作为电阻值变化，来计算压力（气压）。

[压阻式气压传感器]

电阻率（电导率）因施加在该电阻上的压力而变化的现象称为压阻效应。罗姆的气压传感器IC将使用压阻式压力接收元件（隔膜结构和压阻集成在一起※MEMS），以及温度校正处理、控制电路等的集成电路（※ASIC）集成在一个封装里，可以轻松获得高精度的气压信息。

※ MEMS：Micro Electro Mechanical System（微机电系统）
在一个电路板上集成机械构成部件、传感器、执行机构（驱动部件）等的装置。

※ ASIC：Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）
它是一种集成电路，将多个电路功能组合成一个特定应用。

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就叫加速度传感器。
通过测量加速度，可以测得物体的倾斜、振动等信息。
加速度单位为m/s2（※国际单位制SI）。
另外，单位G是以※标准重力（1 G = 9.806 65m/s2）为基准的加速度值。
还有用于检测地震震动的加速度的单位※Gal（CGS单位制）。

※ 国际单位制SI（法语：Système international d'unités）
由长度m、重量kg、时间s （MKS单位）组合而成的国际单位。

※ 标准重力
物体在重力作用下产生的加速度。物体在自由落体时，物体每单位时间内增加的速度值（9.806 65m/s2）。

※ Gal
CGS（长度cm、重量g、时间s为基准）单位制的加速度单位。被定义为SI单位制的1/100（1Gal=0.01 m/s2 ）。

加速度传感器一般分为低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

罗姆集团加速度传感器是采用MEMS技术的电容式加速度传感器。
传感器元件由Si制成的固定电极、可动电极和弹簧构成。未施加加速度的状态下，固定电极和可动电极间的距离相同。施加加速度，则可动电极移位。由此与固定电极的位置关系发生变化，电极间容量发生变化。容量的变化通过※ASIC转化为电压，算出加速度。

【电容式原理】

※ ASIC
Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路）
指将特定用途的多个电路功能集成到一起的集成电路。

电流传感器

何谓电流传感器？
电流传感器是指检测电路中流动的电流值的传感器。

电流的检测方法
如下图所示，检测流动电流的方法大致可分为电阻检测型和磁场检测型。

【电流检测方法和特点】
电阻检测型将分流电阻引发的电压降转换为电流。安装简单而且价廉物美，操作简单，但缺点是电阻上的功率损耗会产生较大的发热量。磁场检测型＜有铁芯＞
根据电流线中流动的电流测量铁芯中产生磁场的大小，以此来测量电流值。这种方法无需接触，功率损耗较小，但铁芯较大，存在贴装面积大的课题。＜无铁芯＞
利用霍尔效应将流动电流周围产生的磁场转换为电压（霍尔电压）进行测量，以此来测量电流值。因为霍尔效应产生的电压较小，所以IC由霍尔元件和放大电路构成。因为需要将电流引入IC内，所以会产生功率损耗。

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开发出了使用MI（Magneto Impedance）元件的磁场检测型非接触型电流传感器。
MI传感器作为使用特殊非晶丝，利用其磁阻抗效应的新一代传感器，其特点是具备超高灵敏度的磁性检测能力。
灵敏度远超霍尔元件，可高精度检测磁性的微小变化。因此，无需将电流引入封装内，也能以高精度进行非接触式电流检测（磁性检测）。

【电流传感器的结构比较（罗姆调查）】
综上所述，MI电流传感器可进行非接触式电流测量，功率损耗少，还能进一步缩小贴装面积。

颜色传感器

感光传感器（光传感器）中，检测R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）3原色的叫作颜色传感器。
颜色传感器通过光电二极管接收周围光线，检测RGB值。

颜色传感器的原理
向物体照射具有RGB成分的光，反射光的颜色成分会随物体的颜色发生改变。
例如，红色物体的反射光成分为红，黄色物体为红和绿、白色则包含红、绿、蓝全部成分。

【物体反射光颜色示意图】

由此可知，物体的颜色由物体反射的光色（R、G、B）成分的比例决定。
人眼是通过获取反射光成分来识别物体的颜色。
在漆黑的场所什么都看不见吧！这是因为没有照射光，反射光自然也不存在，所以看上去是漆黑一片。
与人眼一样，颜色传感器是使用光电二极管接收光线，通过计算接收到的R、G、B量的比例来识别颜色。

颜色传感器IC的结构
下图是颜色传感器IC的结构。内部搭载了彩色滤光片（Color filter）和红外截止滤光片（Ir cut filter）。