第五章 第1节 认识传感器

2013 年 12 月 14 日，我国探月工程中的嫦娥三号怀抱玉兔号巡视器成功落月。第二天，可爱俏皮的玉兔号从嫦娥三号中走出。面对陌生的环境，玉兔号是如何观察的？行走时，它是如何感知障碍和自身姿态的？经过漫漫的寒夜，它又是如何被唤醒的？

玉兔号在月球上的工作离不开各式各样的传感器。其实，不只在科研领域，在人们的日常生活中，也会用到传感器以实现某种功能。要想知道这其中的道理，就要学习一些有关传感器的知识。

没有今日的基础科学，就没有明日的科技应用。

—李政道 [1]

第五章 第一节 认识传感器

问题？

小盒子 A 的侧面露出一个小灯泡，盒外没有开关。如果把磁体 B 放到盒子上面，灯泡就会发光，把磁体移走，灯泡熄灭。

盒子里有什么样的装置，才能出现这样的现象？

原来，小盒子中有一种叫作“干簧管”的元件（图 5.1-1甲），它的结构很简单，玻璃管内封入了两个软磁性材料制成的簧片。当磁体靠近干簧管时（图5.1-1乙），两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”。干簧管是一种能够感知磁场的传感器。那么，到底什么是传感器？

神奇的传感器

下面我们来看几个生活中的实例。

晩上，当我们进入黑洞洞的楼道时，一跺脚，楼道灯自动开启，但是这种情况在白天却不会发生。这是为什么？这是因为楼道的灯安装了“声控—光控”开关。这个开关会感知环境的明暗和声音的强弱。只有环境的亮度低于某一数值，同时声强高于某一数值时，声控—光控开关才会接通，灯才会亮。

一些宾馆安装了自动门（图 5.1-2），当人走近时，门会自动打开；当人离开时，门会自动关闭。自动门为什么会这样“懂礼仪”呢？原来，有的自动门装有一种装置，当人走近时，可以检测出人体向外辐射的红外线，从而发出使自动门开关启动的命令。这种装置就是红外线传感器。

交通警察在检查司机是否酒后开车时，会让司机对着“便携式酒精检测仪”呼气，检测仪就会显示呼出气体中的酒精浓度（图 5.1-3）。这是因为检测仪上装有“乙醇传感器”，它能感知乙醇的浓度。

上述例子中都应用了传感器，传感器的功能与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等功能相似。人类是借助感觉器官从外界获取信息的，并由神经系统将这些信号传递给大脑，在人脑中将这些信息进行处理，然后发出命令传递给肌体，做出动作。如果用机器完成这一过程，计算机相当于人的大脑，执行机构相当于人的肌体，传感器就相当于人的“五官”（图5.1-4）。实际上，有些传感器还具有“超人”的本领。这里所说的“超人”的本领是指传感器不仅可应用于高温、高压、辐射等恶劣环境，还可检测出人类五官不能感知的各种信息，如微弱的磁、电、离子和射线的信息等。利用传感器的这些本领，可以制成形形色色的机器人，承担人类难以直接完成的任务。

在现代技术中，传感器（sensor）是指这样一类器件或装置：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的可用信号输出。通常转换成的可用信号是电压、电流等电学量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。

思考与讨论

传感器的使用使我们的生活更加方便、安全和舒适。生活中，你还发现哪些地方使用了传感器？

请你根据需要大胆地设想：在家里、学校和生活的社区，什么地方应该安装传感器？这些传感器要起什么作用？

传感器的种类

传感器的种类很多（图 5.1-5），作为一门知识密集型技术，它与许多学科有关：有的利用物质的物理特性或物理效应制作而成，如力传感器、磁传感器、声传感器等物理传感器；有的利用电化学反应原理，把无机或有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号，如离子传感器、气体传感器等化学传感器；有的利用生物活性物质的选择性来识别和测定生物化学物质，如酶传感器、微生物传感器、细胞传感器等生物传感器。

在林林总总的传感器世界中，大多数传感器是以物理原理为基础制作的。这类传感器种类最多，应用领域也最广泛。例如，一部普通的智能手机中就安装有十几种传感器（图 5.1-6），能感受声音、图像、压力、磁场、加速度等各种信息。它们原理各异，分类方法也不同。根据被测量的不同，可分为声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器；根据具体工作原理的不同，可分为电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。

传感器的组成与应用模式

传感器种类繁多，工作原理各异，外观和结构也千差万别，但是，传感器的基本部分一般由敏感元件、转换元件组成。

敏感元件是指能直接感受或响应外界被测非电学量的部分；转换元件是指能将敏感元件输出的信号直接转换成电信号的部分。它们分别完成检测和转换两个基本功能。

应该指出的是，并不是所有传感器都能够明显地区分敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电学量，它就同时兼为转换元件。这种敏感元件和转换元件二者合一的传感器是很多的。例如，热电偶（图5.1-7）、压电晶体等都是这种形式的传感器。

被测非电学量信号经敏感元件和转换元件作用后，所输出的电信号一般都很微弱，难以带动执行机构去实现控制动作，因此要通过信号调整与转换电路把这个电信号放大。如果需要远距离传送，还要把它转换成其他电信号以抵御外界干扰。

如何应用从传感器获得的信号呢？可以用指针式电表或数字屏等显示测量的数据；也可以用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门、开通或关闭电动机等动作；还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。概括起来，传感器应用的一般模式可如图 5.1-8 所示。

思考与讨论

话筒是一种能够将声音信号转换为电信号的传感器。图 5.1-9 乙是电容式话筒的组成结构示意图，话筒的振动膜片涂有薄薄的金属层，膜后相距几十微米有一个金属片（固定电极），它们构成电容器的两个极板。电容式话筒利用电容器的电容与极板间距离的关系来工作。你能根据它的工作过程说说各组成元件的作用吗？

声波使振动膜发生振动，振动膜作为敏感元件，感受声音信号的变化，与固定电极组成的电容器相当于转换元件，将声音信号的强弱转换成电容器的电容变化。把电容器接入含有电阻、电源的转换电路中，由于电容器的电容不断发生变化，电容器产生充、放电电流，加载在电阻 R 两端的电压也随之变化。这样，信号最后经过转换电路就被输出为便于测量和处理的电压信号，用于显示、记录等。

科学漫步

机器人

1920 年，捷克斯洛伐克作家卡佩克在一部科幻小说中构思了一个机器人，名字叫 Robot。它可以不吃饭，却能不知疲倦地工作，展现了人类持续多年的一种愿望。

1947 年，世界上第一个机器人在美国诞生。这是一台为反应堆搬运核燃料的简单机器，代替人来从事危险的工作。此后，由于现代制造业的需求，有关机器人的研究迅速发展起来。图 5.1-10 是几个机器人的实例。

根据机器人的结构和功能，可以粗略地把它们分为三代。第一代机器人对外界没有感觉，只能按照编好的程序，由内部的计算机安排它的动作，例如汽车生产线上用于点焊的机器人。第二代机器人有了感觉，它身上安装的传感器能起到人的感官的作用。例如，利用光传感器能让机器人沿着地面上画出的白色轨迹运动；利用图像传感器能让机器人产生视觉来识别烧杯和铁块，当它的手拿着烧杯时，力传感器产生触觉会使它的手指感知压力和滑动，从而既能拿住又不会捏碎。第三代是智能机器人，是人们梦寐以求的，也是当前正在努力发展的。它以人工智能理论和现代信息技术为基础，能够自主地从经验中学习，不断完善自身的程序，增强自己的功能。

机器人的种类很多。应用最广泛的是工业机器人，它们能把人从繁重的体力劳动和危险的环境中解放出来，极大地提高了生产率。服务型机器人主要用于清洁、加油、导盲、抢险等方面。它们通常具有一个移动平台，其上有操作臂，还安装了触觉、视觉、听觉及超声测距等传感器，能够识别周边的环境、判断自己的运动。医疗机器人是近些年来发展迅速的一个新领域。医疗机器人能够帮助医生做复杂的手术，减轻医生的疲劳，保证手术的精确和成功。空间机器人是最复杂、最昂贵的机器人，用于探测太空，我国探月工程中使用的玉兔号巡视器（章首图）就是一个典型代表。

随着机器人技术的发展与进步，机器人变得越来越“聪明”，它们是否有一天会完全取代人类的工作？人类的前途是否堪忧？实际上，科技本身并没有好坏之分，是人类决定了如何去使用它。面对科技进步，人类应该衡量和思考，该如何运用这些技术才会对社会更有益，使世界变得更加美好。

练习与应用

本节共设置 3 道习题。第 1 题要求学生能用自己的话概括出传感器的概念，描述其作用，答案具有一定开放性。第 2 题要求学生在课堂学习的基础上结合日常经验举例说明传感器的原理，是一道完全开放性的题目。第 3 题要求学生选用合适的传感器，本题也有一定开放性（传感器有不同角度的分类）。

1．什么是传感器？它的作用是什么？简述一下你对传感器的认识和理解。

参考解答：传感器是能够将感受到的非电学量，按一定规律转换成电学量输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，敏感元件和转换元件合二为一的也很多。传感器种类很多，根据其利用的物质的特性不同可分为：物理传感器、化学传感器、生物传感器。根据其被测量的不同可分为：声、光、压力、位移、加速度、温度等传感器。根据具体工作原理的不同可分为：电阻式、电容式、电感式、光电式、热电式、压电式、磁电式等传感器。

2．请列举一个你认为很“神奇”的利用传感器工作的例子，简单说明它的原理。

参考解答：举两例供参考。（1）红外线传感器在自动门中的应用：当人们接近门的时候，传感器识别人体的红外线传递给驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭。（2）电容式触携屏中传感器的应用：电容式触揽屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜导体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，电容式触摸屏在触揽屏四边均镀上狭长的电极，在导体层内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体是导休，导体层和手指构成了电容式触摸屏的两极，形成一个特殊电容（耦合电容），四边电极发出的电流会流向触点，位于触摸屏后的控制器便会根据电流算出触摸点的位置。

3．以下工作中，你认为要用什么传感器？

（1）让孵化器在一定温度下孵化禽蛋；

（2）电梯超出负载时，发出报警提示；

（3）使汽车排放符合国家标准的尾气。

参考解答：（1）温度传感器（热电式传感器）

（2）压力传感器（或压电式传感器）

（3）气体传感器

发布时间：2022/7/29 下午2:02:12  阅读次数：2020