传感器与换能器（Sensors and Transducers）
传感器与换能器（Sensors and Transducers）
换能器（Transducer） 是一种能将一种形式的能量转换为另一种形式的装置，可作为电子电路的输入或输出单元使用。
传感器（Sensor）和换能器（Transducer）分别是电子与控制系统中的输入与输出装置，是系统感知或改变外部环境的关键元件。若电子系统要完成任何有意义的任务，必须能与“现实世界”交互，无论是读取开关信号，或是驱动灯光发亮，皆需要这些器件参与。
换言之，一个电子系统必须能够“执行”动作，而传感器与换能器正是实现这一目的的理想组件。
传感器与执行器（Sensors and Actuators）
“Transducer” 是对传感器与执行器（Actuator）的统称。
传感器 可感知各种能量形式，如运动、电信号、辐射能、热能或磁能等；
执行器 则用于切换输出状态、电压或电流。
传感器与换能器类型繁多，既有模拟型（Analogue），也有数字型（Digital），并可按用途分为输入型与输出型。
输入型器件用于“感知”（Sensed），输出型器件用于“控制”（Controlled）。因此，换能器可定义为将一种物理量转换为另一种物理量的装置。
执行“输入”功能的器件称为 传感器（Sensor），它检测某种物理特性的变化并将其转化为电信号，例如热量或力。
执行“输出”功能的器件称为 执行器（Actuator），用于产生运动或声音等外部动作。
例如，麦克风（Microphone） 将声音（输入）转换为电信号供放大器处理，而扬声器（Loudspeaker） 再将电信号转换回声音（输出），构成一个基本的输入/输出系统。
常见传感器与换能器（Common Sensors and Transducers）
| 测量量 | 输入器件（传感器） | 输出器件（执行器） |
|---|---|---|
| 光强 | 光敏电阻（LDR）、光电二极管、光电晶体管、太阳能电池 | 灯、LED、光纤显示 |
| 温度 | 热电偶、热敏电阻、恒温器、RTD | 加热器、风扇 |
| 力/压力 | 应变片、压力开关、称重传感器 | 液压升降、磁铁 |
| 位置/振动 | 电位计、编码器、光电开关、LVDT | 电机、电磁阀、仪表 |
| 转速 | 转速发电机、光电耦合器、多普勒传感器 | 交流/直流电机、步进电机、制动器 |
| 声音 | 碳膜麦克风、压电晶体 | 铃、蜂鸣器、扬声器 |
有源与无源传感器（Active and Passive Sensors）
输入型传感器会根据测量量的变化产生与之成比例的电压或信号输出。
有源传感器（Active Sensor） 需要外部电源（激励信号）来工作。其输出如 1–10V DC 或 4–20mA DC，并可实现信号放大。例如 LVDT 位移传感器 与 应变计（Strain Gauge） 就属于有源器件。
无源传感器（Passive Sensor） 无需外部电源，而是直接由外部刺激产生信号。例如 热电偶（Thermocouple） 受热后自行产生电压信号。无源传感器的物理性质（如电阻、电容或电感）随环境变化而改变。
模拟与数字传感器（Analogue and Digital Sensors）
模拟传感器（Analogue Sensor）
产生与被测量成比例的连续电信号。温度、速度、压力、位移、应变等物理量通常为连续量。
例如，热电偶可连续输出与温度成比例的电压信号。
模拟信号幅值通常很小（μV 至 mV），需要放大。由于响应慢、精度低，常通过**模数转换器（ADC）**转换为数字信号供微控制器使用。
数字传感器（Digital Sensor）
输出离散的二进制信号（逻辑“0”或“1”）。
例如，光电式转速传感器通过带槽转盘检测转速，每个槽触发一次输出脉冲。增加槽数可提高分辨率与精度。
数字信号可高速采样与处理，其精度取决于处理位数：
8位精度约为 0.39%；
16位精度约为 0.0015%，即高 260 倍。
信号调理与放大（Signal Conditioning）
多数模拟传感器输出的电压极低，需要经**运算放大器（Op-Amp）**放大至可用电平（如 5V）。
信号调理（Signal Conditioning）包括：
放大（Gain）
阻抗匹配
隔离
滤波（Filtering）
此外，传感器输出可能受噪声干扰，可使用低通、高通或带通滤波器去除无关信号；如干扰频率固定（如50Hz电源噪声），可使用陷波滤波器（Notch Filter）。
若仍有随机噪声，可进行多次采样取平均值以提高信噪比。
放大与滤波在传感器与微处理系统之间起关键接口作用，使其能在“真实世界”条件下可靠运行。
下一步
下一篇教程将介绍位置传感器（Positional Sensors），即用于测量物体位移或角度变化的装置。
【编辑点评】
本篇为入门级传感器与换能器教程，系统阐述了传感器的分类、工作原理及信号调理方式。
EEPW 视角解读如下：
技术背景：
传感器技术是物联网（IoT）、自动化与智能制造的基础，其核心作用在于将“物理世界”量化为“数字世界”可理解的信号。创新点与工程意义：
文中强调了模拟与数字传感器的差异及信号调理的重要性。现代传感系统更多采用智能传感器，集成了放大、滤波及 ADC 模块，简化系统设计并提高抗干扰能力。行业应用与趋势：
当前趋势是传感器微型化与智能化。MEMS 技术使得压力、加速度、陀螺等传感器可集成于单芯片。
数字接口（I²C、SPI）与无线通信（BLE、LoRa）使其可直接嵌入 IoT 终端。
同时，AI 边缘处理提升了传感信号的实时决策能力。
总体而言，该文为理解电子系统输入输出接口的经典入门资料，对学习自动控制、嵌入式系统或传感器应用工程具有基础指导意义。
关键词： 传感器
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