你需要知道的6大传感器原理

知识点：传感器

何谓传感器？

 

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。

 

 

6大传感器

01

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。

 

01

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。

 

02

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。

 

03

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。

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