6大常用传感器工作原理(角速度传感器、距离传感器、气压传感器等)

前言

现实世界就是一个模拟信号的世界，人通过视觉、触觉等方式来感知世界。在物联网时代，传感器肩负起了“五官”的使命感知万物，万物互联赋予人类生活无边的想象。

可以说，当前传感器发展处于多领域全面开花状态。其细分产品之多，之繁杂，就连全部罗列出来都不是件容易的事。今天就来说说，在消费领域常用的6款传感器。

1.温度传感器

温度传感器使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段，分别是传统的分立式、模拟集成及新型的智能温度传感器。新型温度传感器正向智能化及网络化的方向发展。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。

传统温度计原理

接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。 此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

旧苹果加装温度传感器

凡是需要对温度进行持续监控、达到一定要求的地方都需要温度传感器。在消费领域，温度传感器常用于探测室内温度变化。它能感受温度并转换成可用输出信号。当温度高时，空调开端制冷，当温度低时，空调开端制热。

好基友：实际使用过程中，使用到温度传感器的地方也经常会使用到湿度传感器，同时装2个很不方便也很占地方，所以两者经常集成在一起，形成温湿度传感器。

2.脉搏传感器

脉搏传感器，指的是用来检测类似心率的机器，一般常见的类型主要是以光电为主，有分立式和一体式两种，发射部份有采用可见光和红外光。

常用的脉搏传感器主要利用特定波长的红外线对血液变化的敏感性原理。由于心脏的周期性跳动，引起被测血管中的血液在流速和容积上的规律性变化，经过信号的降噪和放大处理，计算出当前的心跳次数。

值得一提的是，根据不同人的肤色深浅不同，同一款心律传感器发出的红外线穿透皮肤和经皮肤反射的强弱也不同，这造成了测量结果方面一定的误差。通常情况下一个人的肤色越深，则红外线就越难从血管反射回来，从而对测量误差的影响就越大。

所以大多数手环和手表测出的心率基本都不是完全准确的，但基本能正确地反映出心率变化趋势，对于普通人的运动心率监测来说已经够用。

脉搏传感器主要应用在各种可穿戴设备和智能医疗器械上。典型应用是iWatch。

3.烟雾传感器

烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被成熟运用到各种消防报警系统中。

烟雾传感器根据探测原理的不同，常用的有化学探测和光学探测两种。前者利用了放射性镅241元素，在电离状态下产生的正、负离子在电场作用下定向运动产生稳定的电压和电流。一旦有烟雾进入传感器，影响了正、负离子的正常运动，使电压和电流产生了相应变化，通过计算就能判断烟雾的强弱。

后者通过光敏材料，正常情况下光线能完全照射在光敏材料上，产生稳定的电压和电流。而一旦有烟雾进入传感器，则会影响光线的正常照射，从而产生波动的电压和电流，通过计算也能判断出烟雾的强弱。

光电烟雾传感器原理

烟雾传感器广泛应用在火情报警和安全探测等领域。主要与弱电控制系统配合使用，也是智能家居和安防主机的最佳配备产品。比如小米推出的烟雾传感器就是一个单品。

4.角速度传感器

对于角速度传感器，很多人可能会比较陌生，不过，如果提到它的另一个名字——陀螺仪，相信有不少人知道。

陀螺仪，是一种用来感测与维持方向的装置，基于角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。

角速度传感器的原理通俗地说，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。大家如果玩过陀螺就会知道，旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。

三轴陀螺仪动态展示图

人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫做陀螺仪，然后再用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

单轴的角速度传感器只能测量单一方向的改变，因此一般的系统要测量 X、Y、Z 轴三个方向的改变，就需要三个单轴的角速度传感器。目前通用的一个 3 轴角速度传感器就能替代三个单轴的，而且还有体积小、重量轻、结构简单、可靠性好等诸多优点，因此各种形态的 3 轴角速度传感器是目前主要的发展趋势。

最常见的角速度传感器使用场景就是手机，如赛车类手游就是通过角速度传感器的作用产生汽车左右摇摆的交互模式。除了手机，角速度传感器还被广泛应用在 AR／VR 以及无人机领域。

如果说温湿度是一对好基友，那么角速度跟加速度就是同胞兄弟。加速度传感器有两种：一种是角加速度传感器，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种是线加速度传感器。在要求相对不高的场合，一个基于陀螺仪的传感器，可以做到既能测量倾角，也可以测量加速度。

5.距离传感器

距离传感器有多种结构原理，即使用途相同的距离传感器也有多种不同的构造和原理。常用的测量方法叫做飞行时间法。

飞行时间（flying time）原理

通过发射并测量特定的能量波束从发射到被物体反射回来的时间，并由这个时间间隔来推算与物体之间的距离。这个特定的能量波束可以是超声波，激光，红外光、雷达等。这种传感器的测量精度很高，可以精确测量距离。

距离传感器自投放使用以来，在社会各个应用方面都得到普及，从防盗安防产品到工业物位料位检测，汽车防追尾预警、雾天防撞，机场空中飞鸟探测驱赶、智能化控制等。

将红外距离传感器技术应用在监控摄像机上，可以实现各种检测功能，如入侵检测，通过视频分析还可以实现无数的其他应用程序，如违规停车，机动巡逻对象，围栏攀爬，交行，走错了方向等。

6.气压传感器

气压传感器是一种能够测量绝对大气压强的元件，主要是通过将敏感元件大气压转换可被电路处理的电量值。大气层就如同裹在地球表面上的“被子”，大气压是由空气的重力产生的，在不同的海拔高度时，大气压强也会随之发生变化。气压传感器除了直接测量气压的大小外，另外一个作用就是间接地对海拔高度进行测量。

空气压缩机的气压传感器主要的传感元件是一个对气压传感器内的强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制，电路方面它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升高时，这个薄膜变形带动顶针，同时该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给计算机。

扩散硅式压力传感器

很多空气的气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时顶针动作，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化来控制气压传感器。

在应用方面，气压传感器不论是在室内还是室外环境中能够使无人机、智能手机、可穿戴设备以及其他移动设备精准地识别高度变化。

另外，气压传感器内部集成了一些高度算法可以做高度计算。最典型的应用是在三维GPS导航里面。现在很多城市都有高架，那你在高架上还是高架下，气压传感器精度在30cm内很容易解决这个问题。

结语

正如开头所说，除了上述提到的传感器还有很多。它们的工作原理虽然各有不同，但最基本的原理都是上述提到的，即通过光、声、化学等原理将待测量转化为电学量，只不过大多都根据特定的领域在一般原理的基础上做了升级和扩展。

自从工业时代被发明以来，传感器就在生产控制和探测计量等领域发挥着至关重要的作用。在物联网的带动下，传感器正迎来它的第三个春天。