陜西省計(jì)量科學(xué)研究院 陳怡伶

傳感器在我們的日常生活中幾乎隨處可見(jiàn)，現(xiàn)代化的電子產(chǎn)品中都需要布置大量的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能，有很多高精度的電子測(cè)量設(shè)備都是基于電磁測(cè)量技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，本文首先分析了電磁測(cè)量的基本工作原理以及采用電磁測(cè)量的傳感器種類(lèi)，在此基礎(chǔ)上介紹兩種基于電磁測(cè)量的傳感器具體應(yīng)用，分別是遠(yuǎn)程壓力傳感器和智能手機(jī)，使研究人員更加深入地了解電磁測(cè)量技術(shù)，具有一定的研究?jī)r(jià)值和參考意義。

傳感器測(cè)量技術(shù)從問(wèn)世之日起就得到廣泛關(guān)注，對(duì)于采用傳統(tǒng)方式無(wú)法順利測(cè)量的物理量都借助傳感器得到了很好地解決，并由此推動(dòng)了相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展，在通常情況下測(cè)量?jī)x器都是將非電學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)物理量再通過(guò)集成電路將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。而磁場(chǎng)和電磁感應(yīng)等概念是與電學(xué)物理量緊密相連的，所以電磁測(cè)量?jī)x器的研發(fā)是科技發(fā)展的必然結(jié)果。電磁測(cè)量在傳感器測(cè)量領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，首先電磁信號(hào)是一種連續(xù)性信號(hào)，可以用于物理量的連續(xù)性測(cè)量。而且采用電磁測(cè)量的設(shè)備一般具有較高的靈敏度和精確性，這也保證了在連續(xù)測(cè)量過(guò)程中測(cè)量的準(zhǔn)確性；其次電磁測(cè)量設(shè)備可以與被測(cè)物體保持一定距離，這樣也防止了由于測(cè)量設(shè)備本身給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差。電磁測(cè)量設(shè)備在電離輻射、熱力學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域都有非常廣泛的研究，將非電學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)物理量進(jìn)行測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中非常普遍并且實(shí)用的測(cè)量方法。

1 電磁測(cè)量和傳感器簡(jiǎn)介

1.1 電磁測(cè)量工作原理

將溫度、速度、光照強(qiáng)度、壓力等非電學(xué)物理量通過(guò)某些方法轉(zhuǎn)變成電流、電壓、電阻等電學(xué)物理量進(jìn)行測(cè)量是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)，這不僅極大降低了各種物理量的測(cè)量難度，而且有力促進(jìn)了微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。例如對(duì)于溫度測(cè)量，采用原始的水銀溫度計(jì)或者煤油溫度計(jì)，測(cè)量效率極低的同時(shí)溫度測(cè)量范圍也非常狹窄，在新型冠狀病毒流行期間，額溫測(cè)量?jī)x就發(fā)揮了重大作用，只需要接近人體額頭就可以快速測(cè)量人體體溫，這種測(cè)量方式對(duì)人體無(wú)接觸而且測(cè)量速度極快，適宜大范圍人體溫度測(cè)量。

在傳感器測(cè)量方面通常是將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及電磁感應(yīng)是不可分割的整體，所以在傳感器的測(cè)量研究中不可避免地會(huì)考慮電和磁相關(guān)物理量的轉(zhuǎn)換，在電磁測(cè)量中需要測(cè)量的物理量主要有磁通量、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流、電壓、電感、電阻等等，利用電磁感應(yīng)原理制造的測(cè)量?jī)x器主要有電流表、電壓表、電阻箱、電位差劑、電橋等等。

為了更好地闡述電磁測(cè)量在傳感器測(cè)量中的應(yīng)用，這里舉例利用電磁感應(yīng)測(cè)量電壓的兩種實(shí)驗(yàn)方法，液體靜電計(jì)是復(fù)現(xiàn)電壓?jiǎn)挝坏囊环N試驗(yàn)方法，在導(dǎo)電性能較好的液體例如純汞的上方水平放置一個(gè)電極，電極外接電源而液體接地，電極所流過(guò)的電流會(huì)產(chǎn)生靜電引力從而使導(dǎo)電液體的液面高度升高一段距離，再通過(guò)公式計(jì)算測(cè)量電壓?；蛘卟捎昧硪环N方法，借助尺寸測(cè)量工具直接測(cè)量液面上升的高度以及上升的液面與電極之間的距離，再計(jì)算測(cè)量電壓。雖然試驗(yàn)方法非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差大約在10-7量級(jí)，具有較高的精確度。電壓天平同樣可以用于測(cè)量電壓，在天平的一端是可以增減砝碼的托盤(pán)，另一端是兩個(gè)極板，上極板是和天平連接的可動(dòng)電極，下極板是外接高電壓的固定電極，在極板之間存在均勻分布的靜電場(chǎng)。已知的物理量有極板的面積、兩極板之間的距離以及空氣介電常數(shù)通過(guò)這些物理量就可以求出測(cè)量電壓了。采用這種測(cè)量方法會(huì)產(chǎn)生一定的誤差主要來(lái)自于兩方面。首先是兩極板間產(chǎn)生的靜電引力過(guò)小，現(xiàn)有方法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，其次是可動(dòng)電極會(huì)產(chǎn)生一定量的擺動(dòng)進(jìn)而造成一定的誤差。

1.2 傳感器種類(lèi)

伴隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器的種類(lèi)和應(yīng)用范圍已經(jīng)越來(lái)越廣，在工業(yè)機(jī)械、汽車(chē)制造業(yè)、家用電器等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在傳感器的發(fā)展困境在于低精度的傳感器價(jià)格低廉且沒(méi)有很高的技術(shù)含量，而高精度的傳感器由于生產(chǎn)技術(shù)限制價(jià)格高昂并且無(wú)法大批量生產(chǎn)?，F(xiàn)在幾乎所有的電子器件內(nèi)部都安裝有傳感器，傳感器的作用也不僅限于物理量的測(cè)量，還可以作為自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的反饋元件。傳感器大多由具有與某些物理量線性相關(guān)的半導(dǎo)體制造而成，例如光敏電阻、熱敏電阻、力敏電阻、磁敏電阻等等，這些電阻一般與非電物理量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，光敏電阻在接收光照時(shí)其電阻值會(huì)快速下降，熱敏電阻同樣具有相同的電阻變化特性。

在我們?nèi)粘Ｉ钪新暱亻_(kāi)關(guān)以及煙霧報(bào)警器都是應(yīng)用傳感器的典型例子，在聲控開(kāi)關(guān)中安裝有光敏電阻和三極管，在白天期間光敏電阻的阻值極小可以使三極管截?cái)?，電路出于斷開(kāi)狀態(tài)，在夜晚期間光敏電阻阻值急劇升高三極管導(dǎo)通，當(dāng)接收到聲音信號(hào)時(shí)三極管會(huì)將聲音信號(hào)放大，進(jìn)而接通電路。光電式煙霧報(bào)警器也是采用的光敏電阻作為傳感器件，但是實(shí)際的工作過(guò)程和聲控開(kāi)關(guān)不同，煙霧報(bào)警器會(huì)向外發(fā)射紅外光，當(dāng)出現(xiàn)煙霧時(shí)由于煙霧的反射效應(yīng)讓煙霧報(bào)警器接收到紅外光進(jìn)而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。

2 具體應(yīng)用

2.1 遠(yuǎn)程壓力傳感器

遠(yuǎn)程壓力傳感器是基于電磁測(cè)量技術(shù)測(cè)量物理量的最典型范例，可以通過(guò)傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再借助相關(guān)測(cè)量電路將測(cè)量數(shù)值顯示出來(lái)。而且還能遠(yuǎn)程控制電信號(hào)來(lái)間接控制壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到改變施加壓力載荷的目的。

遠(yuǎn)程壓力測(cè)量?jī)x主要由五個(gè)部分組成，分別是受力機(jī)構(gòu)、壓力傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換元件、集成電路、數(shù)字顯示屏，其中壓力傳感器要求可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償工作性能穩(wěn)定，壓力傳感器將接收的壓力數(shù)值傳遞到信號(hào)轉(zhuǎn)換元件變成電信號(hào)，集成電路再將電信號(hào)進(jìn)行放大處理，壓力數(shù)值就在數(shù)字顯示屏上顯示出來(lái)了。在使用壓力測(cè)量?jī)x之前需要檢查設(shè)備是否校準(zhǔn)調(diào)零，將電流表和壓力計(jì)接入設(shè)備的集成電路中，在沒(méi)有任何外在負(fù)載的情況下，電流表讀數(shù)為4mA，壓力計(jì)讀數(shù)為4KPa，如果讀數(shù)出現(xiàn)較大的偏差就需要FS電位器進(jìn)行零點(diǎn)校正，如果偏差較小則可以采用ZO電位器進(jìn)行校正，將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸入集成電路，電流波動(dòng)范圍在4-20mA。在完成零點(diǎn)校正之后還需要進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，如果壓力計(jì)達(dá)到集成電路的最大壓力，電流表顯示讀數(shù)為20mA，則說(shuō)明零點(diǎn)校準(zhǔn)是成功的。

2.2 智能手機(jī)

實(shí)際上智能手機(jī)的發(fā)展時(shí)間極短只有十多年的時(shí)間，但是發(fā)展速度是非常快的，智能手機(jī)的發(fā)展速度在很大程度上依賴(lài)于傳感器的發(fā)展速度，這里主要介紹應(yīng)用于智能手機(jī)的幾種較為重要的傳感器，它們分別是光線傳感器、紅外傳感器、采用壓電效應(yīng)或者電磁效應(yīng)的方向傳感器、指紋傳感器、霍爾傳感器等等。

光線傳感器的主要測(cè)量元件是光敏三極管，光敏元件具有優(yōu)良的電阻線性變化率，光敏三極管將接收到的光信號(hào)放大，再將信號(hào)傳遞給控制器，控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕亮度；紅外傳感器的主要測(cè)量元件是一個(gè)紅外線發(fā)射器，這個(gè)設(shè)備主要安裝在手機(jī)攝像頭內(nèi)部，當(dāng)攝像頭面對(duì)某件物體時(shí)紅外線發(fā)射器發(fā)射紅外光并在物體上反彈回來(lái)，由此測(cè)量與物體之間的距離并使攝像頭自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距；方向傳感器的主要測(cè)量元件是具有正交效應(yīng)的壓電片或者磁致電阻，方向傳感器的主要作用是測(cè)量手機(jī)屏幕的當(dāng)前位置，并根據(jù)當(dāng)前位置自動(dòng)調(diào)整手機(jī)屏幕位置，壓電片的工作原理是與水平方向正交就會(huì)產(chǎn)生微弱電壓從而確定當(dāng)前位置，當(dāng)調(diào)轉(zhuǎn)手機(jī)方向時(shí)電壓就會(huì)消失。磁致電阻的工作原理和壓電片類(lèi)似但是比壓電片要更加靈敏，在手機(jī)保持某一方向時(shí)電阻會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，當(dāng)手機(jī)方向發(fā)生變化電阻阻值也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓就可以確定手機(jī)當(dāng)前的方向；現(xiàn)有的智能手機(jī)指紋傳感器都是采用的電容識(shí)別進(jìn)行工作的，手機(jī)內(nèi)屏設(shè)置有電晶片陣列作為電容的一極，人的手指就是電容的另一極，當(dāng)人的手指接觸手機(jī)屏幕時(shí)就會(huì)產(chǎn)生微弱電流，而人的手指表面是凹凸不平的，手指的每個(gè)位置產(chǎn)生的電流有所差別就可以將指紋識(shí)別出來(lái)；手機(jī)中的霍爾傳感器是采用電磁測(cè)量技術(shù)進(jìn)行相關(guān)物理量測(cè)量的，霍爾元件也是應(yīng)用范圍非常廣泛的傳感器，在霍爾磁場(chǎng)中有電流經(jīng)過(guò)就會(huì)產(chǎn)生垂直電子方向的力，從而產(chǎn)生電勢(shì)差。

綜合傳感器在智能手機(jī)中的應(yīng)用可以看出，對(duì)于很多無(wú)法直接測(cè)量的物理量可以借助傳感器轉(zhuǎn)換成電流、電壓、磁通量等可以在集成電路中測(cè)量的物理量，這不僅極大優(yōu)化了智能手機(jī)的使用體驗(yàn)，而且也有力證明了傳感器在現(xiàn)代科技領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛性以及重要性。

結(jié)論：傳感器除了在物理量測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，在自動(dòng)化控制、機(jī)械制造領(lǐng)域也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，例如在現(xiàn)代商用汽車(chē)中就運(yùn)用了大量的傳感器來(lái)優(yōu)化汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及駕駛舒適度，還有現(xiàn)在非?；馃岬臒o(wú)人駕駛技術(shù)也需要依賴(lài)大量精密度較高的傳感器，但是精度和靈敏度較高的傳感器造價(jià)高昂并且工作性能不穩(wěn)定，但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展相信未來(lái)高精度的傳感器價(jià)格只會(huì)越來(lái)越低，就像光敏電阻一樣在制造之初的價(jià)格高達(dá)上萬(wàn)美元，但是經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展高精度的光敏電阻也只要幾元人民幣，這是微電子技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。