前言：
传感器可以看成是一个数据采集终端，其自身也是一个微型的、自组织的通信子系统，这里涉及两个方面的微型通信，一方面是传感器与被传感对象之间的通信，另一方面是传感器把收集到的传感对象的信息，传递给对大量的传感器进行汇集的的设备。本文就是探讨这些传感器自身的工作原理，以及它们是如何传递信息的 。
至于有大量的单体传感器构建的构建的微型通信系统，即传感网，将会在单独的文章中探讨。
目录
第1章 传感器与传感网概述
1.1 传感器概述
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足后续的信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
1.2 传感器与人的感觉器官
传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来，
因此传感器在自动驾驶和智能机器人等高度拟人的场合，尤其重要。它们是智能、拟人设备与自然外界环境进行交互的手段！
根据传感器基本感知功能，可以把传感器分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
第2章 传感器的通用工作原理
2.1 人体感觉器官+大脑
（1）眼睛：把光信号转换成生物电信号的装置（视觉传感器）
我们常说是用眼睛看世界，实际上，眼睛只不过是捕捉外界的光线的“一台摄像机”而已，眼睛只是外部的光线转换成视网膜上的生物电信号，然后通过神经系统传递给大脑，真正看世界的是大脑，是大脑的视觉功能区。
- 眼睛：就是一种视觉传感器，外部的光线转换成视网膜上的生物电信号。
- 神经系统：数据传输网络，视觉传感器眼睛，接收到的生物电信号传送给数据处理中心，大脑。
- 大脑：中央处理器CPU、数据处理中心。
- 大脑视觉区：数据处理中心的视觉的功能模块。
（2）耳朵：把空气振动信号转换成生物电信号的装置（声音传感器）
我们常说是用耳朵听世界，实际上，耳朵只不过是捕捉外部的空气震动“麦克风”而已，耳朵只是外部的空气的震荡转换成耳膜上的生物电信号，然后通过神经系统传递给大脑，真正听世界的是大脑，是大脑的听觉功能区。
- 耳朵
- 神经系统：数据传输网络，视觉传感器眼睛，接收到的生物电信号传送给数据处理中心，大脑。
- 大脑：中央处理器CPU、数据处理中心。
- 大脑听觉区：数据处理中心的听觉的功能模块。
2.2 传感器+MCU+数据中心架构
带有传感器的计算机系统的架构基本上与人大脑处理外部事件是相似的。
（1）传感器+A/D转换器：相当于人的感觉器官，把自然界的信号转换模拟的电信号，并通过A/D转换器转换成数字电信号。
（2）读写接口：相当于传输信号的神经系统，常见的接口有I2C, SPI，Uart串口等。
因此无论内部实现多么复杂的传感器，对于MCU而言，就是一个可以通过I2C和SPI等串行总线读取二进制数据的外设而已，与非传感器外设没有区别。
（3）单片机MCU处理模块：相当于一个人的大脑，用于处理传感器的数据。
（4）无线通信模块：这里代表无线通信系统，通过无线通信系统，把多个不同物理空间的传感器的数据传输到数据中心。这里的无线技术有bluetooth、zegbee、wifi，lora，2G/3G/4G/5G等等。
（5）中心化的数据处理：相当于一群人中的决策机构，他们负责收集不同传感器的数据，并进行中心化处理与决策，下发指令。
2.3 传感器内部工作原理
传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如图1 所示
- 敏感元件：
直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；这是传感器中最重要的部件，由特定的、物理属性的、材料制作而成。
常见的基础物理量有：电阻、电容、电感、电流、电压、电场、磁场等。
- 转换元件：
将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；
- 变换电路：
负责对转换元件输出的电信号进行放大和转换；
- 电源供电：
转换元件和变换电路一般电源，也就是说，转换元件和变换电路都是有源的电子设备。而敏感元件通常是由无源的材料构成。
不同类型的传感器，主要区别在于敏感元件和转换元件，它们待测的信号密切相关。
2.4 传感器制作的理论基础
（1）化学：主要体现在敏感元器件
世界由物质组成，主要存在着化学变化和物理变化两种变化形式（还有核反应）
化学研究的原子 ~ 分子 ~ 离子（团）的物质结构和化学键、分子间作用力等相互作用，其所在的尺度是微观世界中最接近宏观的，因而它们的自然规律也与人类生存的宏观世界中物质和材料的物理、化学性质最为息息相关。
作为沟通微观与宏观物质世界的重要桥梁，化学则是人类认识和改造物质世界的主要方法和手段之一。
（2）物理学：主要体现转换元器件
物理学是一门自然科学，注重于研究物质、能量、空间、时间，尤其是它们各自的性质与彼此之间的相互关系。
物理学是关于大自然规律的知识；更广义地说，物理学探索并分析大自然所发生的现象，以了解其规则。
（3）电子学
电子学是一门以应用为主要目的的科学和技术。它主要研究电子的特性和行为，以及电子器件的物理学科。
电子学是以电子运动和电磁波及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的。
（4）材料学：敏感元器件 + 转换元器件的材料与制造
材料学是指研究材料组成、结构、工艺、性质和使用性能之间相互关系的学科，为材料设计、制造、工艺优化和合理使用提供科学依据。
从上面可以看出，传感器的核心是硬件，而不是计算机软件！
第3章 视觉--光敏传感器
3.1 光敏传感器概述
光敏传感器是一种对光源敏感的电子元件，能够把外界光信号或光辐射能转换成电信号的敏感装置。
最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。
3.2 光敏传感器种类
敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：
- 光电管（电流型）
光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。
光电管分为真空光电管和充气光电管两种。
真空光电管：光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。
充气光电管：若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。
光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。
- 光电倍增管（电流型）
光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。
光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。
闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。
- 光敏电阻（电阻型）
光敏电阻（photoresistor or light-dependent resistor，后者缩写为ldr）或光导管（photoconductor），常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其电阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的电阻值迅速下降。
- 光敏三极管（电阻型）
光电三极管是一种晶体管，它有三个电极，其中基极未引出。
当光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化。
光电三极管可以根据光照的强度控制集电极电流的大小，从而使光电三极管处于不同的工作状态，光电三极管仅引出集电极和发射极，基极作为光接收窗口。
- 太阳能电池（电流型）
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。
它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
- 红外线传感器
利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。
红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。
主要应用有：
火焰探测器：火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号
红外测温仪：红外传感器是接收目标辐射并转换成电信号的器件。
红外成像：在许多场合，人们不仅要知道物体表面的平均温度，更需了解物体的实时的温度分布以便分析，研究物体的结构，探测内部缺陷。红外成像就能将物体的温度分布以图像的形式直观显示出来。
- 紫外线传感器
紫外线传感器利用光敏元件，通过光伏模式和光导模式，将紫外线信号转换为可测量的电信号。
- 色彩传感器或色敏元件传感器
色彩传感器又叫颜色识别传感器或颜色传感器，它是将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的传感器，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果。
色彩传感器在终端设备中起着极其重要的作用，比如色彩监视器的校准装置；彩色打印机和绘图仪；涂料、纺织品和化妆品制造，以及医疗方面的应用，如血液诊断、尿样分析和牙齿整形等。
色彩传感器系统的复杂性在很大程度上取决于其用于确定色彩的波长谱带或信号通道的数量。
色敏传感器，本质上是对特定频率的光波敏感的传感器。
- CCD（电荷耦合元件）
CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术。
它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化。
CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。
CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。
CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。
- CMOS图像传感器
CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。
CMOS图像传感器通常由像素阵列（光敏）、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。
外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输
- 放射线敏感传感器、核辐射传感器
利用放射性同位素来进行测量的传感器，又称放射性同位素传感器。
第4章 听觉--声敏感器
4.1 声音传感器概述
声音传感器是一种可以检测、测量并显示声音波形的传感器，广泛的用于日常生活、军事、医疗、工业、领海、航天等中，并且成为现代社会发展所不能缺少的部分。
声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。它用来接收声波，显示声音的振动图像，但不能对噪声的强度进行测量。
声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小。因而它的输出阻抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
也就是，声音传感把声音的波动转换成电压的波动，如下下图所示：
4.2 声音传感器种类
声音传感器主要就是话筒: 话筒的结构常用的主要就是三种
- 电阻式：这个是用碳粒制造,根据碳粒压缩量,改变了它的电阻,从而得到声音的电量。这个目前已淘汰,5-60年代电话机上常用。
- 电容式：通过声音的振动,引起电容量的改变,来得到声音的电压量。目前常见的有:驻极体话筒。
- 磁电式：用声音的振动,带动导线切割磁力线产生电流,以达到声音的传感。这就是常用的动圈式话筒的结构。
第5章 嗅觉--气敏传感器
5.1 气敏传感器概述
气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。
气敏传感器是利用特定的半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质（电阻）变化，转化为电压的变化，检测特定气体成分或测量其浓度的传感器总称。
它是利用气体在半导体表面的氧化和还原的化学反应导致敏感元件阻值变化。
若气浓度发生变化，其阻值又将变化，根据这一特性，可以从阻值的变化得知，吸附气体的种类和浓度。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大， 又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。
5.2 气敏传感器种类
- 一氧化碳传感器
当一氧化碳气体通过外壳上的气孔经透气膜扩散到工作电极表面上时，在工作电极的催化作用下，一氧化碳气体在工作电极上发生氧化。
在工作电极上发生氧化反应产生的H+离子和电子，通过电解液转移到与工作电极保持一定间隔的对电极上，与水中的氧发生还原反应。
因此，传感器内部就发生了氧化-还原的可逆反应。
这个氧化-还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。
当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度。
- 瓦斯（甲烷）传感器
甲烷传感器在煤矿安全检测系统中用于煤矿井巷，采掘工作面、采空区、回风巷道、机电峒室等处连续监测甲烷浓度，当甲烷浓度超限时，能自动发出声、光报警，可供煤矿井下作业人员，甲烷检测人员，井下管理人员等随身携带使用，也可供上述场所固定使用。
其他气体传感器的原理，基本类似。
- 煤气传感器
- 氟利昂（R11、R12）传感器
- 乙醇（酒精）传感器
- 人体口腔口臭传感器
第6章 味觉--味敏传感器
6.1 味敏传感器概述
五味指的是辛、酸、甘、苦、咸五种味道
6.2 味敏传感器种类
目前味敏传感器比较少。
第7章 触觉--热敏传感器
7.1 热敏传感器概述
热敏传感器是将温度转换成电信号的转换器件，俗称温度传感器。
温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
7.2 热敏传感器种类
（1）按测量方式可分为接触式和非接触式两大类
- 接触式
接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。
-
非接触式（难度最大、实现最复杂的一种测量方法）
这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。
最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。
辐射温度仪表的工作原理是物体的热辐射与温度之间的对应关系决定的。它采用的是光敏传感器中的红外线传感器。
- 热电阻
热电阻（thermal resistor）是中低温区最常用的一种温度检测器。
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。
其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁—镍等。
热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
（3）使用方式方：机械式与电子式
- 机械式：利用水银的热胀冷缩的原理
- 电子式：利用热敏元器件的电阻随着温度的变化而变化的特性。
第8章 触觉--湿敏传感器
8.1 什么是空气湿度
湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。
绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为ha=mv / v ，式中，mv 为待测空气中水蒸气质量，v 为待测空气的总体积。单位为g / m3 。
相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气（是指处于蒸气状态的水，而不是液体水）的分压（pw ）和同温度下饱和水蒸气的分压（pn ）的百分比，即ht=（pw / pn ) tx 100 % rh。
通常，用rh %表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。
日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。
温度高的气体，含水蒸气越多。
若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100 % ，呈饱和状态（水蒸气无法再增加的状态），
再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸气达饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。气温和露点的差越小，表示空气越接近饱和。
也就是说，温度越低，水蒸气得到饱和状态时候的水量越小。
8.2 湿敏传感器概述
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用电信号的器件。
湿度检测较之其他物理量的检测显得困难：
- 这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；
- 另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；
- 再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。
- 最后是相对湿度还与温度相关。
8.3 湿敏传感器种类
- 伸缩式湿度计
利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质。多用于自动记录仪、空调的自动控制等。
目前用于家庭设备的是把纤维素与约50 pm 的金属箔粘合在一起，卷成螺旋状的传感器。
- 干湿球湿度计
干湿球湿度计又叫干湿计。
利用水蒸发要吸热降温，而蒸发的快慢（即降温的多少）是和当时空气的相对湿度有关这一原理制成的。其构造是用两支温度计：
其一在球部用白纱布包好，将纱布另一端浸在水槽里，即由毛细作用使纱布经常保持潮湿，此即湿球。
另一未用纱布包而露置于空气中的温度计，谓之干球（干球即表示气温的温度）。
使用时，应将干湿计放置距地面1.2～1.5米的高处。读出干、湿两球所指示的温度差，由该湿度计所附的对照表就可查出当时空气的相对湿度。
因为湿球所包之纱布水分蒸发的快慢，不仅和当时空气的相对湿度有关，还和空气的流通速度有关。所以干湿球温度计所附的对照表只适用于指定的风速，不能任意应用。
- 阻抗式湿度计
电阻式湿度传感器是利用湿敏元件的电气特性（如电阻值），随湿度的变化而变化的原理，进行湿度测量的传感器。这是湿度传感器最典型的、最广泛的使用方法。
湿敏元件：一般是在绝缘物上浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂覆等工艺制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉末状颗粒而制作的，在湿敏元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的离子H+的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值随湿度而变化。
氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。
第9章 触觉--力敏感器
9.1 力敏传感器概述
力敏感器, 俗称压力传感器，是对压力敏感的传感器。
压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。
压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，
9.2 力敏传感器种类
- 压阻式压力传感器
压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻应变效应和集成电路技术制成的传感器。
单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
电阻应变片（在上图为硅膜片），是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是：吸附在基体材料上，应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。
压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。
- 陶瓷压力传感器
陶瓷压力传感器基于压阻应变效应，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。
第10章 触觉--磁敏传感器
10.1 磁敏传感器概述
顾名思义，就是感知物体磁场存在或者磁场强度(在有效范围内）的装置。这些磁场，除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金)，当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。
磁场，物理概念，是指传递实物间磁力作用的场。
磁场是一种看不见、摸不着的特殊的场。
磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。
电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间产生一种特殊形态的物质，就磁场。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。
磁场有强度不变的磁场，称为静态磁场，磁场也有强度发生变化的磁场，称为动态磁场。
10.2 磁敏传感器种类
根据磁感敏感元件的材料，分为：电感线圈磁敏传感器和霍尔磁敏传感器。
- 电感线圈磁敏传感器
磁敏传感器利用的是电磁感应的原理。
电感线圈磁敏传感器主要组成是不通电的线圈，一般仅对运动中的永磁体或变化的电流载体起敏感作用，变化的电流产生磁场，交变电流，产生变化的磁场，变化的磁场，在产生变化的电场，变化的电场，在线圈中能够感应出交变的电流。这就是电感线圈磁敏传感器的基本原理。
后来发展为用线圈组成振荡槽路的。 如探雷器， 金属异物探测器，测磁通的磁通计等. (磁通门，振动样品磁强计)
电感线圈通常不预先通电源，因此只能感应外部变化的磁场。
- 霍尔磁敏传感器
依据霍尔效应制成的器件：
霍尔效应：通电的导体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用， 并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差（电压）。
即，如果对位于磁场(B)中的导体(d)施加一个电流(Iv)，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么则在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压(UH)，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。
经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著，从而形成了霍尔元件。
早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。为增强对磁场的敏感度，在材料方面半导 体IIIV元素族都有所应用。近年来，除Insb(锑化铟)之外，有硅衬底的，也有砷化镓的。
霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在 150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。
霍尔磁敏传感器需要预先通电源，除了感应变化的磁场，还能感应静态的磁场。
第12章 触觉--运动传感器
12.1 运动传感器概述
顾名思义，指检测物体或人运动的装置，包括重力、速度、线性加速度、旋转矢量、振动频率等运动信息。
运动传感器可用于监视设备移动，如倾斜，摇晃，旋转或摆动。
其中，旋转矢量传感器和重力传感器是用于运动检测和监测的最常用的传感器。旋转矢量传感器特别灵活，可用于各种运动相关任务，如检测手势，监视角度变化以及监视相对方位变化。
不同的传感器，器内部的实现是不同的，但基本原理是一致的：
基本的思路是：物体机械运动 =》或电阻、或电容、或电感、或电流、或电压的变化 =》电压的变化 =》检测到物体运动。
12.2 运动传感器种类
- 1、电动式传感器（电压）
电动式传感器基于电磁感应原理，即当运动的导体在固定的磁场里切割磁力线时，导体两端就感生出电动势，因此利用这一原理感知物体运动的传感器称为电动式传感器。
- 2、电涡流式传感器（电流）
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。
根据电磁感应原理：金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时（与金属是否块状无关，且切割不变化的磁场时无涡流），导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
基本的思路是：物体机械运动=》磁体的运动 =》磁场的变化=》电磁感应=》电流的变化 =》物理的运动
- 3、电感式传感器（电感）
电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。
用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。
它具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。
它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速、动态测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率低，反之则高。
电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。
- 4、电容式传感器（电容）
电容式传感器一般分为两种类型。即可变间隙式和可变公共面积式。
可变间隙式可以测量直线振动的位移。
可变面积式可以测量扭转振动的角位移。
基本的思路是：物体机械运动=》位移的变化=》=》电容的变化=》电流的变化 =》物理的运动
- 5、惯性式电动传感器！！！
惯性传感器是一种传感器，主要是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。
惯性传感器包括加速度计（或加速度传感计）和角速度传感器（陀螺）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），AHRS（包括磁传感器的姿态参考系统）。
MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块（传感元件）和检测电路组成。
IMU主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺和解算电路组成。
- 6、压电式加速度传感器！！！
压电式加速度传感器的机械接收部分是惯性式加速度机械接收原理，机电部分利用的是压电晶体的正压电效应。
- 7、压电式压力传感器（电压）
在振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力（瞬间压力或平均压力）。
压电式压力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。
压电式力传感器的工作原理是：利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。
有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，使其带电质点发生相对位移，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。
水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。常见的压电晶体还有：闪锌矿、方硼石、电气石、红锌矿、GaAs、钛酸钡及其衍生结构晶体、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(罗息盐)、食糖等
基本的思路是：物体的机械压力=》晶体内部的电荷变化=》=》电压的变化 =》压力的大小
机械压力的大小与输出电压的大小有一定比例关系。
从能量守恒的角度看，也是一种把机械能转换成电能的装置。
- 8、阻抗头
阻抗头是一种综合性传感器。
它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。
因此阻抗头由两部分组成，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器
它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。
- 9、电阻应变式传感器（电阻）
电阻式应变式传感器，是将被测的机械振动量转换成传感元件电阻的变化量。
电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。
弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
因此常用的电阻应变式传感器有：应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。
缺点：是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。
优点：灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小。
- 加速度传感器
牛顿第二运动定律的常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。
因此，如果知道了作用力和质量，就可以获得加速度。
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。
传感器在加速过程中，通过对质量块所受到惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。
根据压力传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。
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陀螺仪传感器
陀螺仪传感器是一个简单易用的、基于自由空间移动和手势的定位和控制系统，它原本是运用到直升机模型上，现已被广泛运用于手机等移动便携设备。
陀螺仪的原理就是，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。
然后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
传统的惯性陀螺仪主要部分有机械式的陀螺仪，而机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高。
70年代提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。
光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠。光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。
13. 更高级别的传感器
前面提到的传感器，基本上停留在“器官”层面，如机器听觉的“耳朵”、机器视觉的“眼睛，机器感觉的“运动感觉”。这都是停留在硬件传感器的范畴，停留子啊物联网的范畴。
新型的传感器，从“器官”级别，提升到“大脑功能区”级别，比如语音识别、机器视觉，都已经超越传统的信息采集的范畴，进入更高级的信息数据的范畴，就人工智能的范畴。
机器听觉，比如语言识别、自然语言处理，已经从“耳朵”提升到大脑皮层的“听觉中枢“。
机器视觉，比如机器视觉，已经从“眼睛”提升到大脑皮层的“视觉中枢”。
这些已经超越传统的传感器的领域，进入了人工智能AI的领域，但本质上是更高级别的传感器。
这是一个新的、独立的、复杂的领域，后续单独探讨。