常用传感器分类及其应用 ----- {{ :sensormind.png |}} ### 空间/位置(Position) #### 定位 - 全球定位系统 ([GPS](https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System)) #### 目标检测（object presence）- 只是检测到目标在一定范围内出现，不关心距离 - 有源 - 光（optical） - 发射式（做在一起的光开关） - 反射式 - 磁 - Reed开关 - 霍尔器件 - 原理：利用半导体磁电效应中的霍尔效应，将被测物理量转换为霍尔电势，集成霍尔传感器是利用硅集成电偶工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起，实现了材料、元件、电路三位一体 - 分类 - 线性霍尔传感器： - 开关型霍尔传感器：转速的测量和位置的检测 - 霍尔电流传感器：测量电流参量，在电力电子、交流变频调速、逆变装置、开关电源中使用 - 无源 - 被动红外传感器（[PIR](https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_infrared_sensor) - passive infrared sensor）- 防盗，热物体的运动，它只检查“变化”，需要先适应环境，需要先知道室内的热模式，需要30秒 #### 测距： 接近式传感器（[proximity sensor](https://en.wikipedia.org/wiki/Proximity_sensor)）- 测量距离最常规的两种方式是通过“回声”和“光反射” - 超声波（[ultrasonic sound](https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity)）- 可以测距、探测障碍物、区分被测物体的大小 - HC-SR04：2cm-5m - HC-05： - LM1812：TI的超声波收发器 - 主动红外距离传感器（active infrared distance sensor）- 使用调制过的红外光去除环境光的影响和其它干扰。 - 典型器件： - ST178 - 反射式红外光电传感器，检测距离4-10m - ST120 - 直射式光电传感器，可以分辨很小的间隙 - GP2Y0A60SZLF 10cm - 150cm，Sharp - Si1145/46/47，Silicon Labs - VCNL4040， Vishy - HSDL-9100，Avago - 红外复合眼（IR Compound Eye）- 能够感知20cm范围内的移动 - 应用： - 红外遥控 - 红外通信 - 障碍物检测 - 自动水龙头、自动干手机 - 激光测距（[laser beam](https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_rangefinder)）- 比较昂贵 - 线性位置传感器（linear position sensor） - 线性电位计 - 磁线性编码器 - 光线性编码器 - 旋转位置传感器（rotary position sensor） - 单圈电位计 - 多圈电位计 - 磁性旋转位置传感器 - 旋转编码器 - 光/磁 - 绝对旋转编码/相对旋转编码 #### 方向 - 倾斜传感器/角度传感器（tilt sensor） - 单轴、单输出 - AHF22 - 双轴、双输出，互相垂直 - RPI-1035， Rohm - 双轴、单输出 - 角速度（Angular Velocity）/陀螺仪（[gyroscope](https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroscopic_sensor)）- 角速度，角度的变化、旋转 - L3G420D， ST公司的3轴数字输出陀螺仪， SPI或I2C接口 - MX2125：2轴加速度传感器 - FXAS21002C， NXP（原Freescale）的三轴陀螺仪 - FXMS3110: NXP（原Freescale）的三轴磁力传感器 - HMC5883：霍尼韦尔的三轴数字罗盘，12bits ADC - 加速度（Acceleration）- 速度的变化，加速还是刹车？ - HMC5883L: 3轴加速度传感器 - MMA7260： NXP（原Freescale）的3轴加速度计：±1.5g - 6g - ADXL330：ADI的3轴MEMS加速度计 - ADXL345：ADI的3轴，±2 G/±4 G/±8 G/±16G数字加速度计 - ADXL362: ADI的微功耗、3轴、±2 g/±4 g/±8 g数字输出MEMS加速度计 - 惯性测量单元（IMU） - MPU6050：3轴陀螺仪 + 3轴加速度 - MPU9250: InvenSense的高度复杂IMU - 3轴陀螺仪+3轴磁力+3轴加速度 - Wii Nunchuk - 游戏杆（joystick） code (analog 2-axis thumb joystick) - Xbox controller ### 机械 #### 震动检测，数字振动传感器（digital vibration sensor）- 使用中断模式进行检测 - 压电 - 激光术 #### 力（force、pressure - Flexiforce) - 机械臂抓力，称量，手指的压力、有人坐椅 - 使用惠斯通电桥 - 塑料膜力传感器 - 典型器件 - BMP180: Bosch的力传感器，用于ABS - BMP280: Bosch的数字力传感器 - MPL3115A2： NXP（原Freescale）的应变式压力传感器 #### 人输入 - touch pad - 单触摸传感 touch pad - 触摸轮 - 触摸带 - 触摸屏 #### 触摸（Touch） - 按键（button）- 需要安装上拉电阻 - 微动开关（microswitch） - 电位计（potentiometer）- 可变电阻 - 单触摸传感器 touch pad - 电容式触摸传感器（capactive touch sensor）- QT113，可以通过物体（比如木头）仍然被感知 - 触摸轮、触摸带 - 触摸屏（touch screen） ### 流动物体检测 #### 液体（Liquid） - 液位传感器（liquid level sensor） - 液体流量传感器（liquid flow rate sensor） #### 烟雾和气体（smoke & gas）将被测气体的浓度转换为与其成一定关系的电量输出的装置或器件 - 监测的内容 - MQ-2- Flammable gas & smoke - MQ - 3，MQ-303A， ALcohol（ethanol） - MQ - 4: Methane（CH4） - MQ-7：Carbon monoxide - MQ-8: Hydrogen - MQ-9: Carbon monoxide，methane， LPG（propane or butane） - 类别 - 模拟气体传感器（analog gas sensor） - 气体/液体压力传感器（gas/liquid pressure sensor） - 大气压（Atmospheric pressure）  - GY65 - 气体浓度传感器（gas concentration sensor） - 气体流量传感器（gas flow rate sensor） - 典型器件 - TGS813 - TGS803 - MQ211 ### 辐射 #### 光（Light） - 火焰传感器（flame sensor）- KY-026 - 光敏电阻（photoresisitor, LDR：light - depedent resistor）：电阻值随光强发生变化，使用时两端可以施加交流电压，也可以施加直流电压，灵敏度很高，光谱特性很好，光谱反应从紫外区一直到红外区 - 光电二极管（photodiode）：PN结直接接收光照射，使用时结成反向偏置状态 - 光电晶体管（phototransistor）：将光信号转换为电信号并进行放大，灵敏度较高 - 光电管/光电倍增管 - 线跟踪传感器（line tracking sensor） - 颜色传感器（color sensor） - 视觉传感器 - CCD摄像头 - MT9P031： - CMOS摄像头 - OV7620： OmniVision的单芯片CMOS VGA彩色数码相机 - OV7670： OmniVision的1/6英寸VGA摄像头芯片,用于超薄相机模块 - MT9P031：Micron的1/2.5-Inch 5-Mp 数字图像传感器，2592(H) × 1944(V) 像素, 53fps, 1.30-1.82V #### 热量/温度（Temperature） - 热敏电阻（thermistor）- 将温度转化为电阻的变化，纯金属材料，在工业中常用的是铂热电阻和铜热电阻 - NTC热敏电阻（NTC thermistor） - 负温度系数，用于自动控制、热补偿等 - PTC热敏电阻（PTC thermistor）- 正温度系数，用于彩电消磁、过热保护、限流等 - CTR热敏电阻 （CTR thermistor）- 用于温度开关 - RTD (resistance temperature detector) - 热电偶（thermocouple）- 将温度转化为电势的变化，热电效应，测量精度较高，直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，测量范围广，构造简单，使用方便 - 半导体温度传感器（semiconductor temperature sensor），内部集成了温度敏感器件、调理电路，线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便 - 分类 - 电压输出 - 电流输出 - 集成了A/D的，可以直接输出数字量 - 典型器件 - [DS18B20](https://www.maximintegrated.com/cn/products/sensors/DS18B20.html)：美信的器件，可分辨率可编程设置的1-Wire数字温度计, 通过最少的连线实现高精度温度测量，理想用于多传感器测量系统 - [LM35](http://www.ti.com.cn/product/cn/LM35)：TI的器件，输出电压同摄氏温度成线性关系，无需外接校准和微调, 具有模拟输出的 ±0.5°C温度传感器，支持30V电源电压 - [LM335](http://www.ti.com.cn/product/cn/LM335)：TI的器件，高精度温度传感器, 模拟输出，军用级，采用气密性TO-92封装 - [AD590](https://www.analog.com/cn/products/ad590.html)：ADI的器件，单片集成双端感温电流输出温度传感器 - SHT11：Sensirion的数字温度连续传感器 - 红外温度传感器（infrared temperature sensor） - 温、湿度传感器 - DHT11：广州奥松电子有限公司的数字温、湿度传感器 - 土壤湿度传感器（Soil sensor） #### 声音（Sound）- 听到声音，测量音量 - 麦克风（Micphone），随着智能语音交互技术的发展，麦克风阵列越来越重要 - 声音信号处理 - 会用到FFT的技术 ### 电磁（Electricity & Magnetism） #### 电流传感器（current sensor） - ACS712: Allegro的霍尔效应电流传感器，线性磁场 #### 电压传感器（voltage sensor） #### 霍尔效应（Halleffect）- 检测磁场，有的还能够检测到强度，自行车测速 - SS441: 霍尔效应磁阻传感器, -14-14mT, 矩形的, 表面贴装 #### 电子罗盘 （Electronic compass） - Compass-accelerometer：倾斜的时候也能够正确指引方向 - 推荐器件 - LSM303，STM的三轴磁力传感器+3轴加速度传感器 #### 霍尔开关（Hall switch）- 检测附近是否有磁场，用于检查轮子的转动，在GPS之前，常用于自行车的速度表 ### 身份 （Identity） #### 键盘（keypad） #### 指纹（fingerprint）- GT-511C3 #### RFID #### 人脸识别（Face recognation） ### 传感器输出（sensor output） #### 模拟 - 电压 - 电流 #### 数字 - [[SPI]] - [[I2C]] - 单线 - PWM ### 传感器相关的词汇 * 数字阻抗（digital resistance） * 模拟阻抗（analog resistance） * 脉冲长度（pulse length） * 串口（serial port） * [[I2C]] * [[SPI]] * bit-banging ### Wikipedia上的传感器列表 * [英文版Wikipedia上的传感器资源列表](https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_sensors) * [全球知名传感器公司列表](https://web.archive.org/web/20170707204959/http://robotic-material.com/Sensor-Manufacturers-Association.html) ### 设计实例参考 * [[ext_sensor|小脚丫FPGA的传感器扩展模块使用]]，该模块有如下资源： {{ ::模块划分11.png?600 |}} **传感器及点阵LED显示功能模块板载资源** * 环境光传感器BH1750FVI-TR * 温度传感器DS18B20Z * Flash闪存W25Q64FVSFIG * 陀螺仪MPU-6050 * 红外对管，比较器LM393DR * 16*8 LED阵列 实现的主要功能： * 利用陀螺仪MPU6050实现数字水平仪：在LED点阵上显示一个“小球”，当板卡为水平时，“小球”在板卡中心不动，当板卡倾斜时，小球向对应方向进行移动； * 利用温度传感器DS18B20Z采集环境温度显示在数码管或者LED点阵上，并实现低温/高温报警； * 利用环境光传感器BH1750HVI制作一个环境光强检测仪，并实现手机中自动调节屏幕亮度的功能； * 利用FLASH存储芯片W25Q64实现存储图片，并将图片在点阵上进行显示； * 利用红外对管完成距离检测，亦可实现“手势开关”等功能。 ### 参考文章 - 来自公众号“芯知汇”的[传感器的定义及分类](https://mp.weixin.qq.com/s/TFokkMNDoerJXIiPcl4D0w) - 来自公众号“芯知汇”的[智能传感器的定义、分类及通信接口](https://mp.weixin.qq.com/s/SWmB9WrFm36ymgvLAnt79A) - 来自清华大学卓晴老师的公众号“TsinghuaJoking”的[TOF距离传感器](https://mp.weixin.qq.com/s/eVBiy_nHZL3fo3dxKPNCMA)