传感器这个名词并不陌生，不少初学者对传感器很感兴趣，但看一些传感器的文章觉得一些参数，如灵敏度、非线性、零输出、漂移、重复性等术语的意义不太清楚，其工作原理及结构也介绍不详细，使初学者在了解传感器上有一些困难，有些神秘感。这里试图用一些常用的传感器作为实例来说明它的工作原理，并结合实例来介绍一些基本参数及一些术语。只要有一些物理及化学的基本知识，对一般的传感器还是可以搞懂的。
传感器到处可见
传感器是一种器件或装置，它能将被测量的参数变化转换成相应的电量变化输出。常见的电量有电阻值、电容值、电压、电流、频率、脉冲宽度等。例如，硅二极管温度传感器在温度变化时，其正向电压V\(_{F}\)作相应变化，即温度变化转换成相应的电压变化；光敏电阻在光线明暗变化时，它的电阻值随之变化等等。
电阻、MOSFET、线性电位器是电子爱好者熟悉的元器件，如果说它们也可用作传感器，可能认为有点“神”了。当你看完它们如何用作传感器时，你会觉得“不神”了，并且是那么简单。
1.用电阻及MOSFET作电流传感器
在充电器电路中，需要检测充电电流的大小，以防止过大的充电电流造成电池的损害；在电源系统中，要限制最大输出电流以防止输出过大电流（或短路）而损坏电源，也要检测电流。最简单的电流传感器就是小阻值电阻器。利用电流流过电阻时产生的压降V\(_{R}\)=I\(_{L}\)×R的原理，将被测的电流变化转换成电压的变化。这种电阻是电流传感器，但一般称为检测电阻或限流电阻。为了减小在电阻上的损耗，它的阻值仅为几mΩ到几百mΩ，并且要求较高的精度及较小的温度系数。
这里再介绍用MOSFET作电流传感器，这有点新鲜，其电路如图1所示。其原理是N沟道MOSFET导通时要在栅极G与源极S之间加一个正电压V\(_{GS}\)，并且MOSFET的导通电阻R\(_{DS（ON）}\)与V\(_{GS}\)有关：V\(_{GS}\)越大，则R\(_{DS（ON）}\)越小；当V\(_{GS}\)大到一定程度后，在一定电流范围内，R\(_{DS（ON）}\)是一个定值，与流过MOSFET的电流I\(_{D}\)无关。图2是Si6426DQ漏极电流I\(_{D}\)与导通电阻R\(_{DS（ON）}\)的关系曲线：在V\(_{GS}\)=2.5V时，R\(_{DS（ON）}\)随I\(_{D}\)增加而增加；在V\(_{GS}\)=4.5V时，R\(_{DS（ON）}\)减小了（<0.03Ω），并且I\(_{D}\)在0～12A范围内R\(_{DS（ON）}\)几乎是不随I\(_{D}\)而变化。
因此，在这种情况下，只要V\(_{GS}\)=4.5V不变，R\(_{DS（ON）}\)是个常数，在MOSFET的D、S两极间的电压V\(_{DS}\)=I\(_{D}\)×R\(_{DS（ON）}\)，即测出V\(_{DS}\)来就可以知道I\(_{D}\)的大小（I\(_{D}\)就是负载电流）。
图3是一种过流自动切断的电路。这里MOSFET在电路中起两个作用：它用作电流传感器，并且用作过流自动切断的开关。电路由双输入与非门、4.5V稳压二极管、N沟道MOSFET（型号为Si6426DQ）、比较器及可调整电压的基准电压源V\(_{REF}\)组成，R\(_{L}\)为负载。Si6426DQ的I\(_{D}\)在V\(_{GS}\)=4.5V时连续电流可达5.4A（脉冲电流可达36A），因此，此电路可限制最大电流为4A。
从图2中已知R\(_{DS（ON）}\)在V\(_{GS}\)=4.5时约为0.025Ω，这是某一个的特性曲线，其典型值（在V\(_{GS}\)=4.5V时）为0.035Ω（这值需实测才精确，因为不同的管子，R\(_{DS（ON）}\)不同，有一定的离散性）。若IL最大值为4A，则V\(_{DS}\)=4A×0.035Ω=0.14V。VREF可调整到0.14V。当负载电流IL小于4A时，比较器同相端的电压小于反相端电压，比较器输出低电平，与非门输出为高电平，加在MOSFET的V\(_{GS}\)=4.5V，MOSFET正常工作；当IL一旦大于设定的4A时，V\(_{GS}\)>0.14V，比较器输出高电平，与非门输出低电平，V\(_{GS}\)=0V，MOSFET截止（开关断开），电流被切断。由于比较器同相端接R\(_{L}\)后接12V，所以比较器输出保持高电平，MOSFET保持断开，LED亮表示过流了。只有关断电源、排除故障后，才能恢复正常工作。
如果要限制电流（小于4A），只要相应地调整V\(_{REF}\)即可。
这里的比较器（或用运放接成）要求输入电压可达电源电压的品种。
2.用线性电位器作旋转角度及位移传感器
线性电位器有旋转型及直线型，则前者可用作旋转角传感器，而后者可用作直线位移传感器。其工作原理如图4所示。旋转角度的大小与输出电压成比例（或位移的大小与输出电压成正比），其特性如图5所示。理想的特性如虚线所示，由于机械上安装有误差，就有可能在没有旋转时已有一定的输出电压（称为零输出电压），也可能有一些盲区（旋转一定的角度内，无电压输出）。
当然作为传感器的电位器要求比一般电位器要求高得多；其电阻膜的工作寿命超过10亿次，旋转角可达330°±5°（直线距离从30.5mm到156mm），其价格比一般电位器高得多，但其原理则完全是相同的。
例如，遥控一个电动阀门（它由电动机经减速器来转动阀门），在阀门的轴上装齿轮来带动电位器式传感器，则可以在很远的控制室内，看到阀门开启的角度，如图6、图7所示。
你也能设计传感器
从上述介绍的传感器确实是十分简单。这里提出一个问题：你是否能设计一个烟雾报警传感器（火灾报警传感器），可能不少初学者会觉得太难了，但了解它的工作原理后，你可能会认为“原来如此”。
烟雾报警传感由大家熟悉的红外发光二极管及光电二极管（或光电三极管）组成，如图8所示。红外发光二极管与光电二极管，以一个α角安装在一个平面内，其光轴不在一条线上，所以光电二极管不能接收到红外光线。在发生火灾时，会产生大量烟雾，当烟雾（颗粒）进入传感器时，红外线经烟雾颗粒折射，则光电二极管接收到红外线，当烟雾达到一定浓度时，光电二极管输出的信号，通过电路后输出报警信号（如图9所示）。
用同样的一个红外发光二极管及一个光电二极管（或光电三极管）还可以组成浊度传感器（洗衣机、洗碗机中用）及液位传感器（检测液位高度，防止溢出）。你是否根据红外线发射及接收的工作原理，自己来设计一个呢（原理图就行），相信你也能成为传感器的设计者，传感器并不神秘。
如果你暂时“设计”不了，没关系，看了下一期的介绍你就会了。
（时 尚）