陕西省计量科学研究院 陈怡伶

传感器在我们的日常生活中几乎随处可见，现代化的电子产品中都需要布置大量的传感器来实现某些功能，有很多高精度的电子测量设备都是基于电磁测量技术来实现测量的，本文首先分析了电磁测量的基本工作原理以及采用电磁测量的传感器种类，在此基础上介绍两种基于电磁测量的传感器具体应用，分别是远程压力传感器和智能手机，使研究人员更加深入地了解电磁测量技术，具有一定的研究价值和参考意义。

传感器测量技术从问世之日起就得到广泛关注，对于采用传统方式无法顺利测量的物理量都借助传感器得到了很好地解决，并由此推动了相关研究领域的发展，在通常情况下测量仪器都是将非电学物理量转换成电学物理量再通过集成电路将测量数据显示出来。而磁场和电磁感应等概念是与电学物理量紧密相连的，所以电磁测量仪器的研发是科技发展的必然结果。电磁测量在传感器测量领域具有独特的优势，首先电磁信号是一种连续性信号，可以用于物理量的连续性测量。而且采用电磁测量的设备一般具有较高的灵敏度和精确性，这也保证了在连续测量过程中测量的准确性；其次电磁测量设备可以与被测物体保持一定距离，这样也防止了由于测量设备本身给测量结果带来的误差。电磁测量设备在电离辐射、热力学、光学等领域都有非常广泛的研究，将非电学物理量转换成电学物理量进行测量是现代测量技术中非常普遍并且实用的测量方法。

1 电磁测量和传感器简介

1.1 电磁测量工作原理

将温度、速度、光照强度、压力等非电学物理量通过某些方法转变成电流、电压、电阻等电学物理量进行测量是现代测量技术的总体发展趋势，这不仅极大降低了各种物理量的测量难度，而且有力促进了微电子技术的进一步发展。例如对于温度测量，采用原始的水银温度计或者煤油温度计，测量效率极低的同时温度测量范围也非常狭窄，在新型冠状病毒流行期间，额温测量仪就发挥了重大作用，只需要接近人体额头就可以快速测量人体体温，这种测量方式对人体无接触而且测量速度极快，适宜大范围人体温度测量。

在传感器测量方面通常是将物理量转换成电信号，而电场、磁场以及电磁感应是不可分割的整体，所以在传感器的测量研究中不可避免地会考虑电和磁相关物理量的转换，在电磁测量中需要测量的物理量主要有磁通量、磁感应强度、电流、电压、电感、电阻等等，利用电磁感应原理制造的测量仪器主要有电流表、电压表、电阻箱、电位差剂、电桥等等。

为了更好地阐述电磁测量在传感器测量中的应用，这里举例利用电磁感应测量电压的两种实验方法，液体静电计是复现电压单位的一种试验方法，在导电性能较好的液体例如纯汞的上方水平放置一个电极，电极外接电源而液体接地，电极所流过的电流会产生静电引力从而使导电液体的液面高度升高一段距离，再通过公式计算测量电压。或者采用另一种方法，借助尺寸测量工具直接测量液面上升的高度以及上升的液面与电极之间的距离，再计算测量电压。虽然试验方法非常简单，但是实验结果产生的误差大约在10-7量级，具有较高的精确度。电压天平同样可以用于测量电压，在天平的一端是可以增减砝码的托盘，另一端是两个极板，上极板是和天平连接的可动电极，下极板是外接高电压的固定电极，在极板之间存在均匀分布的静电场。已知的物理量有极板的面积、两极板之间的距离以及空气介电常数通过这些物理量就可以求出测量电压了。采用这种测量方法会产生一定的误差主要来自于两方面。首先是两极板间产生的静电引力过小，现有方法无法准确测量，其次是可动电极会产生一定量的摆动进而造成一定的误差。

1.2 传感器种类

伴随着微电子技术的发展，传感器的种类和应用范围已经越来越广，在工业机械、汽车制造业、家用电器等领域都得到了广泛应用。现在传感器的发展困境在于低精度的传感器价格低廉且没有很高的技术含量，而高精度的传感器由于生产技术限制价格高昂并且无法大批量生产。现在几乎所有的电子器件内部都安装有传感器，传感器的作用也不仅限于物理量的测量，还可以作为自动化控制系统中的反馈元件。传感器大多由具有与某些物理量线性相关的半导体制造而成，例如光敏电阻、热敏电阻、力敏电阻、磁敏电阻等等，这些电阻一般与非电物理量呈负相关关系，光敏电阻在接收光照时其电阻值会快速下降，热敏电阻同样具有相同的电阻变化特性。

在我们日常生活中声控开关以及烟雾报警器都是应用传感器的典型例子，在声控开关中安装有光敏电阻和三极管，在白天期间光敏电阻的阻值极小可以使三极管截断，电路出于断开状态，在夜晚期间光敏电阻阻值急剧升高三极管导通，当接收到声音信号时三极管会将声音信号放大，进而接通电路。光电式烟雾报警器也是采用的光敏电阻作为传感器件，但是实际的工作过程和声控开关不同，烟雾报警器会向外发射红外光，当出现烟雾时由于烟雾的反射效应让烟雾报警器接收到红外光进而触发报警系统。

2 具体应用

2.1 远程压力传感器

远程压力传感器是基于电磁测量技术测量物理量的最典型范例，可以通过传感器将压力转换成电信号，再借助相关测量电路将测量数值显示出来。而且还能远程控制电信号来间接控制压力执行机构，达到改变施加压力载荷的目的。

远程压力测量仪主要由五个部分组成，分别是受力机构、压力传感器、信号转换元件、集成电路、数字显示屏，其中压力传感器要求可以进行温度补偿工作性能稳定，压力传感器将接收的压力数值传递到信号转换元件变成电信号，集成电路再将电信号进行放大处理，压力数值就在数字显示屏上显示出来了。在使用压力测量仪之前需要检查设备是否校准调零，将电流表和压力计接入设备的集成电路中，在没有任何外在负载的情况下，电流表读数为4mA，压力计读数为4KPa，如果读数出现较大的偏差就需要FS电位器进行零点校正，如果偏差较小则可以采用ZO电位器进行校正，将标准的电流信号输入集成电路，电流波动范围在4-20mA。在完成零点校正之后还需要进行校准测量，如果压力计达到集成电路的最大压力，电流表显示读数为20mA，则说明零点校准是成功的。

2.2 智能手机

实际上智能手机的发展时间极短只有十多年的时间，但是发展速度是非常快的，智能手机的发展速度在很大程度上依赖于传感器的发展速度，这里主要介绍应用于智能手机的几种较为重要的传感器，它们分别是光线传感器、红外传感器、采用压电效应或者电磁效应的方向传感器、指纹传感器、霍尔传感器等等。

光线传感器的主要测量元件是光敏三极管，光敏元件具有优良的电阻线性变化率，光敏三极管将接收到的光信号放大，再将信号传递给控制器，控制器自动调节手机屏幕亮度；红外传感器的主要测量元件是一个红外线发射器，这个设备主要安装在手机摄像头内部，当摄像头面对某件物体时红外线发射器发射红外光并在物体上反弹回来，由此测量与物体之间的距离并使摄像头自动调节焦距；方向传感器的主要测量元件是具有正交效应的压电片或者磁致电阻，方向传感器的主要作用是测量手机屏幕的当前位置，并根据当前位置自动调整手机屏幕位置，压电片的工作原理是与水平方向正交就会产生微弱电压从而确定当前位置，当调转手机方向时电压就会消失。磁致电阻的工作原理和压电片类似但是比压电片要更加灵敏，在手机保持某一方向时电阻会产生感应磁场，当手机方向发生变化电阻阻值也会发生变化，通过测量电阻两端的电压就可以确定手机当前的方向；现有的智能手机指纹传感器都是采用的电容识别进行工作的，手机内屏设置有电晶片阵列作为电容的一极，人的手指就是电容的另一极，当人的手指接触手机屏幕时就会产生微弱电流，而人的手指表面是凹凸不平的，手指的每个位置产生的电流有所差别就可以将指纹识别出来；手机中的霍尔传感器是采用电磁测量技术进行相关物理量测量的，霍尔元件也是应用范围非常广泛的传感器，在霍尔磁场中有电流经过就会产生垂直电子方向的力，从而产生电势差。

综合传感器在智能手机中的应用可以看出，对于很多无法直接测量的物理量可以借助传感器转换成电流、电压、磁通量等可以在集成电路中测量的物理量，这不仅极大优化了智能手机的使用体验，而且也有力证明了传感器在现代科技领域应用的广泛性以及重要性。

结论：传感器除了在物理量测量领域发挥着重要的作用，在自动化控制、机械制造领域也发挥着至关重要的作用，例如在现代商用汽车中就运用了大量的传感器来优化汽车的燃油经济性以及驾驶舒适度，还有现在非常火热的无人驾驶技术也需要依赖大量精密度较高的传感器，但是精度和灵敏度较高的传感器造价高昂并且工作性能不稳定，但是随着科学技术的不断发展相信未来高精度的传感器价格只会越来越低，就像光敏电阻一样在制造之初的价格高达上万美元，但是经过几十年的发展高精度的光敏电阻也只要几元人民币，这是微电子技术发展的必然趋势。