传感器制作 关于传感器，身为电气人你了解多少呢？

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谈到传感器，相信大家都不陌生，那么关于传感器，你究竟了解多少呢？

传感器就像是设备的“五官”，是人与机器交流的必备器件，为什么这么说呢？人的五官就是天然的传感器、具有视、听、嗅、味、触觉，我们人的大脑就是通过五官来感知外接的信息的。而传感器就像是一种生物器官，能够探测或感受外接的信号（如光、热、湿度、烟雾等），并将探知的信息传递给其他器官或装置。

传感器是一种检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成，能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。传感器能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。不同种类的传感器作用不同，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。

传感器的种类很多，为了更好的区分，下面就对传感器做一个分类：

1、按用途分类

压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器。

2、按输出信号分类

模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。

开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

常见的传感器包括接近开关传感器、光电开关传感器、称重传感器、热电阻传感器、霍尔传感器、温度传感器、光敏传感器、激光传感器、位移传感器、光栅传感器、压力传感器、红外传感器 等。下面小编就介绍一下最常用的接近开关、光电开关传感器和压力传感器。

接近开关传感器： 当开关接近某一物体时，即发出控制信号，接近开关又称为无触点行程开关，除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型监测装置，用作检测零件尺寸和测速等。

光电开关传感器： 把输入的电流在发射器上转为光信号发出，接收管根据接收到的光的强弱和数量对目标物体进行检测。简单来说是利用被检测物对光束的遮挡或反射，从而检测物体有无，物体不限于金属，所有能反射光纤的物体均可被检测。

那么接近开关和光电开关有何区别呢？

1、检测物体的方式不同：光电开关的发射管发出经调制的光，接收管来检测是否接收到这种光来判断是否有物体；而接近开关是靠其头部的检测头的感应来判断物体的存在。

2、当检测开关不便于靠近检测物体时或靠近被检测物体易被损坏时、空间受限时、被测物体较小时，可使用光电开关，它不分金属和非金属。当检测开关便于接近被测物体且不易被损坏时，检测金属物体使用电感式接近开关，检测非金属物体使用电容式接近开关。

3、接近开关只能对金属有感应，对塑料或其他材料不能感应，一般距离较短，而光电开关是可以感应所有材料的，但是它对感应物体对反馈光线能力的大小有关系，如白色的感应物体距离远，黑色的距离近。

当然接近开关和光电开关还是有相同的地方的，通常根据输出电路的形式，接近开关和光电开关都可以分为NPN型和PNP型，下面再顺便介绍一下NPN和PNP的区别。NPN和PNP型传感器原理就是利用三极管的饱和和截止，输出两种状态，属于开关型传感器，但输出信号是截然相反的，即高电平和低电平。PNP与NPN型传感器一般有三条引出线，即电源线Vcc、0V线，out信号输出线。

NPN传感器： 当有信号触发时，信号输出线out和0V线连接，相当于输出低电平，0V。对于NPN-NO型，在没有信号触发时，输出线是悬空的，就是0v线和out线断开。

PNP传感器： 当有信号触发时，信号输出线out和电源线Vcc连接，相当于输出高电平，Vcc。对于PNP-NO型，在没有信号触发时，输出线是悬空的，就是VCC电源线和out线断开。

一般常见的传感器是三线的，也有直流二线、交流二线、四线、甚至五线的传感器 ，其接线原理图如下图所示。

前面说的接近开关和光电开关都是属于开关传感器，再来看看模拟传感器，比较典型的就是压力传感器了。压力传感器是能感受压力信号，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期间或装置，一般普通压力传感器的输出为模拟量信号，或在一端连续的时间间隔内，输出为数字信号。

压力传感器是工业控制、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，它的种类繁多，有压阻式、电感式、电容式、电阻应变片式、半导体应变片式、谐振式等，通常使用的压阻式压力传感器主要是利用压电效应制造而成的。

压力传感器一般有两线制、三线制、四线制，压力传感器两线制比较简单，一根线连接电源正极，另一个线也就是信号线经过仪表连接到电源负极，这种是最简单的，压力传感器三线制是在两线制基础上加了一个线，这根线直接连接到电源的负极。四线制压力传感器是两个电源输入端，另外两个是信号输出端，一般四线制的多半是电压输出而不是4~20mA输出，4~20mA的叫压力变送器，多数做成两线制的。压力传感器的二线制和三线制接线如下图所示。

以上小编对常用传感器的功能、作用、原理、接线做了详细的介绍，传感器在工业控制中是经常用的一种元器件，小伙伴记得收藏备用哦~

来源：技成培训网，作者：蔡慧荥，未经授权不得转载！

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为了“省钱”，做传感器竟然可以用落叶烧、用铅笔画

无论是日常生活，还是工业系统，都离不开传感器。比如，陀螺仪能帮助手机感知方向和倾斜角度，自动驾驶技术依靠激光雷达、摄像头和超声波传感器作为“眼睛”和“耳朵”。更有甚者，美国斯坦福大学Seung-min Park将摄像头和电化学传感器装在马桶上，拍摄臀部照片，并检测尿液或粪便中葡萄糖、红细胞等标志物的含量，上个厕所连带诊断多种疾病。这款“智能”马桶在结肠癌等癌症的早期发现上表现卓越，赢得2023年的搞笑诺贝尔奖之一，也被戏称为“斯坦福马桶” [1]。

Seung-min Park博士和他的智能马桶，背景《思想者》。图片来源：Science NEWS [1]

关于传感器的论文层出不穷，但今天我们来聊聊科学家为了“省钱”，用树叶、纸这些“便宜货”做传感器的趣闻。之所以选择这个话题，源自近日巴西圣卡洛斯联邦大学Bruno Campos Janegitz 课题组在ACS Sustainable Chemistry & Engineering 杂志上发表的论文，他们利用CO2激光热解技术，将落叶表面碳化，制成了一种“落叶传感器”，能够检测生物或药物样品中的多巴胺和扑热息痛的含量。

“落叶传感器”的制造工艺示意图。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. [2]

研究者采集了一种中南美洲牛油果树（Persea americana Mill）的落叶，这是一种来源广泛、成本低廉且环境友好的材料。“落叶传感器”对多巴胺和扑热息痛的线性检测范围分别为10~1200 μmol•L–1和5.0~100.0 μmol•L–1，检测限分别为1.1和0.76 μmol•L–1。“将落叶焚烧，或让其成为堆肥，不如把它们用作高附加值的基材，制造电化学传感器”，Janegitz教授说 [3]。不过，叶子风干后会变得特别脆，不知道对测试有没有影响，把这样一个传感器放在口袋里，用的时候会不会已经碎成渣渣了呢……

“落叶传感器”及多巴胺和扑热息痛的电化学检测。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. [2]

事实上，在叶子上制作传感器的文章也不少，不过大多数都是用来检测植物本身的信号，比如水、活性氧、葡萄糖、植物激素和矿物质离子等。这类传感器主要用于原位实时监测农业生产过程中植物的生长状态，以及它们是否受到自然（如干旱、高温等）或生物（如害虫或微生物）的威胁。

可穿戴电化学传感器用于植物健康监测。图片来源：Trends Plant Sci. [4]

通常，这类研究依赖于可穿戴电化学传感器，但在提高选择性和稳定性、监测植物中的小分子、环境条件以及植物与环境的相互作用方面，以及如何减少传感器对植物的损害或对植物生理（如光合作用）的影响等方面，还有很多改进空间。

检测大豆叶片失水量的可穿戴传感器。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces [5]

聊完树叶传感器，再来说说如何用纸张制作传感器。说到这，方法可就多了，毕竟，各种检测试纸都可以算作化学传感器。与塑料和玻璃等材质相比，纸张成本低、一次性使用、丰富且易于运输。不过，过去十几年，人们的关注重点从基本设计转向了图案化技术，以获得更准确和定量的结果。制备方法也是五花八门，除了刚刚提到的激光技术，还有3D打印、丝网印刷、喷墨打印，甚至直接用铅笔画 [6-9]。

纸基电化学测试器件。图片来源：Nat. Protoc. [6]

是的，你没看错，直接用铅笔画个传感器，就可以发论文，还不只一篇呢。早在2011年，就有研究者用铅笔绘制了锂-空气电池的电极 [10]，反正，铅笔芯的主要成分是石墨，通过在纸上摩擦留下连续的痕迹。

铅笔绘制锂-空气电池的电极。图片来源：Energy Environ. Sci. [10]

不少研究者也紧随其后，用铅笔画出各种图案作为电极。比如，直接在纸上画个叉指电极，再利用水分子与纸（主要成分，纤维素）的相互作用，就可以用于湿度传感器 [7]。

铅笔绘制电容式传感器。图片来源：Electroanalysis [7]

还是Bruno Campos Janegitz课题组，用铅笔在纸片上画出的三电极系统，用于检测儿茶酚（又称邻苯二酚）的浓度 [8]。不过，整个过程纯手工制作，每个人写字、画画时力量不同，不知道这些传感器的可重复性如何。

铅笔绘制电极示意图及实物大小。图片来源：[8]

落叶、纸张和铅笔，这些廉价且易得的原材料，为快速、轻松地开发一次性电化学传感器提供了无限可能。而且，它们还具有柔性和可穿戴等优点，为预算有限的实验室提供了一条有趣的研究途径，也可以为欠发达地区人民的生活带来更多便利。

制造低成本电化学传感器的不同方法。图片来源：Curr. Opin. Electrochem. [9]

参考文献：

[1] Science NEWS: Ig Nobel Prizes honor zombie spiders, rock-licking scientists, and a clever commode

https://www.science.org/content/article/ig-nobel-prizes-honor-zombie-spiders-rock-licking-scientists-and-clever-commode?utm_medium=ownedSocial&utm_source=Twitter&utm_campaign=NewsfromScience

[2] R. V. Blasques, et al., Green Fabrication and Analytical Application of Disposable Carbon Electrodes Made from Fallen Tree Leaves Using a CO2 Laser. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024 , 12, 3061–3072. DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c06526

[3] Laser printing on fallen tree leaves produces sensors for medical and laboratory use

https://agencia.fapesp.br/laser-printing-on-fallen-tree-leaves-produces-sensors-for-medical-and-laboratory-use/51593

[4] S. Zhou, et al., Wearable electrochemical sensors for plant small-molecule detection. Trends Plant Sci. 2024 , 29, 219-231. DOI: 10.1016/j.tplants.2023.11.013

[5] J. A. Barbosa, et al., Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves toward the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022 , 14, 20, 22989–23001. DOI: 10.1021/acsami.2c02943

[6] S. Cinti, et al., Preparation of paper-based devices for reagentless electrochemical (bio)sensor strips. Nat. Protoc. 2019 , 14, 2437–2451. DOI: 10.1038/s41596-019-0186-y

[7] S. Kanaparthi, Pencil-drawn Paper-based Non-invasive and Wearable Capacitive Respiration Sensor. Electroanalysis 2017 , 29, 2680-2684. DOI: 10.1002/elan.201700438

[8] L. O. Orzari, et al., Disposable electrode obtained by pencil drawing on corrugated fiberboard substrate. Sensors Actuat. B-Chem. 2018 , 264, 20-26. DOI: 10.1016/j.snb.2018.02.162

[9] J. S. Stefano, et al., Different approaches for fabrication of low-cost electrochemical sensors. Curr. Opin. Electrochem. 2022 , 32, 100893. DOI: 10.1016/j.coelec.2021.100893

[10] Y. Wang & H. Zhou, To draw an air electrode of a Li–air battery by pencil. Energy Environ. Sci. 2011 , 4, 1704-1707. DOI: 10.1039/C0EE00759E

（本文由小希 供稿）

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