IT Lab艾鍗學院技術Blog: 關於感測電路應用設計

感應元件

感應元件通常是利用半導體材料特性，對自然界的物理訊號 , 如光、聲音、壓力、溫度轉換成電氣訊號，而電氣訊號可能是電流、電阻、電壓的訊號。

感測元件例如硫化鎘（CdS）或光敏電阻器（LDR），其阻抗隨光落在它表面的總量而有不同; 焦電式紅外線感知器為因為吸收紅外線而產生AC電壓變化。能將位移、壓力、速度等機械量轉換成為電子訊號的元件稱為機電轉換器（electromechanical transducer),如陀螺儀（Gyroscope）與加速度計（Accelerometer）、E-compass 電子邏盤。透過光的入射與感測材料相互作用來進行工作稱為光感測器。量測人體訊號的稱為生醫感測器。

微機電(MEMS)技術的快速發展，使得感測器的尺寸與功耗持續縮小，並讓各式各樣的感測器廣泛的應用在日常生活。

感應元件的特性:

轉換後的電氣訊號都是很微弱的, 如電壓只會有mV (毫伏)
輸出的電氣訊號含有一定的雜訊

感測電路應用設計即利用感測器所進行的電路設計

感測電路設計即利用感測元件的電氣訊號變化來設計"適當"的電路，以輸出如電壓、頻率、派衝等訊號，並滿足訊息傳輸、處理、記錄、顯示、控制的要求。其中, 由於感應元件通常產生的電氣訊號(不論是電壓或電流)都很微小，所以大多數感測電路都會用到OP Amp, 將訊號加以放大。

不論感應元件是屬電流、電壓或電阻的元件,最終經由我們所設計的感測電路都必須是電壓輸出，因為MCU/ SoC 嵌入式系統的輸入端都是看電壓 (為何只看電壓, 而不看電流或電阻, 理由何在?? )。MCU會針對電壓的類比訊號，經由ADC元件轉成數值，即可進行後續運算/演算法處理。

感測電路設計的一個例子:

目標:設計一個能自動點灯的照明設備

功能需求:

可以調整感應距離 (即靈敏度)
每次觸發的延時時間
感應距離最遠 7 公尺
範圍可達 110 度角
偵測到有人活動時，輸出電壓值 3.3V~5V; 否則輸出 0V

工程師要開始思考, 如何做到這些功能?

1) 有什麼樣的感測器是可以偵測到人?

PIR (Passive Infrared Sensor )紅外線人體感測器，它主要的感測方法為利用溫度之變化，來感應人之移動。PIR內部焦電元件是強導電體。紅外線照射到強導電體元件上，元件會吸收紅外線產生熱及溫度變化。因溫升會使元件表面產生電荷 (此為焦電效應)，後續再經電路進行感測處理後就能產生On/Off信號。

在自然界，任何高於絕對溫度（-273℃）時物體都將產生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關的。人體體溫約在 37 度，所以會發出特定波長 10 微米左右的紅外線。