自动检测与传感器技术 传感器的分类原理与检测方法

传感器的分类原理与检测方法

传感器（transducer/sensor）是一种能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾）的装置或器件。它是实现自动检测和自动控制的基础。

传感器根据工作原理可分为物理传感器和化学传感器两大类。其中，物理传感器应用的是物理原理，诸如压电效应、磁致伸缩现象以及热电、光电、磁电、离化、极化等原理。化学传感器应用的是化学吸附、电化学反应原理，被测信号量的微小变化会被转换成电信号。目前，大多数传感器是以物理原理为基础运作的。随着技术的发展和成本的降低，化学传感器将会得到更广泛的应用。2．按用途分类

传感器按用途可分为压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、湿敏传感器、热敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。目前，常见的是热敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、速度传感器等。

3．按构成材料分类

传感器按构成材料的类别可分为金属传感器、聚合物传感器、陶瓷传感器、混合物传感器，按材料的物理性质传感器可分为导体传感器、绝缘体传感器、半导体传感器、磁性材料传感器，按材料的晶体结构传感器分为单晶传感器、多晶传感器、非晶材料传感器。

4．按制造工艺分类

传感器按制造工艺可分为集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。常见的传感器是集成传感器、陶瓷传感器和厚膜传感器。

二、传感器的特性

1．传感器的静态特性

传感器的静态特性是指传感器输入静态信号后，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。传感器静态特性主要包括线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等参数。

（1）灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下，输出量变化Δy 对输入量变化Δx 的比值。它是输入—输出特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度是一个常数；否则，它将随输入量的变化而变化。

（2）分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。

2．传感器的动态特性

所谓动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

三、气体传感器的识别与检测

气体传感器除了应用在抽油烟机内，实现厨房油烟的自动检测外，还广泛应用在矿山、石油、机械、化工等领域，实现火灾、爆炸、空气污染等事故的检测、报警和控制。常见的气体传感器的实物外形如下图所示。

1．气体传感器的构成和工作原理

气体传感器由气敏电阻、不锈钢网罩（过滤器）、螺旋状加热器、塑料底座和引脚构成，如下图（a）所示。气体传感器的电路符号如图（b）所示。其中，A—a 两个脚内部短接，是气敏电阻的一个引出端；B—b 两个脚内部短接，是气敏电阻的另一个引出端；H—h两个脚是加热器供电端。

提示： 许多资料将 H、h 脚标注为 F、f。

当加热器得到供电后，开始为气敏电阻加热，使它的阻值急剧下降，随后进入稳定状态。进入稳定状态后，气敏电阻的阻值会随着被检测气体的吸附值而发生变化。N 型气敏电阻的阻值随气体浓度的增大而减小，P 型气敏电阻的阻值随气体浓度的增大而增大。

2．气体传感器的检测

（1）加热器的检测

用万用表的“R×1”或“R×10”挡测量气体传感器加热器两个引脚间的阻值，若阻值为无穷大，说明加热器开路。

（2）气敏电阻的检测

如图 3-68 所示，检测气敏电阻时最好采用两块万用表。

其中，一块置于“500mA”电流挡后，将两个表笔串接在加热器的供电回路中；另一块万用表置于“10V”直流电压挡，黑表笔接地，红表笔接在气体传感器的输出端上。为气体传感器供电后，电压表的表针会反向偏转，几秒后返回到0的位置，然后逐渐上升到一个稳定值，电流表指示的电流在150mA内，说明气敏电阻已完成预热。此时吸一口香烟对准气体传感器的网罩吐出，电压表的数值应该发生变化；否则，说明网罩或气体传感器异常。检查网罩正常后，就可确认气体传感器内部的气敏电阻异常。

提示： 采用一块万用表测量气体传感器时，将吸入口内的香烟对准气体传感器的网罩吐出后，若气体传感器的输出端电压有变化，则说明它正常。

四、热电偶传感器的识别与检测

热电偶是一种特殊的传感器，它能够将热信号转换为电信号，并且有一定的带载能力。

1．热电偶传感器的识别

热电偶传感器是将A、B 两种成分且热电性能不同的材料一端焊接在一起，另一端与放大器等电路相接，常见的热电偶传感器实物外形如下图所示。

热电偶传感器的焊接端称为检测端或热端。该端安装在被检测温度的部位，设其温度为t 1；未焊接端称为自由端或冷端，设其温度为t 2。当t 1>t 2 时，回路中就会产生热电动势。该电动势经放大后控制执行部件，便可实现对被控制器件的温度控制。

2．热电偶传感器的检测

用万用表的二极管挡测量热电偶两个引脚间的阻值，阻值应为 0 且蜂鸣器鸣叫，否则说明它异常。

浅谈传感器与检测技术的学习心得

通过学习，我们了解到传感器对于信息技术十分关键，在生活各个方面占有着不可或缺的地位，能够测量不同的物理量（如力、速度，气体、液体、温度等），也就是说传感器在生活中应用极其广泛，通过对传感器的学习，让我了解到了传感器的基本知识以及应用。

通过传感器这门课程，让我知道了什么是传感器，它能够用来干什么，以及它的基本原理和构成。传感器，顾名思义就是通过感测被测量，将被测量转换成可以用的输出信号的器件。其中传感器主要由三大部分组成，一般是敏感元件、转换元件、转换电路构成，当然转换电路和转换元件需要辅助电源时，也可将辅助电源当作组成部分之一。

一、传感器的基本概念

（一）基本特性

通过学习，我们能够知道敏感元件一般能够感测非电量，转换元件则将非电量转换成电参量，而转换电路则是将电参量转换成电量后输出，其基本特性可以分为两类，一类静态特性，另一类动态特性。其中静态有八大参数，而动态则有两种表示方法。

静态特性指在稳态工作时，输出增量与被测量的比值，主要有灵敏度、分辨力、线性度、稳定性、迟滞、重复性、电磁兼容性、可靠性等，其中给我印象最深的便是电磁兼容性，用老师的话来讲，便是不干扰别人也不被别人干扰的能力。

而动态特性常用阶跃响应和频率响应来表示，主要参数有时间常数、上升时间、响应时间、超调量、振动次数及稳态误差等，两者主要是传感器输出特性不同。

（二）测量电路

通常将对输出信号进行加工处理的电子电路称为传感器的测量电路，具有微弱、易衰减、非线性及易受干扰等特点。能够将弱信号放大、滤波、校正传感器的非线性等等。根据其作用常见的电路便有电桥电路、谐振电路、调频电路等。基本类型便是模拟电路、开关型电路、数字式测量电路。

其中我觉得最为重要的便是噪声及抗干扰技术，噪声是与被测量无关的随机信号，会造成测量的误差，通过噪声组成要素：噪声源、通道、接受电路来针对性的进行消除或衰减。

主要便是静电屏蔽、磁屏蔽、接地、浮置、光电耦合、滤波技术。给我印象最深的便是接地，接地的目的不外乎提供安全和基准电压，当然在其他方面也会用到接地保护，比如防止漏电等情况。

二、常见的传感器类型及基本原理

（一）电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理主要是将被测信号的变化转换成电阻值的变化，能够进行位移、形变、力矩、加速度等物理量的测量。电阻应变片就是基于导体或半导体在外力作用下产生机械形变，其电阻值发生变化的现象所制成。

而金属应变片主要由敏感栅、基片、覆盖层和引线组成，其中最为重要的便是敏感栅，当然除了金属类的应变片，还有半导体的应变片，其作用原理基本相同。除了工作原理的学习，我们还学到了几个名词，如蠕变和零漂，蠕变是在施加恒定应变温度一定时，指示值随时间变化的变化量，而零漂则是在无机械应变时的变化量。至于应变片的制作工艺流程，用老师的话来说就像是贴手机膜，先表面处理、定位、粘贴、固化处理、引出线的固定与保护、粘贴质量检测等。当然气敏、湿敏、热电阻、热敏电阻传感器的作用原理基本相同，都是将被测量变化，转变成电阻值等电量变化。

（二）电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量转换成电容量变化的传感器件，根据C=εA/d的公式，设计了变面积型、变极距型、变介电常数型三种电容式传感器。其中在变极距型中差分式传感器灵敏度比非差分式提高一倍，线性误差也大大降低。

（三）电感式传感器

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化来实现信号测量的。由此自感式传感器可分为变间隙式、变截面积式和螺线管式三种，三者组成最大不同便是螺线管式没有铁芯，其余组成则相同。

其中差分式传感器工作原理同变压器，由两个或多个带铁芯的电感线圈组成，一、二次绕组之间的耦合，随衔铁或两个绕组之间的相对位移而改变，也就是说被测件的微小位移使衔铁在差分线圈中移动，线圈的电感值就会发生变化，将被测位移量转换成电压输出，其中两个二次绕组反向串接，此时差分输出电压为零，于此同时通过输出我们就可以知道衔铁位移的大小和方向，并由此可判断出被测物体的移动方向和位移量大小。

（四）压电式传感器

以压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，实现非电量电测的目的，可以测量力、压力和加速度等，但不能用于静态参数的测量。在施加外力时产生变形，内部发生极化，产生相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，就是压电效应。当电能转化成机械能就是逆压电效应，机械能转换成电能则是正压电效应。

而压电材料是压电式传感器的敏感材料，同时压电材料的温度达到某一值时，便失去压电特性，就是称为居里点。石英的居里点温度就是575℃。压电传感器可以等效为一个电压源与电容相串联的电压等效电路；也可以等效为一个电荷源与电容并联的电荷等效电路。

压电并联输出特性为输出电荷、电容为单片的两倍，输出电压与单片相同，而串联特性的输出电压为单片的两倍，电容为单片的1/2。

（五）霍尔式传感器

霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器，工作原理便是金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种电势就是霍尔电势，霍尔电势大小与导体厚度成反比。

霍尔式位移传感器其工作原理为将磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对的放置，霍尔元件处在两块磁铁之间，此时霍尔电势为零，位移为零，若霍尔元件发生相对位移，霍尔元件感受的磁感应强度也会改变，此时霍尔电势的大小反映出霍尔元件与磁铁间的相对位置的变化，就能够求出位移量大小，适合测量微位移及振动的测量。

（六）热电偶传感器

其工作原理主要是根据热电效应将不同导体结合成闭合电路，两者接触点温度不同，产生电势并形成回路电流。热电偶回路中总的热电势为两个接触点热电势的代数和。其中产生热电势最主要的条件便是材料不同、温度不同，同时也就产生了三大定律，均质导体定律、中间回路定律、中间导通定律。因为需保证冷端温度恒定为0℃，所以便有了冷端温度补偿法，补偿导线法、0℃恒温器、冷端温度校正法（热电势温度修正法、温度修正法、冷端温度自动补偿法）。

（七）光电式传感器

光电势传感器就是将光量的变化转换成电量变化的传感器属于发电式传感器，由光源、光学通路、光学元件三大部分组成。其原理是根据光经过光学通路照射到接受元件上产生电的变化所制成，其光电效应分为外、内光电效应。

由不同的光电效应变制成了不同的光电器件，如外光电效应制成了光电管、光电倍增管，内光电效应制成了光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管、光电池等器件。

三、总结

通过学习我们能够知道对于不同精度和不同被测对象，所选择的测量传感器都不尽相同。因此，我们学习传感器一定要先学会其基本工作原理，找到不同传感器相通的地方，针对性地学习，这样才能提高对传感器知识点的掌握。

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