传感器及其工作原理

一、认识传感器

1.传感器

（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.

☞生活中的实例

（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.

2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.

☞敏感原件干簧管的结构及原理

如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.

3.传感器的特点

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.

4.传感器的分类

（1）按照其用途可分为：压力传感器、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、热敏传感器、雷达传感器等.

（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.

（3）按其输出信号可分为：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）；

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（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.

（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.

☞几种传感器中的敏感元件

二、对敏感元件的认识

1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.

（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.

（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.

（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.

☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.

2.热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.

②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.

☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线

☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况

（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.

（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比

三、霍尔元件

1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.

2、霍尔电压

（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.

（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），

拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.

☞霍尔元件的分类

霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.

设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.

3、霍尔电势高低的判断

由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.

☞霍尔电势判断要点

在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.

4.霍尔元件的作用

一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.

☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.

航空材料简史

航空材料发展史

自从人类开始尝试遨游蓝天,"用什么样的材料制造飞机"就一直是摆在科学家和工程师面前的一个重大问题，航空材料的发展也在极大程度上推动了航空事业的进步。一百多年来，航空材料的发展所经历的阶段如下表所示。[1]

航空材料发展历程

在航空发展的萌芽阶段，木头和帆布是天然材料中强度、重量、刚度均最为适合制造飞机的。因此，直至第一次世界大战，木头和帆布都是蓝天上的主宰。其重量轻、强度、刚度较高，是自然材料中最适合用来制造飞机结构的。

到了一战末期，金属材料开始登上了航空舞台，以铝镁合金为主，辅以少量不锈钢的全金属飞机开始称霸地球的天空。二战之后，随着人类对于飞行速度的不断追求，一种新的金属——钛合金，以其超高的刚度、强度以及耐高温性能登上了历史舞台。

当人们都认为金属材料将是未来天空的主宰时，复合材料的出现再一次掀起了一场航空材料革命，自20世纪七十年代至今，复合材料在飞机制造中的地位越来越强，并大有从配角变身主角的势头。在诞生之初只被使用在尾翼、鸭翼等载荷较小位置的复合材料，如今在最新的客机——空客A350以及波音-787身上已经占到了50%左右，站上了主导地位。

波音787客机

空客A350客机

航空材料的特点

作为航空器上所使用的材料，一方面，我们需要其"结实"，另一方面，我们还希望其密度小，重量轻。通常，我们用"强度"和"刚度"两个性质来描述一种材料"结实"与否，强度指的是受力后不易产生破坏的能力，而刚度指的是受力后不易产生变形的能力。比如，蜘蛛丝可以承受非常大的拉力而不断裂，这意味着其强度很大，但是蛛丝受力后会产生很大的变形，因而其刚度很小；普通玻璃受力后变形很小，因此其具有较高的刚度，但是非常容易断裂破坏，因此我们用"强度低"来形容它。在航空领域，通常，我们希望材料即具有高强度，又具有高刚度，还具有密度小，重量轻的特点，除此之外，工程师还提出了诸如耐高温，耐腐蚀，易加工等种种性能要求，可见，航空业对于材料的要求相当之高。

铝合金

铝合金主要是铝与铜、镁和锌的合金。是飞机制造中应用较早、使用最广泛的材料，其优势主要在于塑性好，强度高，易于加工，重量轻。另外，铝合金具有高的断裂韧性和疲劳强度，具有高的耐腐蚀性，良好的低温性能，且价格低廉，因此，直至今日，飞翔在蓝天中的大部分飞机依旧以铝合金为主要结构材料。但是，铝合金的耐磨、耐高温性能较差，不适合使用在高速飞行气动加热较为显著的情况下。

钢

钢材成本较低，强度大、耐高温，但是重量也大，所以在多数飞机上并没有广泛使用，只分布在飞机上一些高负载区域如机翼、尾翼接头等处。然而，在冷战期间，却出现了一型"剑走偏锋"的战斗机——前苏联的米格-25，为了承受高速下的气动加热，米格-25结构重量的80%为合金钢，这也使得这款战斗机显得尤为笨重，机动性大大降低。

钛合金

钛合金首先是作为发动机材料在飞机上使用的，随后在飞机结构上的应用不断扩大。钛合金的强度接近于合金钢，而重量却比合金钢轻很多，因此用钛合金制造的构件比钢制构件可以显著降低重量，此外钛合金还具有较高耐热性和耐腐蚀性。因此，在上文提到的米格-25战机研制的同时期，美国研制的能在3万米高空以3倍以上音速飞行的SR-71侦察机大量采用了钛合金。然而，由于强度、刚度极佳，又耐高温和腐蚀，钛合金的冶炼和加工极为困难，美国的科研人员为此在SR-71的设计和制造上付出了高昂的人力和财力。

米格-25战斗机

SR-71“黑鸟”高空高速侦察机

复合材料

复合材料是由两种或多种材料复合而成的材料，其通常由增强体与基体构成，如下图所示在航空领域属于新型材料，然而在日常生活中其实非常常见。钢筋混凝土是我们日常生活中都接触过的建筑复合材料，在这种复合材料中，钢筋作为增强体，起主要承载作用，而钢筋周围的混凝土作为基体，其粘合作用。

复合材料，图中绿色为基体，圆柱形为增强体

使用性能更强，重量更轻的基体和增强体，就可以制造出先进的航空复合材料。 复合材料的密度低，强度和刚度很高，抗疲劳性能、减震性能和工艺成型性能都很好，并可按结构性能的要求进行设计。目前飞机制造中经常使用的复合材料包括：树脂基，金属基复合材料以及陶瓷基和碳－碳复合材料等等。

未来航空材料[2]

未来的航空材料将继续朝着高性能、低成本、复合化、功能化、智能化的方向发展。一方面，随着新型复合材料技术以及新型金属加工制造技术的不断进步，材料的强度、刚度、韧性、耐高温、低温、氧化、腐蚀等性能将不断增强，重量将不断降低，提升飞行器的飞行性能、可靠性以及使用寿命，飞行器的制造成本不断降低。另一方面，新的技术将赋予结构材料新的功能，如隐身、传感、驱动、自检等等，并使得航空材料变得智能，实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自保护等多种特殊功能。

参考文献

[1]. 李成功, 傅恒志, 于翘. 航空航天材料[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001;

[2]. 唐见茂.航空航天材料发展现状及前景[J].航天器环境工程,2013,30(2):115-120;

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