传感器 表面传感器 传感器及其工作原理
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.
什么是压电声表面波（SAW）传感器？看完就懂了
压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。
压电材料在压电传感器件中的应用多种多样，其核心在于机械能和电能的相互转换：压电材料受机械振动（压电振动传感器）、声波传导（压电声传感器）等机械外力作用时晶格形变，引起极化状态的变化，输出传感电信号，或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小（压电电压传感器）。
声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。
声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一种沿弹性基体表面传播的声波，被广泛应用于压电传感器件。实际制备压电SAW传感器时，通常采用半导体加工工艺在压电基体上沉积叉值换能器（Interdigital Transducer，IDT），如图1所示。当电压加到发射IDT上时，发射IDT发射SAW沿基体表面传播，当温度、压力、气体等物理或化学参量作用到压电SAW传感器表面时，SAW传播速度/频率发生改变，并通过接收IDT测量得到。
图1 压电SAW传感器
压电SAW传感器主要基于延迟线作为其传感单元，因SAW传播速度与温度直接相关，被广泛应用于温度传感场景。
为提高传感器灵敏度，一般选取TCD较高的材料如铌酸锂、钽酸锂、石英晶体等材料。C.E.Weld等采用ST切割石英压电晶体（TCD=32×10-6/℃）作为SAW温度传感器敏感材料，分辨率可达0.22℃。另有研究者基于128°YXLiNbO3材料（TCD=75×10-6/℃）制备压电SAW温度传感器。实际应用时该类传感器受环境质量负载效应影响较大，需采用密封封装。
压电SAW温度传感器在电网中得到了实际应用，有研究者将压电声表面波温度传感器安装于某10kV配电网架空电力线路杆塔刀开关螺栓处，如图2所示，监测输电线路温度变化情况，实测结果显示传感温度数据变化趋势与实际用电情况相符。丁永生等选用（0,126°,0°）及（0,126°,39°）AT切石英构成差动式SAW温度传感器，用于配电变压器油温监测，其在常温段具有较好的线性度，在高温段具有较高的灵敏度，可有效补偿高温对器件性能的影响。
图2 基于压电SAW温度传感器测量电力杆塔温度
压电SAW传感器件也可用于气体传感，其基本原理是传感器表面敏感膜材料对特定待测气体产生吸附，导致声表面波传播速度波动，从而引起振荡频率的变化，完成对待测气体的检测。研究者先后基于YZ-LiNbO3、ST-X石英、128°YXLiNbO3等压电基体，完成对CO2、H2、NO2等气体的检测，有望用于变压器油分解气体检测和电缆脱气检测等领域。此外，压电SAW传感器在压力传感、湿度检测、角速度检测等方面也已展开实际应用。
与传统传感器相比，SAW传感器在检测精度及灵敏度等方面仍存在不足，亟需对器件性能和系统稳定性进行改善，需要从其物理结构、电路设计、器件拓扑、敏感膜选取和制备等方面来改善其精度、检测下限及稳定性。
本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。
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