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.

技术干货：一文搞懂光电传感器的原理，对射、漫反、镜反等案例

1、什么是光电传感器？

所谓光电传感器，就是通过感应自身投射光的受光量(遮光量)，实现非接触式的检测物体的有/无的传感器。

如图所示，左边投光器投射出光线，右边的受光器接收到足够的光亮（受光量）时判断为ON，否则判定为OFF。

2、光电传感器的特点是什么？

可以非接触检测

长距离检测

可以检测微小物体

响应速度高

大部分物体都可以检测

缺点是容易受到油污/粉尘的影响。

3、常见的光电传感器检测类型分类和应用举例

对射型：发射器和接收器分离。主要以「投射的光线是否被遮挡阻断」为检测依据，因此不收检测物体的形状、颜色、倾斜等影响。

案例

在食品包装生产线上，很多食品的密封包装是透明材质，使用传感器透过透明包装材质可以检测包装内是否有封装入食品。

镜发射型：该型光电传感器配置为一个发射和接收一体的本体和一个反光镜，主要是以「传感器发射向反光镜的光线是否被遮挡阻断」为检测依据。因为只有一个传感器本体相比对射式光电传感器布线要简单，相对成本要低一点。

案例

可以通过镜反射光电传感器检测物品在生产线上的有无，并且仅用在一侧布线另一侧安装反光板即可。

漫反射型：该型光电传感器配置为一个发射和接收一体的本体。发射的光线经过被测物体反射到接受端上。但这类传感器容易受到物体的形状、颜色、倾斜等影响使用时一定要注意。

案例

金属加工过程中可以用到漫反射型光电传感器，确认金属加工过程中的打孔是否有无。如果发射的光线投射到孔洞中就不会发射给传感器，没有打孔则会发射给传感器，这样可以非常方便的检测出加工孔的有无。

背景抑制型：该类传感器采用PSD/C-MOS感光原件，以距离而不是受光量作为检测依据。因此可以有效的避免普通漫反射型光电传感器容易受到检测物体颜色的影响。该型传感器检测距离比普通漫反射型相对较短。

案例

检测托盘内物品的有无。通过检测高度差来确认托盘内物品的有无，即使物品和托盘发生颜色改变也可以稳定的检测，而无需进行调整。

透明体检测型：该型传感器属于镜面发射传感器中的一种。不过由于光线容易穿透透明物体，因此普通的的镜面发射型光电传感器无法检测透明体。而专用于透明体检测的传感器应差距离较小，受光量发生微小变化也能检测出来。

案例

PET瓶检测。检测透明瓶子的有无，普通光电传感器和接近开关都不能检测透明玻璃、透明塑料瓶。另外特别是在瓶子的壁体越薄透明度越高该传感器越有优势。

限定反射性/广角反射型：该传感器属于漫反射型中的一种。光学系统特别设计使得传感器只能再指定范围内检测出物体。

案例

检测晶片是否存在缺口。即使狭小空间中存在背景物体，限定反射型传感器也可以稳定检测。

颜色判别型：采用RGB三色光源通过RGB各种颜色的发射光量来识别出被检测的颜色。

这类传感器一般有两种检测模式：颜色模式和色标模式。

颜色模式应用

RGB三色光源同时投光识别被测颜色，可以高精度的检测出指定颜色。

色标模式的应用

分别对被测色标和背景进行示教，传感器从RGB三色中选择出最佳的光源作为透射光。常用语检测单一颜色北京上的某种色标的有无。

4、各类光电传感器检测类型特征对比。

以上为奥泰斯自动化的光电传感器基础知识学习阅读笔记。奥泰斯作为以光电传感器技术见长的专业传感器制造商，其光电类传感器的技术资料有非常高的参考价值。我们将陆续为您带来个更多的小编传感器学习笔记，光电传感器结构、选型流程、参数解读、特性术语等。我们大多阅读的是来自使用者分享的传感器知识，这个系列我们带来的是来自传感器设计和生产厂家工程师整理的专业知识。

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