电极式传感器原理 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.

几种常用的氧气传感器原理简介

氧气分析仪使用几种类型的氧气传感器中的一种。随着工业过程应用要求提高测量精度和可重复性，用户也要求气体分析仪极少的维护和校准。为此，鼓励氧气分析仪的用户根据其预期应用来评估特定氧气传感器类型的优点。没有一种通用的氧气传感器类型。

下面提供的各种气相氧传感器的概要审查应与从氧分析仪制造商收集的信息结合使用。这种组合将有助于确保为所考虑的应用选择正确的传感器类型。

环境温度电化学氧气传感器

光学氧气传感器

氧化锆氧气传感器

顺磁氧传感器

极谱氧传感器

一、环境温度电化学氧传感器

环境温度电化学传感器，通常称为电流传感器，通常是一个小的、部分密封的圆柱形装置（1-1/4” 直径 x 0.75” 高度），其中包含两个浸入水电解质（通常为钾离子）中的不同电极氢氧化物。当氧分子通过安装在传感器一侧的半透膜扩散时，氧分子在阴极被还原，形成带正电荷的氢氧根离子。氢氧根离子迁移到发生氧化反应的传感器阳极。由此产生的还原/氧化反应会产生与样品气体中的氧气浓度成正比的电流。产生的电流通过外部电子设备进行测量和调节，并以百分比或百万分之几的浓度显示在数字面板仪表上。随着机械设计的进步、电极材料的改进和电解质配方的改进，原电池式氧传感器的使用寿命比早期版本更长，并因其在百分比和痕量氧范围内的准确性而受到认可。响应时间也得到了改善。环境温度电化学传感器的一个主要限制是它们在与含有酸性气体种类（如硫化氢、氯化氢、二氧化硫等）的样品一起使用时容易损坏。除非在分析前对有害气体成分进行洗涤，否则它们的存在将缩短传感器的寿命。电流传感器也容易受到过压的影响。对于样品压力 > 5 psig 的应用，通常建议使用压力调节器或控制阀。

美国AII电化学氧传感器

二、光学氧气传感器

光学氧传感器基于氧的荧光猝灭原理。它们依靠使用光源、光检测器和对光起反应的发光材料。在许多领域，基于发光的氧气传感器正在取代电化学氧气传感器。

分子氧荧光猝灭的原理早已为人所知。一些分子或化合物在暴露于光时会发出荧光（即发射光能）。然而，如果存在氧分子，光能会转移到氧分子，从而产生较少的荧光。通过使用已知光源，检测到的光能量与样品中氧分子的数量成反比。因此，检测到的荧光越少，样气中必须存在越多的氧分子。

在某些传感器中，荧光在已知的时间间隔内检测两次。不是测量总荧光，而是测量荧光随时间的下降（即荧光猝灭）。这种基于衰减的时间方法允许更简单的传感器设计。

管道式荧光氧传感器LOX-02-F是一种利用氧的荧光猝灭来测量环境氧气水平的传感器。虽然它与传统的电化学传感器具有相同的柱状结构、4系大小，但它不吸收氧气，并且具有寿命更长的优势（5年）。这使得它对于诸如房间氧气耗尽安全警报之类的设备非常有用，这些设备可以监控室内空气中储存的压缩气体中氧气含量的突然下降。

英国SST光学氧传感器

三、氧化锆氧气传感器

氧化锆氧气传感器是一种类似电化学方式的氧传感器。二氧化锆涂有一层薄薄的铂金电极，在高温（＞650⁰C），稳定的氧化锆（ZrO2₂）表现出两种机制：

1、ZrO2 部分离解，产生移动的氧离子，因而形成一种氧气的固态电解质。氧化锆盘覆有与恒定DC电流相连的通透电极，使环境中的氧离子能够穿过这种材料，进而在阳极释放一定量的且与输送电荷（电化学泵吸）成正比的氧气。

2、电解质两端的两种不同离子浓度将产生一种电位，又称为能斯特电压。电压大小与两种不同离子浓度比例的自然对数成正比。

O2S-FR-T2-18BM-C

SST利用这两个特性，制作了双氧化锆原理的氧化锆氧气传感器，螺纹型氧化锆氧气传感器O2S-FR-T2-18BM-C测量0.2-300Kpa的氧气分压，也就能测量0-100%Vol氧浓度（在一个大气压下）、准确和可靠性高。可以提供各种属性：结构小,测量范围宽且精度高,线性输出信号,坚固的不锈钢结构内部和外部,可以直接使用在高温和高压环境中,高耐腐蚀性使的传感器可以用于恶劣的环境和燃烧烟道或堆肥的应用程序气流中，不需要参考气体创建的能力来衡量一个宽氧范围与所有版本的产品，非常简单的校准，寿命长达10年，可以提高效率和减少排放燃烧应用。

四、顺磁氧传感器

在这一类别中，磁动力或“哑铃”类型的设计是主要的传感器类型。与其他气体（例如氮气、氦气、氩气等）相比，氧气具有相对较高的磁化率，并表现出顺磁行为。顺磁氧传感器由一个圆柱形容器组成，容器内装有一个小玻璃哑铃。哑铃内充满惰性气体（如氮气）并悬浮在拉紧的铂丝上，置于非均匀磁场中。哑铃被设计成可以自由移动，因为它悬挂在钢丝上。当含有氧气的样气通过传感器进行处理时，氧分子会被两个磁场中的强者吸引。这会导致哑铃的位移，从而导致哑铃旋转。由光源、光电二极管和放大电路组成的精密光学系统用于测量哑铃的旋转角度。在一些顺磁氧传感器设计中，施加相反的电流以将哑铃恢复到其正常位置。将哑铃维持在正常状态所需的电流与氧气分压成正比，并以氧气百分比表示。存在与磁动力顺磁氧传感器的各个制造商相关的设计变化。此外，还开发了其他类型的传感器，它们利用氧气对磁场的敏感性，包括热磁或“磁风”类型和磁气动传感器。磁动力传感器非常精密并且对振动和/或位置敏感。由于测量灵敏度的损失，通常不建议将顺磁氧传感器用于痕量氧测量。

五、极谱氧传感器

极谱氧传感器通常被称为克拉克电池 [JL Clark (1822-1898)]。在这种类型的传感器中，阳极（通常是银）和阴极（通常是金）都浸入氯化钾的水性电解质中。电极通过半透膜与样品隔开，该膜提供了将氧气扩散到传感器中的机制。银阳极相对于金阴极通常保持在 0.8V（极化电压）的电位。根据法拉第定律，分子氧以电化学方式消耗，伴随着与氧浓度成正比的电流。传感器产生的电流输出被测量并以电子方式放大，以提供氧气百分比测量值。极谱氧传感器的优点之一是在不工作时，不会消耗电极（阳极）。存储时间几乎是无限的。与电流氧传感器类似，它们对位置不敏感。由于极谱氧传感器的独特设计，它是液体溶解氧测量的传感器。对于气相氧测量，极谱氧传感器适用于百分比水平氧测量。相对较高的传感器更换频率是另一个潜在的缺点，维护传感器膜和电解质的问题也是如此。由于极谱氧传感器的独特设计，它是液体溶解氧测量的传感器。对于气相氧测量，极谱氧传感器适用于百分比水平氧测量。

相关问答

工作原理:电极式液位传感器是利用液体之导电性来侦测液位高低。桶槽内装的物质一旦触及极棒,便会导电因而检出信号。经控制器的信号放大后,再输出一接点信号...

一、PH电极的概念pH电极又称pH探头、pH传感器,英文名称pHelectrode或pHsensor,是PH计上与被测物质接触的部分,用来测电极电位的装置。二、PH电极的特点1、...

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成,并由一个薄电解层隔开。...

电容传感器是一种利用电容变化实现测量和检测的传感器。它包括两个电极,当电极之间存在物体时,物体将改变两个电极之间的电容值,因此传感器就能对物体进行测量...

五电极液位传感器利用五个电极分布在不同高度的原理来测量液体的液位高度。其中三个电极用于测量液体的液位,另外两个电极用于补偿电解质浓度和温度的影响。当...

[最佳回答]1`电导池常数你知道液体的导电除与液体本身性质及电极有关外,与液体的几何形状有关,因为液体不像固体那样规则,需要在一容器中进行测定,溶液不可能...

[最佳回答]离子选择电极(ISE)是一种电化学传感器,其结构中有一个对特定离子具有选择性响应的敏感膜,将离子活度转换成电位信号,在一定范围内,其电位与溶液中特...

氮气传感器工作原理是采用测氧原理,通过氧气传感器把气体中的氧浓度转换成电信号,经减法器的计算从而倒算出氮气含量,并直接显示被测气体中的氮气百分比含量...

离子选择电极(ISE)是一种电化学传感器,其结构中有一个对特定离子具有选择性响应的敏感膜,将离子活度转换成电位信号,在一定范围内,其电位与溶液中特定离子...

离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器,当它和含待测离子的溶液接触时,在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该...