传感器原理与检测技术 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。

1．按工作原理分类

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。

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.

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