传感器按 什么是传感器？传感器怎么应用和使用？

什么是传感器？传感器怎么应用和使用？

什么是传感器？

传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种前端检测装置，能感受到被测量物的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信/电流信号或者其它我们所需的信号形式输出，能够满足信号传输，后续得到信号处理，显示，记录，储存，或者控制等要求。国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：能感受规定的被测量物并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的电子元器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

传感器的特点性能包括：它是实现自动检测和自动控制的主要环节。传感器的存在和发展，让机器人有了力觉，距离觉，角度觉，触觉、味觉和嗅觉等感官，让机器人慢慢变得跟真人一样。通常根据这些基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

生活中我们密切的遇见传感器，比如你走到一个门前，门自动打开。它怎么知道有人通过呢？这个就叫传感器。若仔细观察，雷达传感器和红外线传感器不一样，和测力传感器也不一样。是传感器感受的物理量不一样。

雷达传感器只要有东西反射微波信号给雷达传感器，从而雷达传感器控制电路，打开自动门。接收不到微型信号，就关闭自动门。其中电路可以设置延迟关门时间。

红外线传感器是能感受到物体发出来的红外线信号，人站在门口，红外线信号比较强，门就自动打开，其他物体，比如桌子，凳子这些红外线信号比较弱的，放在门口，门就不会自己打开。人一直站在门口，门就一直不会关，其中红外线的开关信号，也是可以设置的。

测力称重传感器是当人站在门口，传感器感受到了一定的力值，控制电路，门就开，人走后，门就自己关上。其中达到多少力门就开，人走后多少秒就关，这个是可以设置的。

安检门可以发现你身上的金属，这叫金属传感器。

按一下电梯门，电梯门自动打开，这叫压力传感器。

上次厕所会自动冲水，这叫光传感器。

手指按手机屏幕可以进行操作，这叫电容触摸传感器。

遥控器打开电视，电视能打开，这叫红外线传感器。

着火了，产生烟雾，烟雾报警器报警，这叫烟雾传感器。

在楼梯间走路，灯自动亮起，这叫声感传感器。

车辆经过一个平台能知道重量，这叫称重传感器。

一拳打在沙包上，能知道最大力，这叫撞击力传感器。

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉。声敏传感器——听觉。气敏传感器——嗅觉。化学传感器——味觉。压敏、温敏、流体传感器——触觉。测力传感器—— 力控制 ，敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、激素等分子的识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、放射线敏感传感器、色敏传感器和味敏传感器等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

广州市南沙区大岗镇豪岗大道148号创科产业园（斯巴拓电子）

传感器的作用：

为了从外界获取更准确的信息，必须借助外界软件感应器官。单凭人们自身的感觉器官，研发员在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电子五官。

随着高新科技的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取精准可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视或控制生产过程中的各个参数，使设备在工作中能够保持正常状态或最佳状态，并使产品达到最好标准的质量要求。因此可以说，没有传感器的存在，现代化生产也就失去了一定的基础。

在基础科学自动化研究中，传感器更具有自己突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如力传感器制造出来，是用于打磨、抛光等应用。由于这些应用都很难实现自动化，因为机器人需要某些力反馈来确定它推动的力够不够。实际应用中，很多用户通常认为，零件定位和定量的唯一方法是使用视觉传感器。但实际上这不是唯一的解决方案。不可否认，视觉系统是零件定位或量化的好方式，但采用力传感器来寻找和检测零部件也是可行的。

力传感器也是在各种流水线常见的，快递，水果，蔬菜等行业可以快速分拣出来，并按照用户到达指定位置。各种恒力称重等等。

此外，还出现了对医疗设备新的认识、开拓新能源、新材料等具有重要各种作用的极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。是许多高层科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。传感器的发展，往往是一些高新技术开发的先驱。

传感器早已渗透到各种机器人，工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、航空设备、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。在生活中，我们也经常使用到传感器，比如：天气热了开空调，空调内置有一个温度传感器，也是我们常说变频空调。还有自动地磅，电子秤，无人售卖机，高楼的供电供水，都使用到传感器。可以毫不夸张地说，在茫茫的地球，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器在技术发展经济、推动社会自动化进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这传感器领域发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

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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