目錄

概述電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器41235壓磁式傳感器6壓電式傳感器目錄磁電式傳感器熱電偶式傳感器光電式傳感器霍爾元件傳感器1078911激光式傳感器12CCD圖像傳感器2.1概述

傳感器（Sensor）是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測量的各種量并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置。通常，傳感器接收到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的信號，因此消除串入的噪聲就成為了一項關(guān)鍵的傳感器技術(shù)。以電子技術(shù)、計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的各種電量和非電量的測量是現(xiàn)代測試最重要的測試方法，它的發(fā)展水平是衡量一個國家科技水平的重要標志之一。2.1.1傳感器的定義定義（國家標準GB7665-1987《傳感器通用術(shù)語》）：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。定義（國際電工委員會(IEC:InternationalElectrotechnicalCommittee)）：傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。2.1.1傳感器的定義從傳感器的定義可知：1)傳感器是測量裝置,能完成檢測任務(wù)；2)它的輸入量是某一被測量,可能是物理量(如長、熱、力、電、時間、頻率等),也可能是化學(xué)量、生物量等；3)它的輸出量是某種物理量,這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等,可以是氣、光、電量,但主要是電量；4）輸出與輸入有一定的對應(yīng)關(guān)系,且應(yīng)有一定的精確度。可見，傳感器是獲取被測信息的手段，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。2.1.1傳感器的定義2.1.1傳感器的定義敏感元件：直接感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成為與被測量有確定關(guān)系的容易測得的量。轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換成可用電量信號的元件又稱變換器。轉(zhuǎn)換電路：就是把轉(zhuǎn)換元件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。2.1.2傳感器的分類2.1.2.1按被測量分類1、熱工量傳感器：溫度、熱量、比熱容、熱流、熱分布；壓力壓差、真空度；流量、流速、風(fēng)速、物位等傳感器。2、機械量傳感器：位移、尺寸（長度、寬度、厚度、角度）、形狀；力、力矩、應(yīng)力、重量、質(zhì)量；轉(zhuǎn)速、線速度、振動、加速度、噪聲等傳感器。3、狀態(tài)傳感器：顏色、透明度、磨損量、裂紋、缺陷、泄露、表面質(zhì)量等傳感器。4、物性傳感器和成分量傳感器：成分量（化學(xué)成分、濃度等）；酸堿度、鹽度、濃度、黏度；密度等傳感器。2.1.2.2按傳感器的原理分類1、物理型傳感器：利用某些變換元件的物理性質(zhì)以及某些功能材料的特殊物理性能制成的傳感器。如電阻傳感器、電感傳感器、壓電傳感器、光電傳感器、射線式傳感器等。2、化學(xué)傳感器：利用電化學(xué)反應(yīng)原理的傳感器，如氣敏傳感器、濕度傳感器和離子傳感器等。3、生物傳感器：一種利用生物活性物質(zhì)選擇性的識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器，如酶傳感器、免疫傳感器等。2.1.2.3按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類1、開關(guān)型傳感器：輸出為開關(guān)量（“1”和“0”或“開”和“關(guān)”）。2、模擬型傳感器：輸出為模擬量。3、數(shù)字型傳感器：輸出為脈沖或代碼。有時也把傳感器分為機械式傳感器等，常見機械式傳感器如測力計、壓力計、溫度計等。2.1.3傳感器的命名法2.1.3.1傳感器的命名根據(jù)國家標準，任意一種傳感器的名稱，命名由主題詞+四級修飾語構(gòu)成：1、主題詞：傳感器；2、第一級修飾語：被測量，包括修飾被測量的語言；3、第二級修飾語：轉(zhuǎn)換原理，一般可后續(xù)以“式”字；4、第三級修飾語：特征描述，指必須強調(diào)的傳感器結(jié)構(gòu)、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后續(xù)以“型”字；2.1.3.1傳感器的命名5、第四級修飾語：主要技術(shù)指標（量程、精確度、靈敏度等）。在有關(guān)傳感器的統(tǒng)計表格、圖書索引、檢索以及計算機漢字處理等特殊場合，應(yīng)采用上述的正序排列，如：傳感器，位移，應(yīng)變[計]式，100mm。但在技術(shù)文件、產(chǎn)品樣本、學(xué)術(shù)論文、教材及書刊的陳述句子中，作為產(chǎn)品名稱應(yīng)采用與上述相反的順序，如：10mm應(yīng)變式位移傳感器。2.1.3.2傳感器的代號傳感器代號：主稱（傳感器）被測量—轉(zhuǎn)換原理—序號。1、主稱——傳感器代號C；2、被測量——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記；3、轉(zhuǎn)換原理——用一個或兩個漢語拼音的第一個大寫字母標記；。4、序號——用一個阿拉伯數(shù)字標記，廠家自定，用來表征產(chǎn)品設(shè)計特性、性能參數(shù)、產(chǎn)品系列等。如：應(yīng)變式位移傳感器：CWY-YB-20；光纖壓力傳感器：CY-GQ-2。2.1.4對傳感器性能的要求1、靈敏度高，輸入和輸出之間應(yīng)具有較好的線性關(guān)系；2、噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；3、滯后、漂移誤差小；4、動態(tài)特性良好；5、在接入測量系統(tǒng)時，對被測量不產(chǎn)生影響；6、功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；7、防水及抗腐蝕等性能好，能長期使用；8、結(jié)構(gòu)簡單，容易維修和校正；9、低成本、通用性強。2.1.5傳感器的發(fā)展趨勢1、采用新原理、開發(fā)新型傳感器；2、大力開發(fā)物性型傳感器(因為靠結(jié)構(gòu)型有些滿足不了要求)；3、傳感器的集成化；4、傳感器的多功能化；5、傳感器的智能化(SmartSensor)；6、研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。2.2 電阻式傳感器電阻式傳感器就是利用一定的方式將被測量的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件電阻值的變化，進而通過電路變成電壓或電流信號輸出的一類傳感器。可用于各種機械量和熱工量的檢測，它結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本低廉，因此，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。2.2.1電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的，應(yīng)用最為廣泛的電阻式傳感器，主要用于機械量的檢測中，如力、壓力等物理量的檢測。2.2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。2.2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻的應(yīng)變靈敏系數(shù)：設(shè)有一段長為，橫截面積為A，電阻率為的導(dǎo)體，根據(jù)電阻的定義，它具有的電阻為:

（2-1）式中

——電阻率；

——電阻絲長度；

A——電阻絲橫截面積。2.2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)當它受到軸向力F而被拉伸（或壓縮）時，其l、A和ρ均發(fā)生變化，當有變化量?ρ、?l、?A時，導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化。通過對式（2-1）兩邊取對數(shù)后再作微分，即可求得其相對變化率為：

（2-2）2.2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)引進力學(xué)中的泊松比μ最后得：（2-3）2.2.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料常見的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、膜式兩種，其典型結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。它由敏感柵、引線、基底和覆蓋層組成。2.2.1.3電阻應(yīng)變片的類型及常用材料根據(jù)應(yīng)變片的質(zhì)地，主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。一、金屬電阻應(yīng)變片此類應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式有絲式、箔式和薄膜式三種。（一）絲式應(yīng)變片如圖2-3a所示，它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基、膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時只要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。它結(jié)構(gòu)簡單，價格低，強度高，但允許通過的電流較小，測量精度較低，適用于測量要求不很高的場合使用。2.2.1.3電阻應(yīng)變片的類型及常用材料（二）箔式應(yīng)變片該類應(yīng)變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.003-0.01mm之間，它的結(jié)構(gòu)如圖2-3b所示。箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片比較其面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。2.2.1.3電阻應(yīng)變片的類型及常用材料（三）金屬薄膜應(yīng)變片它是采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。二、半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。對一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。2.2.1.3電阻應(yīng)變片的類型及常用材料（一）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片。（二）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2-4。（三）擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖2-5為擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片示意圖。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。2.2.1.3電阻應(yīng)變片的類型及常用材料2.2.1.4應(yīng)變片的主要性能參數(shù)1、靈敏度系數(shù)2、橫向效應(yīng)3、應(yīng)變極限4、溫度特性5、允許電流及電阻值6、機械滯后2.2.1.5應(yīng)變片的常用材料及粘貼技術(shù)一、常用材料4YC3是Fe-Cr-Al系550℃高應(yīng)變電阻合金，其電阻率高，電阻溫度系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，主要用于工作溫度≦550℃的電阻應(yīng)變計。4YC4是Fe-Cr-Al系750℃高溫應(yīng)變電阻合金，其電阻率高、電阻溫度系數(shù)低，尤其是在600℃以上有較好的熱輸入和重現(xiàn)性低的零飄。YC8是銅鎳錳鈷合金精密箔材，專用于高精度箔式電阻應(yīng)變計，其溫度自補償性能及其它技術(shù)指標符合《電阻應(yīng)變計》標準規(guī)定的A級產(chǎn)品質(zhì)量要求。4YC9是Ni-Mo系500℃自補償應(yīng)變電阻合金，它的ρ值高，電阻溫度系數(shù)小，熱輸出、熱穩(wěn)定性好，適用于制作在≦500℃工作的自補償電阻應(yīng)變計。2.2.1.5應(yīng)變片的常用材料及粘貼技術(shù)二、應(yīng)變片的粘貼工藝步驟1、應(yīng)變片的檢查與選擇；2、試件的表面處理；3、底層處理；4、貼片；5、固化；6、粘貼質(zhì)量檢查；7、引線焊接與組橋連線。2.2.1.6電阻應(yīng)變計的型號及選用一、型號的編排規(guī)則電阻應(yīng)變計型號的編排規(guī)則如下：類別、基底材料種類、標準電阻---敏感柵長度、敏感柵結(jié)構(gòu)形式、極限工作溫度、自補償代號（溫度和蠕變補償）及接線方式。如BF350--3AA80（23）N6–X的含義是：1、B:表示應(yīng)變計類別(B:箔式；T:特殊用途；Z:專用(特指卡瑪箔))；2、F:表示基底材料種類(B:玻璃纖維增強合成樹脂；F:改性酚醛；A:聚酰亞胺；E:酚醛-縮醛；Q:紙浸膠；J:聚氨酯)；2.2.1.6電阻應(yīng)變計的型號及選用

3、350:表示應(yīng)變計標準電阻；

4、3表示敏感柵長度（mm）；

5、AA表示敏感柵結(jié)構(gòu)形式；

6、80表示極限工作溫度（℃）；

7、23表示溫度自補償或彈性模量自補償代號(9:用于鈦合金；M23:用于鋁合金；11:用于合金鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼；16:用于奧氏體不銹鋼和銅基材料；23:用于鋁合金；27:用于鎂合金)；

8、N6表示蠕變自補償標號(蠕變標號:T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4，N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)；2.2.1.6電阻應(yīng)變計的型號及選用

9、X表示接線方式(X:標準引線焊接方式；D:點焊點；C:焊端敞開式；U:完全敞開式，焊引線；F:完全敞開式，不焊引線；X**:特殊要求焊圓引線，**表示引線長度；BX**：特殊要求焊扁引線，**表示引線長度；Q**:焊接漆包線，**表示引線長度；G**:焊接高溫引線，**表示引線長度)。2.2.1.6電阻應(yīng)變計的型號及選用二、應(yīng)變計的自動補償及其選用（一）溫度補償及選用；（二）蠕變自補償及選用；（三）彈性模量自補償及選用；2.2.1.7應(yīng)變電阻傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變片除可測量試件應(yīng)力之外，還可制造成各種應(yīng)變式傳感器用于測量力、荷重、扭矩、加速度、位移、壓力等多種物理量。2.2.2熱電阻及熱敏電阻2.2.2.1熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。一、熱電阻測溫原理及材料熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。2.2.2.1熱電阻二、熱電阻的類型1、普通型熱電阻；2、鎧裝熱電阻；3、端面熱電阻；4、隔爆型熱電阻。2.2.2.1熱電阻三、鉑電阻鉑易于提純，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電阻率較大，能耐較高的溫度；因此用鉑電阻作為復(fù)現(xiàn)溫標的基準器。鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系可用下式表示

(2-5)

式中，Rt為溫度為t時的電阻值；R0為溫度為0℃時的電阻值；A、B、C均為常數(shù)，A=3.96847；B=5.847；C=4.22。2.2.2.1熱電阻四、銅電阻鉑是貴重金屬，因此在一些測量精度要求不高，測溫范圍較小(-50～150℃)的情況下，普遍采用銅電阻。銅電阻具有較大的電阻溫度系數(shù)，材料容易提純，銅電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，銅的價格比較便宜，所以銅電阻在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。銅電阻的缺點是電阻率較小，穩(wěn)定性也較差，容易氧化。(2-6)式中，Rt為溫度t時的電阻值；R0為溫度為0℃時的電阻值；a為溫度為0℃時的電阻溫度系數(shù)。2.2.2.1熱電阻五、熱電阻的應(yīng)用

1、熱電阻溫度計2.2.2.1熱電阻五、熱電阻的應(yīng)用

2、熱電阻式流量計2.2.2.2熱敏電阻一、半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理熱敏電阻是一種利用半導(dǎo)體制成的敏感元件，其特點是電阻率隨溫度而顯著變化。熱敏電阻因其電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；熱慣性小，反應(yīng)速度快；體積小，結(jié)構(gòu)簡單；使用方便，壽命長，易于實現(xiàn)遠距離測量等特點得到廣泛地應(yīng)用。熱敏電阻的缺點是互換性較差，同一型號的產(chǎn)品特性參數(shù)有較大差別。再就是其熱電特性是非線性的，這給使用帶來一定不便。盡管如此，熱敏電阻靈敏度高、便于遠距離控制、成本低適合批量生產(chǎn)等突出的優(yōu)點使得它的應(yīng)用范圍越來越廣泛。2.2.2.2熱敏電阻

熱敏電阻的熱電特性曲線如圖2-9所示。根據(jù)電阻值的溫度特性，熱敏電阻有正溫度系數(shù)、負溫度系數(shù)和臨界熱敏電阻幾種類型。熱敏電阻的結(jié)構(gòu)可以分為柱狀、片狀、珠狀和薄膜狀等形式。

2.2.2.2熱敏電阻二、常用材料按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負溫度系數(shù)熱敏電阻。（一）正溫度系數(shù)熱敏電阻的常用材料此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTiO3）為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫燒結(jié)爾成。（二）負溫度系數(shù)熱敏電阻的常用材料負溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。2.2.2.2熱敏電阻三、熱敏電阻的型號表示我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標準SJ1155-82來制定型號，由四部分組成。第一部分：主稱，用字母‘M’表示敏感元件。第二部分：類別，用字母‘Z’表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器，或者用字母‘F’表示負溫度系數(shù)熱敏電阻器。第三部分：用途或特征，用一位數(shù)字（0-9）表示。第四部分：序號，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號后加‘派生序號’，由字母、數(shù)字和‘-’號組合而成。例：MZ11表示序號為1的正溫度系數(shù)型普通用途熱敏電阻敏感元件。2.2.2.2熱敏電阻四、熱敏電阻器的主要參數(shù)各種熱敏電阻器的工作條件一定要在其出廠參數(shù)允許范圍之內(nèi)。熱敏電阻的主要參數(shù)有十余項：標稱電阻值、使用環(huán)境溫度（最高工作溫度）、測量功率、額定功率、標稱電壓（最大工作電壓）、工作電流、溫度系數(shù)、材料常數(shù)、時間常數(shù)等。例如：MZ73A-1（消磁用正溫度系數(shù)熱敏電阻器）M——敏感電阻器 Z——正溫度系數(shù)熱敏電阻器7——消磁用 3A-1——序號2.2.2.2熱敏電阻五、熱敏電阻選擇首選普通用途負溫度系數(shù)熱敏電阻，因它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻易觀察，電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻，溫度應(yīng)在該元件居里點溫度附近。六、熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻與簡單的放大電路結(jié)合，就可檢測千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測溫計，能完成高精度的溫度測量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃～+315℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低于-55℃，可達-273℃。熱敏電阻幾乎在每一個部門都有使用，如家用電器、制造工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、運輸、通信、保護報警裝置和科研等。2.2.2.3集成壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的新型傳感器。它具有靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、體積小和便于批量生產(chǎn)等特點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。由于它克服了半導(dǎo)體應(yīng)變片存在的問題并能將電阻條、補償線路、信號轉(zhuǎn)換電路集成在一塊硅片上，甚至將計算處理電路與傳感器集成在一起，制成了智能型傳感器，這是一種具有發(fā)展前途的傳感器。2.2.2.3集成壓阻式傳感器一、壓敏電阻的工作原理單晶硅材料在受到力的作用后，其電阻率將隨作用力而變化．這種物理現(xiàn)象稱為固態(tài)壓阻式傳感器。半導(dǎo)體材料電阻的變化率ΔR／R主要由Δρ／ρ引起，即取決于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可以用下式表示

(2-8)2.2.2.3集成壓阻式傳感器在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)是可逆的，即在應(yīng)力作用下硅的電阻發(fā)生變化，而當應(yīng)力除去時，硅的電阻又恢復(fù)到原來的數(shù)值。硅的壓阻效應(yīng)因晶體的取向不同而不同。固態(tài)壓阻式傳感器的核心是硅膜片。圖2-10是硅膜片芯體的結(jié)構(gòu)圖。將芯片封接在傳感器的殼體內(nèi)，再聯(lián)接出電極引線就制成了典型的壓阻式傳感器。2.2.2.3集成壓阻式傳感器二、壓敏電阻的型號壓敏電阻的型號由四部分組成，第一部分用字母“M”表示主稱為敏感電阻器。第二部分用字母“Y”表示敏感電阻器為壓敏電阻器。第三部分用字母表示壓敏電阻器的用途的特征。第四部分用數(shù)字表示序號，有的在序號的后面還標有標稱電壓、通流容量或電阻體直徑、電壓誤差、標稱電壓等。例如：MYL1-1（防雷用壓敏電阻器）M——敏感電阻器Y——壓敏電阻器L——防雷用 1-1——序號2.2.2.3集成壓阻式傳感器三、壓敏電阻的應(yīng)用由于壓敏電阻具有頻率響應(yīng)高、體積小、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，所以它在航空、航海、石油、化工、動力機械、兵器工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在機械工業(yè)中，可用于測量冷凍機、空調(diào)機、空氣壓縮機的壓力和氣流流速，以監(jiān)測機器的工作狀態(tài)。在航空工業(yè)上，用來測量飛機發(fā)動機的中心壓力。在兵器工業(yè)上，測量槍炮膛內(nèi)的壓力，也可對爆炸壓力及沖擊波進行測量。2.2.2.4氣敏電阻氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。常用的主要有接觸燃燒式氣體傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器等。2.2.2.5光敏電阻一、工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。它是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，因此，光敏電阻又稱光導(dǎo)管。2.2.2.5光敏電阻二、光敏電阻器型號命名方法光敏電阻器的型號命名分為三個部分，第一部分用字母表示主稱。第二部分用數(shù)字表示用途或特征。第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號。例如：MG45-14（可見光敏電阻器）：M——敏感電阻器；G——光敏電阻器；4——可見光；5-14——序號。2.2.2.5光敏電阻三、光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻可廣泛應(yīng)用于各種光控電路，如對燈光的調(diào)控等場合，也可用于光控開關(guān)。2.3 電容式傳感器電容式傳感器是將被測量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。2.3.1電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理可以平板電容器來說明，如圖2-12所示。當忽略邊緣效應(yīng)時，其電容量與面積、介電常數(shù)成正比，與極距成反比。2.3 電容式傳感器下表2-1列出了幾種常用氣體、液體、固體介質(zhì)的相對介電常數(shù)。2.3.2電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電容傳感器的電容值一般都很小（幾皮法到幾十皮法），這樣微小的電容不便直接顯示、記錄和傳輸，必須借助測量電路將其轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率信號。常用的電容傳感器的測量電路有：電橋電路、調(diào)頻（諧振）電路、脈沖寬度調(diào)制電路和運算放大電路。2.3.3電容傳感器特點電容傳感器主要優(yōu)點是輸人能量小而靈敏度高，電參量相對變化大，動態(tài)特性好，能量損耗小，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。電容傳感器主要缺點是非線性大，電纜分布電容影響大。

一般的解決辦法是利用測量電路，電容轉(zhuǎn)換成電壓變化也是非線性的。因此，輸出與輸人之間的關(guān)系出現(xiàn)較大的非線性。采用差動式結(jié)構(gòu)非線性可以得到適當改善，但不能完全消除。輸出電壓與電容傳感器間隙成線性關(guān)系。2.3.4電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器廣泛應(yīng)用在位移、壓力、流量、液位等的測試中。（一）電容式測厚儀2.3.4電容式傳感器的應(yīng)用（二）電容式轉(zhuǎn)速傳感器2.4電感式傳感器2.4.1工作原理電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)。它是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實現(xiàn)測量的一種裝置。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或線圈互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。2.4.1工作原理電感式傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、分辨力較小（如在測量長度時一般可達0.1um）、示值誤差一般為示值范圍的0.1—0.5%穩(wěn)定性好。它的缺點是頻率響應(yīng)低，不宜用于快速測量。此外，利用電渦流原理的電渦流式傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器，利用平面繞組互感原理的感應(yīng)同步器等，亦屬此類。2.4.1工作原理互感式傳感器的工作原理如圖2-15所示。2.4.2電感計算及特性分析2.4.2電感計算及特性分析螺管型自感傳感器的靈敏度比截面型的更低，但示值范圍大，線性也較好，同時還具備自由行程可任意按排、制造裝配方便等優(yōu)點。

此外。螺管型與截面型相比，批量生產(chǎn)中的互換性好。即截面型傳感器往往要和儀器電箱配合使用，不易互換，而螺管傳感器較能保證其特性大體一致，這對裝配、調(diào)試、使用都帶來方便，尤其在使用兩個（和差測量）或多個（多點測量）傳感器時，這一點更為重要。

由于具有上述優(yōu)點，而靈敏度低的問題可在放大電路方面加以解決，目前螺管型傳感器的應(yīng)用越來越多。2.4.3測量電路和傳感器靈敏度傳感器實現(xiàn)了把被測量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽愿泻突ジ辛康淖兓榱藴y出自感或互感量的變化，同時也為了送入下級電路進行放大和處理，就要用轉(zhuǎn)換電路把自感變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化。把傳感器自感接入不同的轉(zhuǎn)換電路后，原則上可將自感變化摶換成電壓（電流）的幅值、頻率、相位的變化，它們分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。在自感式傳感器中，調(diào)幅電路用得較多，調(diào)頻、調(diào)相電路用得較少。調(diào)幅電路的一種主要形式是交流電橋，另一種是諧振式調(diào)幅電路。2.4.4零點殘余電壓2.4.4零點殘余電壓2.5壓磁式傳感器壓磁式(又稱磁彈式)傳感器是一種力－電轉(zhuǎn)換傳感器。其基本原理是利用某些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。2.5.1壓磁效應(yīng)鐵磁材料具有結(jié)晶體的構(gòu)造，在晶體形成的過程中也就形成了磁疇。各個磁疇的磁化強度矢量是隨機的。在沒有外磁場作用時，各個磁疇互相均衡，材料總的磁化強度為零，當有外磁場作用時，磁疇的磁化強度矢量向外磁場方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，材料呈現(xiàn)磁化。當外磁場很強時，各個磁疇的磁化強度矢量都轉(zhuǎn)向與外磁場平行，這時材料呈現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。如圖2-27所示。2.5.1壓磁效應(yīng)在磁化過程中，各磁疇之間的界限發(fā)生移動，因而產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。鐵磁材料在外力的作用下，引起內(nèi)部發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，使磁疇磁化強度矢量轉(zhuǎn)動，從而也使材料的磁化強度發(fā)生相應(yīng)的變化。這種應(yīng)力使鐵磁材料的磁性質(zhì)變化的現(xiàn)象，稱為壓磁效應(yīng)。2.5.1壓磁效應(yīng)

壓磁式傳感器（又稱為磁彈性傳感器）是由壓磁元件、彈性支架、傳力鋼球組成。如圖所示。2.5.2壓磁傳感器壓磁傳感器結(jié)構(gòu)簡圖2.5.2壓磁傳感器2.5.2壓磁傳感器壓磁元件壓磁式傳感器的核心是壓磁元件，它實際上是一個力—電轉(zhuǎn)換元件。壓磁元件常用的材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。最常用的材料是硅鋼片。為了減小渦流損耗，壓磁元件的鐵心大都采用薄片的鐵磁材料疊合而成。2.5.2壓磁傳感器壓磁元件可采用的材料有硅鋼片、坡莫合金和一些鐵氧體。坡莫合金是理想的壓磁材料，它具有很高的相對靈敏度，但價格較貴。鐵氧體也有很高的相對靈敏度，但由于它較脆而不常采用。在壓磁式傳感感器中大多采用硅鋼片，雖然靈敏度比坡莫合金低一些，但在許多實際應(yīng)用中已經(jīng)可以滿足要求。2.5.2壓磁傳感器壓磁傳感器的應(yīng)用壓磁式傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、過載性能好、結(jié)構(gòu)和電路簡單、能在惡劣環(huán)境下工作、壽命長等一系列優(yōu)點。目前，這種傳感器已成功地用在冶金、礦山、造紙、印刷、運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。例如用來測量軋鋼的軋制力、鋼帶的張力、紙張的張力，吊車提物的自動測量、配料的稱量、金屬切削過程的切削力以及電梯安全保護等。2.5.2壓磁傳感器2.5.3沖片形狀為了減小渦流損耗，壓磁元件的鐵心大都采用薄片的鐵磁材料疊合而成。沖片形狀大致上有四種。①四孔圓弧形沖片②六孔圓弧形沖片③中字形沖片④田字形沖片2.5.4激勵安匝數(shù)的選擇壓磁元件輸出電壓的靈敏度和線性度在很大程度上決定于鐵材料的磁場強度，而磁場強度取決于激勵安匝數(shù)。激勵過小或過大都會產(chǎn)生嚴重的非線性和靈敏度降低，這是因為在壓磁式傳感器中，鐵磁材料的磁化現(xiàn)象不僅與外磁場的作用有關(guān)，還與各個磁疇內(nèi)部磁矩的總和以及外作用力在材料內(nèi)部引起的應(yīng)力有關(guān)。最佳條件是外加作用力所產(chǎn)生的磁能與外磁場及磁疇磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲線（B-H曲線）的線性段，這樣可以獲得較好的靈敏度和線性度。2.6 壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，它具有自發(fā)電和可逆兩種重要特性。2.6.1壓電效應(yīng)與壓電材料某些物質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。2.6.1壓電效應(yīng)與壓電材料常用的壓電材料有：壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作為一種新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應(yīng)用。2.6.2壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式如圖2-30所示。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種：并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。2.6.3壓電式傳感器及其等效電路2.7 磁電式傳感器磁電式傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢而輸出。若以線圈相對磁場運動的速度v或角速度ω表示，則所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e為

(2-54)

式中：l—每匝線圈的平均長度； B—線圈所在磁場的磁感應(yīng)強度； S—每匝線圈的平均截面積.2.8熱電偶式傳感器熱電偶式傳感器是把熱參量（溫度）轉(zhuǎn)換成電量。熱電偶測溫的工作原理是基于熱電效應(yīng)，即兩種不同溫度的金屬線（A、B）在1和2兩端（接點）連接起來構(gòu)成一閉合電路，如圖2-31a.2.8熱電偶式傳感器常用的熱電偶有鉑-銠、鉻鎳合金-鋁鎳合金、鉻鎳合金-考銅等。鉑-銠熱電偶是由貴金屬制成，長時間使用可測量到1300℃，短時間可測量到1500℃；其特點是熱電勢小。但其熱電勢穩(wěn)定性好。鉻鎳合金-鋁鎳合金簡稱為鉻鋁熱電偶，長時間使用溫度上限為900℃，短時間為1100℃，其熱電勢較大。鉻鎳合金-考銅熱電偶，長時間使用可測600℃，短時間可測到800℃，其熱電勢也較大。2.9光電式傳感器2.9.1光電效應(yīng)及光電器件光電傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量。光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。

2.9.1.1外光電效應(yīng)

在光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。光電子逸出時所具有的初始動能Ek與光的頻率有關(guān)，頻率高則動能大。基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于光電發(fā)射型器件，有光電管、光電倍增管等。光電管有真空光電管和充氣光電管。2.9.1.2內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：1、光電導(dǎo)效應(yīng)；2、光生伏特效應(yīng).2.9.2光電式傳感器的形式光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。

按其接收狀態(tài)可分為：1、模擬式光電傳感器；2、脈沖光電傳感器.2.9.2.1模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性,其光通量是隨被測量而變,光電流就成為被測量的函數(shù),故又稱為光電傳感器的函數(shù)運用狀態(tài)光電傳感器。這一類光電傳感器有如下幾種工作方式。1、吸收式；2、反射式；3、遮光式；4、輻射式.2.9.2.2脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”、“斷”的開關(guān)狀態(tài),所以也稱為光電元件的開關(guān)運用狀態(tài)。這類傳感器要求光電元件靈敏度高,而對光電特性的線性要求不高。主要用于零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關(guān)、電子計算機的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報警裝置等方面。2.9.3光電傳感器的應(yīng)用一、煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。二、條形碼掃描筆當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發(fā)光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止狀態(tài)。當遇到白色間隔時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產(chǎn)生光電流而導(dǎo)通。整個條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信號經(jīng)放大、整形后便形成脈沖列，再經(jīng)計算機處理，完成對條形碼信息的識別。三、產(chǎn)品計數(shù)器產(chǎn)品在傳送帶上運行時，不斷地遮擋光源到光電傳感器的光路，使光電脈沖電路產(chǎn)生一個個電脈沖信號。產(chǎn)品每遮光一次，光電傳感器電路便產(chǎn)生一個脈沖信號，因此，輸出的脈沖數(shù)即代表產(chǎn)品的數(shù)目，該脈沖經(jīng)計數(shù)電路計數(shù)并由顯示電路顯示出來。四、光電式煙霧報警器沒有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線直線傳播，光電三極管沒有接收信號。沒有輸出，有煙霧時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線被煙霧顆粒折射，使三極管接受到光線，有信號輸出，發(fā)出報警。五、測量轉(zhuǎn)速在電動機的旋轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，轉(zhuǎn)動時，反射光與不反射光交替出現(xiàn)，光電傳感器相應(yīng)地間斷接收光的反射信號，并輸出間斷的電信號，再經(jīng)放大器及整形電路放大整形輸出方波信號，最后由電子數(shù)字顯示器輸出電機的轉(zhuǎn)速。六、光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝