其它类型传感器

其他类型的传感器1.磁电式传感器2.磁敏式传感器3.气敏传感器4.光电传感器5.光纤传感器6.超声波传感器7.生物传感器1.磁电式传感器工作原理:电磁感应原理磁电式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成感应电动势的一种传感器。

当穿过线圈的磁通Φ发生变化时,线圈中感应产生电动势为

感应电动势e取决于线圈匝数W和磁通Φ变化率,而磁通Φ又与磁场强度、磁路磁阻以及线圈相对于磁场的运动速度有关。磁电式传感器可分为动圈式、动铁式和磁阻式三类。

动圈式磁电式传感器分为线速度型与角速度型，一般包括两个部分：

1.磁路系统。固定部分

2.线圈。运动部分线速度型角速度型W：线圈匝数B：磁感应强度L：单匝线圈有效长度V：线圈与磁场相对速度Θ：线圈运动与磁场方向夹角k：结构系数A：单匝线圈的截面积Ω：角速度开磁路变磁通式：线圈、磁铁静止不动，测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿，齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速与测量齿轮上齿数的乘积。这种传感器结构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。磁电式传感器等效电路当测量电路接入磁电传感器电路时，磁电传感器的输出电压UL为式中：

RL——测量电路输入电阻；

Z0——线圈等效阻抗；

Cc——电缆分布电容。磁电式传感器输出功率大，且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），可用来测速度、转速、振动、偏心量等。2.磁敏式传感器工作原理:将磁场变化转换成电量输出。霍耳磁敏传感器磁敏电阻磁敏二极管和磁敏三极管一、霍耳磁敏传感器

（一）霍耳效应

通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效应原理图VH半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应cdab（二）霍耳磁敏传感器工作原理设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。在霍尔片的x方向上通过控制电流I，设电子以均匀的速度v运动，则在z轴垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力，使得霍尔片y轴上产生电位差

kH：霍尔系数B：磁感应强度α：电流与磁场方向夹角H图2.6-4霍耳器件符号AAABBBCCCDDD电流端子A、B为器件电流端、控制电流端或输入电流端。霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻RL；霍耳电流IH。

图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载RL,RL一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHRLVBIcEIH霍耳器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。

~,利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。典型应用霍耳开关集成传感器3020T输出VoutR=2kΩ+12V123（b）应用电路（a）外型

霍耳开关集成传感器的外型及应用电路123点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等霍耳开关集成传感器的应用领域

二、磁敏电阻

是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）

磁阻效应

若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。（二）磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。3.气敏式传感器工作原理:利用材料的物理和化学性质受气体作用后发生变化的原理。可用于气体检漏、气体浓度检测、气体成分检测、事故报警、机器嗅觉等。半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元件。它是利用加热条件下SnO2薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。继而又发现在SnO2烧结体中添加Pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。

种类敏感气体种类的气敏传感器敏感气体量的真空度气敏传感器检测气体成分的气体成分传感器

分类电阻式非电阻式

气敏电阻：可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。

气敏电阻主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。一、还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。

酒精测试仪家庭用煤气报警器甲烷传感器一氧化碳传感器二、氧气浓度气体传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路氧浓度传感器汽车尾气分析半导体气敏元件按用途的应用分类（1）检漏仪或称探测器它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气-电转换元件，配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。

（2）报警器这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。

（3）自动控制仪器它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。

（4）测试仪器它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体种类和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配以高精度测量电路。

4.光电式传感器工作原理:光电效应光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1、外光电效应

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。2、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：

（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。（2）

光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。

1、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。2、光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。光电池的示意图+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图PN3、光敏二极管和光敏三极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。PN光光敏二极管符号RL

光PN光敏二极管接线

光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光电转速传感器2312

31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图

图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。测速也可以采用反射式：只要用白纸画上黑道的圆纸贴在旋转体上即可。其测量电路与透射式相同门窗防盗控制自动扶梯自动启停其他应用——对射式光电开关汽车通过检测汽车喷涂控制鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制对射式光电开关围墙监护警戒库房卫士安全警戒斜度检测扩散反射式光电开关裂缝检测镜面反射式光电开关透明玻璃瓶检测长度控制限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD(ChargeTransferDevice),最常用的是电荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。CCD自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。光固态图象传感器1．CCD的结构和基本原理P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2Ф3输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2

CCD的MOS结构

CCD是由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。

当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

2.读出移位寄存器。读出移位过程是电荷定向转移过程。电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。P1，P2，P3组成耦合单元，分别施加脉冲波Φ1Φ2Φ3。P1P1P2P2P3P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3Ф(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30图7-20工件尺寸测量系统

尺寸测量CCD应用举例图7-21钞票检查系统原理图物体缺陷检测光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。光纤传感器则以光学测量为基础。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。

①电绝缘性能好。

②抗电磁干扰能力强。

③非侵入性。

④高灵敏度。

⑤容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量5.光纤传感器

光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的变化来测量它所受环境的变化，即用被测量的变化调制波导中的光波，使光纤中的光波参量随被测量而变化，从而得到被测信号大小。光的全反射实验一、光纤导波光学基础

（一）光纤的导波原理光纤由导光的纤芯、包层、套层构成。光纤传光的基础是光的全内反射。图7-25光纤的结构及传光原理

二、光纤传感器光纤传感技术是伴随着光通讯技术的发展而逐步形成的。在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振态、波长（颜色）等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，所以又称传感型或物性型光纤传感器。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以又称为传光型或结构型光纤传感器。光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振态调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器。光纤传感器按被测对象不同又可分为光纤温度传感器，光纤压力、振动传感器，光纤位移传感器，光纤角速度传感器，光纤应变、弯曲传感器，光纤速度、流速传感器，光纤加速度传感器，光纤磁场传感器，光纤电压、电流传感器，光纤电磁场传感器，光纤光谱传感器，光纤放射线传感器，光纤图像传感器等。传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度