第十一章传感器基础

第十一章传感器基础本章学习要求：1、掌握传感器的基本概念和分类方法，电阻式、压电式传感器的工作原理及其应用；2、理解其它新型传感器的工作原理及其应用，传感器的选用原则；3、了解传感器后接处理电路，传感器的结构，传感器的发展趋势。温度传感器

（1）国际电工委员会(IEC)的定义：传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。（2）国家标准中的定义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。（3）广义定义：传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件或装置。（4）狭义定义：传感器是将非电信号转换为电信号的器件。1.传感器的定义传感器的定义包括四个方面的内容：（1）传感器是测量装置，能完成检测任务。（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。（3）它的输出是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，目前主要是电量。（4）输出和输入有对应关系，且具有一定的精确度。传感器在工业部门的应用普及率己被国际社会作为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。

2.传感器的重要性(1)人类处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已为全世界公认。(2)传感处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口。(3)科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过传感器转换成容易传输和处理的电信号。(4)科学技术越发达，其自动化程度愈高，对传感器的依赖愈大。人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。传感器则相当于人的五官部分。身体与机器人的对应关系

传感器在机器

人身上的分布

类别检测内容应用目的传感器件明暗觉是否有光，亮度多少判断有无对象，并得到定量结果光敏管、光电断续器色觉对象的色彩及浓度利用颜色识别对象的场合彩色摄影机、滤色器、彩色CCD位置觉物体的位置、角度、距离物体空间位置，判断物体移动光敏阵列、CCD等形状觉物体的外形提取物体轮廓及固有特征，识别物体光敏阵列、CCD等接触觉与对象是否接触，接触的位置决定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径光电传感器、微动开关、薄膜接点、压敏高分子材料压觉对物体的压力、握力、压力分布控制握力，识别握持物，测量物体弹性压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料力觉机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩控制手腕移动，伺服控制，正确完成作业应变片、导电橡胶接近觉对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜控制位置，寻径，安全保障，异常停止光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器滑觉垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器3.传感器的构成

敏感元件(sensingelement)：直接感受被测量，输出与被测量(measured)成确定关系。

转换元件(transfer

element)

：敏感元件的输出就是转换元件的输入，它把输入转换成电路参量。

转换电路(transfer

circuit)：把转换元件输出的电量信号(electricsignal)转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路(circuit)。金属丝电桥电路压力变形变送器电压标准电压敏感元件转换元件转换电路电流标准电流辅助电源4、传感器的基本要求

（1）传感器要有足够的容量—传感器的工作范围或量程足够大，具有一定的过载能力；（2）传感器要与系统匹配性好，灵敏度高—输出量与被测量之间具有确定的线性关系；（3）传感器实用性和适应性强—对被测对象影响小，内部噪声小而又不受干扰；（4）传感器反应速度快，工作可靠性好；（5）传感器精度适当，稳定性好—静态、动态响应要满足要求；（6）结构简单，维修容易，成本低。第二节电阻式传感器(resistancesensor)电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器，可测量位移、加速度、力、压力等各种参数。按工作的原理可分为：变阻器式(电位器式)、电阻应变式传感器两种。

一、变阻器式传感器(rheostatsensor)

(1)工作原理：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。132xxp设：Rp-总电阻；xp-变阻总长；x-电刷移动量式中：

kR

—电位器的电阻灵敏度。如果电源电压为U，则相应电刷位移x的电压输出U0为：式中：

ku—电位器的电压灵敏度。(线性关系)等效电路分析：Rp-总电阻；xp-变阻总长；RL负载电阻；

Rx-x段包含的电阻；x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx演示:变阻器式传感器仿真实验变阻器式传感器仿真(2)变阻器式传感器的优点结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；可以实现输出—输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。(3)变阻器式传感器的缺点存在电刷(brush)与线圈(coil)或电阻膜之间摩擦，因此较大的输入能量；由于磨损(wear)不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。(4)应用案例：玩具机器人原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化角位移测量二、电阻应变式传感器(resistancestrainsensor)电阻应变式传感器简称电阻应变计(resistancestraingage)

，常用来测量位移、压力、加速度等参量。1、电阻应变式传感器特点:

①精度高，测量范围广，能适应各种恶劣环境。②使用寿命长，性能稳定可靠,价格低廉，品种多样；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，可用于静态测量和动态测量。⑤应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布没有影响⑥缺点：大应变状态下有较明显的非线性；输出信号较弱2、电阻应变式传感器工作原理设有一长度为L，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，其电阻为：

取全微分：

是长度相对变化量，用应变表示：

截面积相对变化量为：电阻应变式传感器的工作原理是基于金属导体的形变效应或半导体(semiconductor)的压阻效应。(1)形变效应(distortioneffect)金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的形变效应。(2)压阻效应(piezoresistiveeffect)半导体材料受到应力作用时，其电阻率(resistivity)会发生变化而导致电阻改变，这种现象称为压阻效应。常见金属应变片材料

3、金属电阻应变片应变计敏感元件：金属导体工作原理：形变效应

K=1.7～3.6(1)金属电阻应变片分类：①金属丝式应变片(wirestraingauge)敏感元件：栅状金属丝②金属箔式应变片(foilstraingauge)敏感元件：栅状金属箔片(2)金属电阻应变片的优点：稳定性和温度特性好(3)金属电阻应变片的缺点：灵敏度系数小，通常金属电阻丝的K0=1.7～3.6。应变计应变计应变计（一）金属丝式电阻应变片由敏感栅、引线、基底和履盖层四部分组成。

敏感栅(sensitivegrid)它是应变片的核心部分，是应变片的转换元件。金属丝应变片是用直径0.01-0.05mm的电阻丝(由康铜、铜镍、镍铬、铂银合金、铂钨合金等)盘曲成栅状。

基底(基片)和覆盖层(盖片)基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，覆盖层(盖片)既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。常用的基底材料有纸基、布基和玻璃纤维布基等。

bl电阻丝式敏感栅引线覆盖层(盖片)基底(基片）Lb栅长栅宽

粘接剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。常用的粘接剂分为有机和无机两大类，有机粘接剂用于低温，常温和中温。常用的有聚丙烯酸脂、酚醛树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺等。无机粘接剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐等。

引线它是从应变片的敏感栅引出的细金属线。常用直径约0.1-0.15mm的镀锡铜线或扁带形的其他金属材料制成。对引线材料的性能要求为：电阻率低，电阻温度系数小，抗氧化性能好，易于焊接。b×L称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如：3×20mm2，120Ω。（二）金属箔式电阻应变片主要是敏感栅的制造方法不同金属箔式应变片则是在0.003-0.01mm金属箔上经光刻腐蚀的方法做成栅状，金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。箔式应变片具有如下优点:①可制成多种复杂形状、尺寸更准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②横向效应小；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；⑤生产效率高，便于实现自动化生产。

目前使用的多为金属箔式应变片应变计（一）原理：压阻效应

单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。

4、半导体应变片

（二）材料制造半导体应变片的材料有锗、硅、锑化铟、磷化铟等，常见的半导体式应变片的敏感栅多为锗或硅。压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。主要用于测量压力和加速度等物理量。5、电阻应变式传感器的应用(1)将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。桥梁应力的测定

压力和力的测定(2)应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。挠度与应变情况成正比

应变与振动体的加速度成正比

位移传感器

加速度计

电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。悬臂梁应变式电子秤温度传感器的应用——电熨斗1、电熨斗中的温度传感器对温度的控制：1）达到设定温度后将不再升温；2）使用中温度降低后自动升温到设定温度；3）根据衣物不同设定不同的温度。2、电熨斗中的传感器：双金属片温度传感器3、电熨斗的结构：上层金属片的热膨胀系数大于下层的金属片。作用：控制电路的通断双金属片温度传感器思考：双金属片温度传感器的作用是什么？实验研究：报废的日光灯的启动器，去掉外壳，在充有氖气的玻璃泡内，可以看到一个U形的双金属片(动触片)，其旁边有一根直立的金属丝(静触片)。常温下两触片处于分离，敲碎玻璃泡，用火焰靠近双金属片，其形状发生变化，并与直立的金属丝接触；移走火焰，双金属片恢复原状，两者分开。——相当于一个由温度控制通断的开关电熨斗中的双金属片工作原理根据热胀冷缩，利用两种金属的膨胀性能的不同，常温下两触点接触，电路连通，电热丝加热。升温后双金属片形状发生变化，上层比下层膨胀大，双金属片向下弯曲，两触点处于分离，电路断开，电热丝停止加热。这样不断循环，实现自动控制温度的目的。常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？电熨斗中的双金属片工作原理熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？根据衣物的不同，调节调温旋钮，使升降螺丝上下移动，带动弹性铜片的升降，从而改变了两触点接触的难易程度，实现控制温度不同的目的。温度传感器的应用——电饭锅1、电饭锅中的温度传感器：主要元件是感温铁氧体2、感温铁氧体是用氧化锰MnO2、氧化锌ZnO和氧化铁Fe2O3粉末混合烧结而成，特点是常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引；升温后，约达103℃

(称为居里温度或居里点)时，就会失去磁性，不能被磁体吸引。3、电饭锅的结构：1、开始煮饭时，用手压下开关按钮，利用感磁体常温下的铁磁性，可知永磁体与感温磁体将相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，即触点连通。2、水沸腾后，锅内保持100℃不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，锅内大致保持100℃不变。3、饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热。当温度降低后，再次感温磁体与永磁体相吸，继续加热······电饭锅中的感温磁体工作原理请问生活中能用电饭锅烧开水吗？思考与讨论

如果用电饭锅烧水，水沸腾后，锅内保持1000C不变，温度低于“居里点1030C”，电饭锅不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到大约1030C时才能自动断电。第五节压电式传感器(piezoelectric

sensor)

一、压电效应(piezoelectric

effect)

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。1、正压电效应正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷量将保持不变。这时在极板上积聚的电荷与力的关系为

：式中，q为电荷量；F为作用力(N)；D为压电常数(C/N)，与材质及切片的方向有关。2、逆压电效应逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变器可用于电声和超声工程。

常见的压电材料可分为两类：即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。

压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等);

多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷(piezoelectric

ceramics)、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。天然形成的石英晶体外形压电陶瓷外形压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力压电式传声器

金属膜片与双压电晶体弯曲梁相连，膜片受到声压作用而变形时，双压电元件也产生变形，在压电元件梁端面产生电荷。通过变换电路可以输出电信号。第七节热电式传感器

温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。这一宏观特性用温度表示即一切互为热平衡的系统具有相同的温度。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关。温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。

温度的测量方法通常分为两大类，即接触式测温法和非接触式测温法。1、接触式测温法接触式测温是使被测物体与温度计的感温元件直接接触，使其温度相同，便可以得到被测物体的温度。接触式测温时，由于温度计的感温元件与被测物体相接触，吸收被测物体的热量，往往容易使被测物体的热平衡受到破坏。所以，对感温元件的结构要求苛刻，这是接触法测温的缺点，因此不适于小物体的温度测量。2、非接触式测温法非接触式测温是温度计的感温元件不直接与被测物体相接触，而是利用物体的热辐射原理得到被测物体的温度。

非接触法测温时，温度计的感温元件与被测物体有一定的距离，是靠接收被测物体的辐射能实现测温，所以不会破坏被测物体的热平衡状态，具有较好的动态响应，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。但非接触测量的精度较低。红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计用于人体额温测量按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。

超低温一般是指0～10K；

低温指10～800K；

中温指800～1900K；

高温指1900～2800K的温度；

超高温2800K以上的温度。二、热电偶温度计1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。热电偶工作原理演示

结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应．1、热电效应由A、B两种不同的导体两端相互紧密地接在一起，组成一个闭合回路。当1、2两接点的温度不等（T>T0

）时，回路中就会产生电势，从而形成电流，这一现象称为温差电效应，通常称为热电效应。相应的热电势称为温差电势，通常称为热电势。接点1称为工作端或热端(T)，测量时，将其置于被测的温度场中。接点2称为自由端或冷端（T0），测量时，其温度应保持恒定。

八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6

R:铂铑13—铂S:铂铑10—铂K:镍铬—镍硅

N:镍铬硅—镍硅E:镍铬—铜镍J:铁—铜镍T:铜—铜镍

几种常用热电偶的测温范围及热电势

分度号

名称

测量温度范围

1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?热电偶的分度表

——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。

直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。下页附录列出了工业中常用的镍铬-镍硅（K）热电偶的分度表。K热电偶

的分度表

比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？普通装配型

热电偶外形安装螺纹安装法兰演示：热电偶结构接线盒引出线套管

固定螺纹

（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）

不锈钢保护管

6、热电偶分类

普通热电偶：普通热电偶主要用于测量液体和气体的温度。铠装热电偶：也称缆式热电偶，其特点是测量结热容量小、热惯性小、动态响应快、挠性好、强度高、抗震性好，适于用普通热电偶不能测量的空间温度。

薄膜热电偶：用于测量固体表面小面积瞬时变化的温度。其特点是热容量小、时间常数小、反应速度快。并联热电偶：它是把几个同一型号的热电偶的同性电极参考端并联在一起，而各个热电偶的测量结处于不同温度下，其输出电动势为各热电偶热电动势的平均值，所以这种热电偶可用于测量平均温度。

串联热电偶：这种热电偶又称热电堆，它是把若干个同一型号的热电偶串联在一起，所有测量端处于同一温度丁之下，所有连接点处于另一温度之下，输出电动势是每个热电动势之和。三、热电阻温度计热电阻温度计是利用金属导体或半导体的感温电阻，把温度的变化转换成电阻值变化的传感器。与电位器和应变片不同，热电阻和热敏电阻正是利用电阻率的温度系数，随温度的变化而变化的特点而工作的。

热电阻温度计被广泛地用于低温及中温（-200～500℃）范围内的温度测量，随着科技的发展，目前应用范围已扩展到1～5K的超低温领域。同时，在1000～1200℃的高温范围内，也具有较好特性。纯金属有正的温度系数，温度每升高1℃,电阻约增加0.4～0.6%，而半导体电阻率却随温度升高而减少，即有负的电阻温度系数。在20℃时，温度每变化1℃，电阻率却要变化约-2%～-6%，它们都可用来制造热电阻或热敏电阻。

1.金属电阻温度计对于绝大多数金属，电阻随温度升高而增大的特性方程为:式中：Rt,Rt0—分别为热电阻在t℃和t0℃时的电阻值；a1,a2,......,an—热电阻的温度系数（1/℃）。

温度系数ai在一定的温度范围内，可以近似认为为一个常数，不同的金属导体，ai取值的范围不同。通常情况下，它是温度的函数。2.铂热电阻温度计铂丝在0℃以上，其电阻值与温度之间具有较好的线性度。当t=0～850℃时，铂丝的电阻值与温度之间的关系为:当t=-200～0℃时，铂丝的电阻值与温度之间的关系为:式中：A,B,C为常数.PT100,CU50热电阻,K,E型热电偶分度表Rt—温度为t时的阻值；R0—温度为0℃时的阻值；3.铜热电阻温度计铜热电阻的阻值和温度的关系为:

由此可见，铜热电阻的线性主要取决于温度t0时的电阻温度系数a0。所以其线性较好。4.半导体热敏电阻温度计半导体热敏电阻与金属热电阻比较，有如下优点:(1)电阻温度系数大，灵敏度高，可测量微小的温度变化值。例如，可以测出0.001℃—0.005℃的温度变化。(2)体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时间可短到毫秒级。(3)元件本身的电阻值可达3—700kΩ，当远距离测量时，导线电阻的影响可不考虑。(4)在-50℃—350℃时的温度范围内，具有较好的稳定性。由于半导体热敏电阻比金属热电阻具有更高的电阻温度系数，所以它有较高的灵敏度。同时，具有较好的动态特性。半导体热敏电阻包括正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）、临界温度系数（CTR）热敏电阻等几类。正温度系数（PTC）：最高温度<140℃

电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。负温度系数（NTC）：温度范围：（-50～300℃）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。热敏电阻式温度传感器多数属于此类。临界温度系数（CTR）：不适合宽度范围温度测量。该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。温度特性是热敏电阻的基本特性，反映了其阻值与温度之间关系这一基本性质。NTC热敏电阻与温度之间的关系近似符合指数函数规律，即:负温度系数NTC热敏电阻的温度特性:式中：T—被测温度（K）；T0—参考温度（K）；RT,R0—温度分别为T和T0时的热敏电阻值；B—热敏电阻的材料常数，通常可由实验获得，一般B=2000－6000K，在高温下使用时，B值将增大。NTC单晶金刚石、Ge、Si金刚石热敏电阻多晶迁移金属氧化物复合烧结体

、无缺陷形金属氧化烧结体多结晶单体

、固溶体形多结晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物烧结体、ZrY氧化物烧结体、还原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物溅射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有机物芳香族化合物聚酰亚釉表面活性添加剂液体电解质溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系热电特性的一个重要指标是热敏电阻的温度系数，即热敏电阻在其本身温度变化1℃时电阻值的相对变化量，用aT表示。

热敏电阻的温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度较高。应用温控器热敏电阻光电传感器(photoelectric

sensor)通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应(photoelectric

effect)。

1905年德国－美国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

第八节光电传感器

超市收银台用激光扫描器检测商品的条形码是利用光电传感器检测原理.激光扫描器发出激光并被条形码反射

在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外光电效应。光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材料具有不同频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”。

由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。1、外光电效应(external

photoelectric

effect)

基于外光电效应的光电器件属于光电发射(photoemission)型器件，有光电管、光电倍增管等。光电管有真空光电管(photoelectric

tube)和充气光电管。真空光电管工作原理光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料(如铯Cs)。当光线照射到光敏材料(阴极)上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流（光电流）。若在外电路串入一定阻值的电阻，则在该电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现光电转换。

K为光电阴极,A为光电阳极,在二者之间又加入D1、D2、D3…等若干个光电倍增极(又称二次发射极),这些倍增极涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物质。在工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射;由第一倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的D2极作用下,又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射…,这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。光电倍增管(photomultiplier)工作原理

K受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化(即电阻值发生改变)或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。（1）光电导效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管(又称光电二极管)、光敏三极管(光电导结型)。

2、内光电效应(internalphotoelectriceffect)

①光敏电阻(光导管)：光敏电阻(photosensitive

resistance)是一种电阻元件，具有灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽,机械强度高，耐冲击和振动，寿命长等优点。下图为光敏电阻的工作原理图。在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时,电阻率变小。光敏电阻

②光敏二极管(photosensitive

diode)和光敏三极管(photosensitivetransistor)光敏二极管光敏二极管的PN结具有单向导电性，工作时应加上反向电压。当无光照时，反向电阻很大，反向电流很小，只有很微弱的暗电流，此时相当于光敏二极管截止。当有光照射时，反向电阻降低，反向电流大大增加，形成光电流。光照越强，光电流越大大。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号。从而实现光电功能转换。

(2)光生伏特效应(photovoltaic

effect)：是指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池(photocell)是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。3、光电式传感器的应用

光电式传感器可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检验能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。被测量光信号电压或电流光电元件被测物体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度，对气体进行成分分析，测定液体中某种物质的含量，测量厚度等。分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。(1)模拟式光电传感器光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、反射式、遮光式、辐射式四种基本形式。打开穿透式测厚仪原理-光电式演示恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。

光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即

:n=60f/Z式中：n—转速

f—脉冲频率

Z—圆盘开孔数。案例8、光电测速方案一方案二问题：旋转机械测量转速有何意义？被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。第十节其他传感器一、气敏电阻传感器

气敏传感器是一种化学型传感器，将检测到的气体成份和浓度后，发生化学反应，然后转换为电信号的传感器。可用于化工生产中气体成份的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏；火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器气敏传感器的种类较多，主要包括有: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，以及检测气体成分的气体成分传感器。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广。半导体气敏传感器大体上可分为两类:电阻式和非电阻式。电阻式半导体气敏传感器工作原理

电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，发生还原反应，放出热量，使元件温度增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。二、CCD图象传感器(image

sensor)

电荷耦合器(CCD：chargecoupleddevice)分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电效应的基本原理。CCD传感器用于非电量的测量，主要用途大致归纳为以下三个方面：(1)组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。

(2)作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术等方面。

(3)作自动流水线装置中的敏感器件，例加可用于机床、自动售货机、自动搬运车以自动监视装置等方面。三、热辐射检测传感器

绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅考虑黑体(blackbody)也称全辐射体的辐射能和波长的关系，即辐射辉度L(λ，T)。根据普朗克辐射定律有以下表达式：

式中T为物体的温度(K)，λ是热辐射波长(m)，C1,C2为普朗克第1、第2常数。应用：

冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。四、超声波检测传感器

当试件受外力或内应力作用时，缺陷处或结构异常部位因应力集中而产生塑性变形，其储存能量的一部分以弹性应力波的形式释放出来，这种现象叫声发射。利用声发射信号来对材料或构件缺陷进行预报、判断和评价。声发射应用范围很广，比较成功的应用主要是压力容器的安全评价。此外，声发射技术还用作绝大部分金属或非金属材料性能研究，设备工况监视、地下管道泄漏探测等。

1、声波及其分类(1)次声波infrasonicwave:振动频率低于20Hz的机械波次声波人耳听不到，但可与人体器官发生共振，7~8Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。(2)声波acousticwave:振动频率在20Hz-20KHz之间的机械波

美妙的音乐可使人陶醉。(3)超声波ultrasonic:高于20KHz的机械波蝙蝠能发出和听见超声波。蝙蝠依靠超声波捕食超声波与声波不同，它可以被聚焦，具有能量集中的特点。

超声波雾化器

超声波加湿器2、超声波的物理性质超声波与一般声波比较，振动频率高，波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。3、超声波传感器的类型

以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器(实现电能和声能相互转换)。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器(或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。(1)压电式超声波传感器压电材料置于电场之中，它就产生一定的应变，产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应；相反，对这种材料施以外力，则会在表面上产生符号相反的电荷（内部形成一定方向的电场），是正压电效应

。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f。的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。(2)磁致式超声波传感器磁致式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是：把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波，这是磁致伸缩效应。其接收原理是：当超声波作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，从而引起磁导率的改变，磁阻也相应发生变化，这是压磁效应。继而引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。4、超声波传感器的应用

利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域。超声波探伤起始波缺陷反射波底波工件缺陷叠放高度测量

胎儿的

B超影像超声波在医学

检查中的应用图所示为用超声波传感器(或称超声波探头)测厚的工作原理，主控制器控制发射电路，按一定频率发射出脉冲信号，此信号经过放大后，一方面加于示波器上，另一方面激励探头，发出超声波，至试件底面反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入示波器，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号，根据横轴上的标记信号，可以测出从发射到接收的时间间隔t,如果已知超声波在试件中的传播速度c，那么试件厚度h很容易求得,即h=ct/2。

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五、湿度传感器湿度传感器(湿度计：hygrometer)是利用湿敏元件进行湿度测量和控制的。湿敏元件利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理而制成的。分类：氯化锂湿敏元件、半导体陶瓷湿敏元件、热敏电阻湿敏元件、高分子膜湿敏元件等。高分子膜湿度传感器工作原理

高分子膜湿度传感器是以随高分子膜吸收或放出水份而引起电导率或电容变化测量环境相对湿度的装置。六、水份传感器

水份是存在于物质中水的数量，以百分比表示。该项指标是掌握物质保存状态和质量管理的指标。水份传感器是将水份量(即含水量)转换成电信号进行测定和表示的传感器。分类：水份传感器(水份计)有直流电阻型、高频电阻型、电容率型、气体介质型、近红外型、中子型和核磁共振型等，可根据被测物质的种类、使用目的选用。七、光纤传感器(optical

fiber

sensor)

由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。(1)信号的转换环节：将被测参数转换成为便于传输的光信号。(2)信号的传输环节：利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。(3)信号的接收与处理环节：将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。

光纤的全反射物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素，如温度、压力、电场、磁场等等改变时，其传光特性改变，如相位与光强，会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器。1）物性型光纤传感器光纤传感器分为物性型传感器(或功能型functional

fiber

sensor)与结构型传感器(或非功能型nonfunctional

fiber

sensor)两类。光纤传感器的分类：图(a)所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转;图(b)所示为光纤在点压力作用下，"引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。

光纤流速传感器由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化。其振主幅的变化与流速成正比。

结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。多普勒频率△f与被测物体运动速度ν成比例变化关系，从频率分检器中测得△f后，即可得到物体的运动速度。2）结构型光纤传感器光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特别适应:(1)在高压、电磁感应噪音条件下的测试；(2)在危险和环境恶劣条件下的测试；(3)在机器设备内部的狭小间隙中的测试；(4)在远距离的传输中的测试。以光纤传感器为核心的远距离测试系统在过程检测和控制系统中的应用已成为当前的重点研究课题。八、激光(laser)检测技术当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射（或反射）的光的频率将发生改变，这种现象称为多普勒效应(Doppler

effect)。相应地，将散射（或反射）的光的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。

多普勒频移：

V：反射表面运动速度；λ：光源光波波长；θ：物体运动速度方向与激光传播方向夹角。由激光器发射出的单色平行光，经透镜聚集到被测流体内。由于流体中存在着运动粒子，一些光被散射，散射光与未散射光之间产生频移，它与流体速度成正比。图中散射光由透镜收集，未散射光由透镜收集，最后在光电倍增管中进行混频后输出交流信号。该信号输入到频率跟踪器内进处理，获得与多普勒频移相应的模拟信号，从测得的值可得到粒子运动速度，从而获得流体流速。

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九、核辐射检测技术核辐射检测技术是利用放射性同位素所发射的α、β、γ等射线与被测物质的作用，如反散、吸收、电离或使物质激发而射出新的射线（如X射线），若测得电离程度或接收反射后射线的强度及X射线的能谱和强度等，即可得到与被测物有关的物理量。

核辐射检测系统一般有产生射线的放射源，检测与物质作用前后射线强度变化的探测器，对探测器输出信号进行加工处理的测量电路和显示装置。核辐射检测是基于以下原理工作：1．利用放射源的标记作用将放射源放在被测物体上，若放射源和核辐射探测器间的距离变化，将使探测器接收的射线强度发生变化，根据射线强度变化可确定被测物的位置和运动情况。利用这一原理可测线位移、角位移、液位、流量和转速等参数。2．利用被测物质与核辐射的相互作用

核辐射与被测物质有多种效应。利用射线的透射效应或荧光效应能测物体厚度、流体密度和温度、线位移和角位移等；用α、β射线的电离效应可测量位移、气体压力和速度等；用中子和物质的相互作用测厚度、液位、温度和流速等。

3．射线摄影术

γ射线照射到被测物体，经物体透射后的射线照射到底片上，进行射线摄影。材料缺陷状况能在底片的对比度中反映出来。4．利用穆斯鲍尔效应

穆斯鲍尔效应，即原子核对低能γ射线的无反冲共振吸收或共振发射现象。利用该效应可进行位移、速度、加速度、温度、应力的测量以及材料检测等。十、生物传感器

生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一个交叉学科。用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器（biosensor）。

生物传感器与传统的各种物理传感器和化学传感器的最大区别，在于生物传感器的感受器中含有生命物质。例如，将一定的植物细胞或动物细胞作为感觉器，可以制成各种细胞传感器；用生物组织作感受器可制成组织传感器（或称为组织电极）；将一些特定的细胞器从细胞里分离出来作为感受器，可制成细胞器传感器；将微生物作为感受器可制成生物传感器；而将生物分子如蛋白质、核酸等作为感受器，更成为当代生物传感器发展的主流。生物传感器由分子识别部分（敏感元件）和转换部分（换能器）构成，以分子识别部分去识别被测目标，是可以引起某种物理变化或化学变化的主要功能元件。分子识别部分是生物传感器选择性测定的基础。生物体中能够选择性地分辩特定物质的物质有酶、抗体、组织、细胞等。这些分子识别功能物质通过识别过程可与被测目标结合成复合物，如抗体和抗原的结合，酶与基质的结合。在设计生物传感器时，选择适合于测定对象的识别功能物质，是极为重要的前提。要考虑到所产生的复合物的特性。根据分子识别功能物质制备的敏感元件所引起的化学变化或物理变化，去选择换能器，是研制高质量生物传感器的另一重要环节。敏感元件中光、热、化学物质的生成或消耗等会产生相应的变化量。根据这些变化量，可以选择适当的换能器。生物传感器主要有下面两种分类命名方式1．根据生物传感器中分子识别元件即敏感元件可分为五类：酶传感器（enzymesensor），微生物传感器（microbialsensor），细胞传感器（organallsensor），组织传感器（tis-suesensor）和免疫传感器（immunolsensor）。显而易见，所应用的敏感材料依次为酶、微生物个体、细胞器、动植物组织、抗原和抗体。2．根据生物传感器的换能器即信号转换器分类有：生物电极（bioelectrode）传感器，半导体生物传感器（semiconductbiosensor），光生物传感器（opticalbiosensor），