传感器的工作原理

 传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和新技术密集型前沿技术，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，是自动检测和自动控制技术*的重要组成部分。目前，传感器技术已成为我国国民*的支柱产业的一部分。传感器在工业部门的应用普及率己被社会作为衡量一个智能化、数字化、网络化的重要标志。

      传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置&mash;&mash;传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼&lquo;大脑发达、五官不灵&rquo;。从八十年代起，逐步在范围内掀起了一股&lquo;传感器热&rquo;。 美国早在80年代就声称已进入传感器时代，则把传感器技术列为技术之创立。工商界人士声称&lquo;支配了传感器技术就能够支配新时代&rquo;。技术发达对开发传感器技术部十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为重点开发关键技术。美国长期和繁荣至关重要的22项技术中有６项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统势至关重要的关键技术，其中８项为无源传感器。美国*2000年举出15项有助于提21世纪*能力关键技术，传感器技术名列。对开发和利用传感器技术相当重视并列为重点发展６大核心技术。科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关。美国早在80年代初就成立了技术小组（BTG），帮助组织和*各大公司与企事业部门的传感器技术开发工作。 

      美国*将传感器技术视为今年20项关键技术，把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为６大核心枝术，德国视军yong传感器为先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。

      正是由于各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，在近十几年来其产量及需求年增长率均在10％以上。目前上从事传感器研制单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和厂家1000余家，有800余家。

1.电阻传感器

      ① 电阻式传感器介绍
      电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转化成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。根据传感器组成材料变化或传感器原理变化，产生了各种各样的电阻式传感器，主要包括应变式传感器及压阻式传感器。

      电阻传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度和温度等非电量参数。电阻式传感器结构简单，，灵敏度较，有的还可用于动态测量。

     ② 常见应变片材料

      ③ 应用注意事项 
      (1) 应变极限 随应变加大，应变器件输出的非线性加大，一般将误差达到10%时对应的应变，作为应变器件的应变极限。 
      (2) 机械滞后 敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都会存在残余变形，造成应变器件的机械滞后。 
      (3) 零漂和蠕变 在恒定温度，无机械应变时，应变器件阻值随时间变化的特性，称为零漂；在恒定温度、恒定应变时，应变器件阻值随时间变化的特性，称为蠕变。 
      (4) 零漂和蠕变的原因 应变器件制造过程中产生的内应力；在一定温度和载荷条件下电阻丝材料、胶粘剂和底基内部结构的变化。 
      (5) 绝缘电阻 粘在试件上的应变器件的引出线与试件之间的电阻通常绝缘电阻为50-100M，在长时间测量时要求大于100M，甚至达到10G。 
      (6) zui大工作电流 应变器件正常工作允许通过的zui大电流。通常静态测量时为 25 mA，动态测量时为 75-100mA。工作电流过大会导致应变器件过热、灵敏度变化、零漂和蠕变增加，甚至烧毁。 
      (7) 温度影响 由温度变化导致的应变器件电阻变化与由应变引起的电阻变化往往有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿。

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2.电感传感器

① 电感式传感器介绍
      电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。
      电感式传感器有结构简单, 工作, 测量精度, 零点稳定, 输出功率较大等一系列点, 其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约, 传感器自身频率响应, 不适用于速动态测量。
      电感式传感器种类很多，常见的有自感式传感器，互感式传感器和电涡流式传感器三种。


② 电感式传感器的应用 
      电感传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被采用。它主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。其应用范围主要包括：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。 
      电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链 输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区 分、厚度检测和位置控制等。

③ 三种常用电感传感器
2.1 变磁阻式传感器
      M. Faraay 电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化时，该电liu产生的磁通Φ也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势e，这种现象称之为自感。产生的感应电势称为自感电势。
      变磁阻式传感器的结构如图3.1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为&elta;，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度&elta;发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

      特点：变磁阻式传感器有很的灵敏度，这样对待测信号的放大倍数要求。但是受气隙&elta;宽度的影响，该类传感器的测量范围很小。

2.2 差动变压器式传感器
      把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 
差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。变隙式传感器的结构原理如图3.2所示。

      图3.2中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b，分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。

2.3 电涡流式传感器
      金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡一样在导体转圈，这种现象称为涡流效应。电涡流式传感器结构示意图如图3.3所示。
      根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。

④ 电感式传感器的缺点
      电感式传感器的主要点是： 
      (1) 结构简单，；
      (2) 灵敏度，zui分辨力达0.1μm ；
      (3) 测量度，输出线性度可达±0.1% ；
      (4) 输出功率较大，在某些情况下可不经放大，直接接二次仪表。 
      其缺点是：
      (1) 传感器本身的频率响应不，不适于速动态测量；
      (2) 对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较;
      (3) 传感器分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力，反之则。

⑤ 使用注意事项
      (1) 方案选择 
      在选择方案之前应先弄清给定的技术指标，如示值范围、示值误差、分辨力、重复性误差、时漂、温漂、使用环境等。
      (2) 铁心材料的选择
      铁心材料选择的主要依据是要有较的导磁系数，较的饱和磁感应强度和较小的磁滞损耗，剩磁 和矫顽磁力 都要小。另外，还要求电阻率大，居里点温度，磁，便于加工等。常用导磁材料有铁氧体、铁镍合金、硅钢片和纯铁。
      (3) 电源频率的选择
      提电源频率有下列点：能提线圈的因数；灵敏度有一定的提；适当提频率还有利于放大器的设计。但是，过的电源频率也会带来缺点，如铁心涡流损耗增加；导线的集肤效应等会使灵敏度减；增加寄生电容（包括线圈匝间电容）以及外界干扰的影响。

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3.热电传感器
① 热电式传感器介绍
      热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。按照测温方法的不同，热电式传感器分为接触式和非接触式两大类。 

② 热电式传感器应用
      热电传感器主要应用于对温度的检测，应用于冶金，锻造，化工，电子，环境监测，温控等领域。 

③ 热电式传感器分类
3.1 接触式热电传感器
3.1.1 热电偶温度传感器
      热电偶温度传感器的工作原理基于材料的热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，在该回路中就会产生电动势。如图1所示

      热偶式传感器的影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关，两热电极相同时，总电动势为0，两接点温度相同时，总电动势为0。对于已选定的热电偶，当参考端温度t0恒定时，e(t0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系，即 ：

      可见，只要测出e（T,T0）的大小，就能被测温度t，这就是利用热电偶测温的原理。表1为常用的电偶材料搭配及性能指标。

      热电偶式传感器的缺点:体积大，灵敏度。 
      热电偶式传感器的点:寿命长，能力好，测温范围宽。

3.1.2 热电阻温度传感器
      热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。目前zui常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。典型的热阻式传感器如图2所示。表2给出了铜热电阻的分度表。

      热电阻式温度传感器的点:电阻温度系数大，灵敏度；电阻率，热惯性小；结构简单。
      热电阻式温度传感器的缺点:阻值与温度变化呈非线性；稳定性和互换性差。

3.2 非接触式电热传感器
      非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关,当选择合适的接收检测装置时,便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号,实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电温传感器、红外辐射温度传感器、光纤温传感器等。测量范围600&mash;6000度。 红外辐射温度传感器如图3所示。

④ 应用中注意事项
      选择温度传感器比选择其它类型的传感器所需要考虑的内容更多。先，必须选择传感器的结构，使敏感元件的规定的测量时间之内达到所测流体或被测表面的温度。温度传感器的输出仅仅是敏感元件的温度。实际上，要确保传感器指示的温度即为所测对象的温度，常常是很困难的。 在大多数情况下，对温度传感器的选用，需考虑以下几个方面的问题：
      (1) 被测对象的温度是否需记录、和自动控制，是否需要远距离测量和传送。
      (2) 测温范围的大小和精度要求。
      (3) 测温元件大小是否适当。
      (4) 在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。
      (5) 被测对象的环境条件对测温元件是否有损害。
      (6) 如保，使用是否方便。 

      温度传感器的选择主要是根据测量范围。当测量范围预计在总量程之内，可选用铂电阻传感器。较窄的量程通常要求传感器必须有相当的基本电阻，以便获得足够大的电阻变化。热敏电阻所提供的足够大的电阻变化使得这些敏感元件非常适用于窄的测量范围。如果测量范围相当大时，热电偶更适用。将冰点也包括在此范围内，因为热电偶的分度表是以此温度为基准的。已知范围内的传感器线性也可作为选择传感器的附加条件。

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4.谐振传感器

① 谐振传感器介绍
      谐振式传感器是直接将被测量的变化转换为物体谐振特性变化的装置，其工作原理基于谐振技术，利用谐振子的振动频率、相位和幅值作为敏感参数，达到对压力，位移，密度等被测参数的测量。

      以机械式谐振传感器为例，振子的谐振频率 可近似用下式表示：

      式中：──振子材料的刚度；──振子的等效振动。可见，振子的谐振频率与其刚度和等效振动有关。设其初始谐振频率为，当振子受力或其中的介质等发生变化时，振子的等效刚度或等效振动会发生变化，从而使其谐振频率发生变化。
      要使振子产生振动，就要外加激振力(激振元件)，要测量振子的振动频率则需要拾振元件。由激振元件激发振子振动，由拾振元件检测振子的振动频率，另外将此信号经放大后输送到激振元件中形成闭环系统，以维持振子持续振动。图1给出了谐振传感器的基本结构图：

      图1中，由ERD组成的电&mash;机&mash;电谐振子环节，是谐振式传感器的核心；由ERDA组成的闭环自激环节，是构成谐振式传感器的条件；由RDO(C)组成的信号检测、输出环节，是实现检测被测量的手段。

② 谐振式传感器的应用
      谐振式传感器因输出为频率信号而有精度、分辨率、能力、适于长距离传输、能直接与数字设备相连接的点；又因无活动部件而有稳定性和性，并可能制造出精度极的传感器(目前可以做到精度超过万分)。它的缺点是，要求材料较，加工工艺复杂，所以周期长，成本较；另外，其输出频率与被测量往往是非线性关系，需进行线性化处理才能良好的精度。
      由于谐振式传感器有许多点，已迅速发展成为一个新的传感器家族，可用于多种参数的测量，例如压力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。谐振式传感器主要用于航空、航天、计量、气象、地质、石油等行业中。
      
③ 谐振式传感器的类型及缺点
      谐振式传感器的种类很多，大体分为两类：一类是基于机械谐振结构谐振式传感器；另一类是MOS环振式谐振传感器。其中机械式谐振式传感器应用zui广。机械式谐振传感器的振子可以有不同的结构形式，图2所示为常见的a 张丝状、b 膜片状、c 筒状、 梁状等，相应的有振动弦式、振动膜式、振动筒式、振动梁式等谐振传感器之分。通常振子的材料采用诸如铁镍恒an合金等有恒an性模量的所谓恒模材料。但这种材料较易受外界磁场和周围环境温度的影响。石英晶体在一般应力下有很好的重复性和zui小的迟滞，其谐振子的因素Q值极，并且不受环境温度影响，性能长期稳定，因此采用石英晶体作为振子可制成性能更加良的压电式谐振传感器。其振子通常采用振膜或振梁形状，但按振子上下表面形状它又分为e 扁平形、f 平凸形和g 双凸形三种，如图2所示。表1给出了各种类型机械式谐振传感器的缺点及应用领域。

④ 谐振式传感器的设计要点
      谐振式传感器的振子是把被测量的变化转换为频率变化的关键元件，它对传感器的精度、灵敏度和稳定性等有很大影响，因此对它的设计要求较，主要可从下述几个方面进行考虑。
(1) 减小非线性
      谐振式传感器的特性曲线几乎都是非线性的。选择合适的工作点和zuijia工作频段对减小非线性非常重要。为获得较的测量精度，必须在转换电路中进行非线性校正。
(2) 提灵敏度
      可通过适当选择下面振子有关参数来提灵敏度：密度、an性模量、泊松比等材料物理特性参数；厚度、半径、长度等结构参数；初始谐振频率，预加载荷等。压电式谐振传感器采取围压加载方式时，其灵敏度zui。
(3) 提稳定性
      先，应选择强度、参数稳定的振子材料，如石英晶体，琴钢丝，铁镍横an合金等；其次，应选择Q值较大的振子，Q值越大，谐振频率的稳定性越，传感器的工作也越稳定，抗外界干扰的能力越强，其重复性也就越好；再次，要尽量提材料的an性极限，在zui大载荷下，材料an性变形为材料an性极限的1/3～1/2以下；zui后，结构上作成一体的，否则振子与其它部分的连接必须有很强的抗滑能力。
(4) 减小温度误差
      由于构成传感器的材料受温度影响，均将产生温度变形，造成输出信号的不稳定。为减小温度的影响，可采取下面措施：采用零温度系数的材料，或温度系数恒定的材料，而且其an性模量受温度影响小；采用线路补偿；采取恒温措施；传感器设计成封闭系统，使传感器机械结构自身达到热补偿；对因温度变化而影响振子谐振频率变化的传感器部分，通过选取适当的尺寸和温度系数，保持胀缩平衡。
      
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5.压电传感器

① 压电效应与压电传感器
      某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
      依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器,它是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。

② 压电传感器的应用
      压电传感器主要应用在加速度、压力和力等参量的测量中。
      压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、轮船、桥梁、和建筑的振动和冲击测量中已经了的应用，特别是航空宇航领域中更有它的特殊地位。



      压电式压力传感器既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。它可以用于发动机内部燃烧压力与真空度的测量，以及军事工业中枪炮子an在枪膛中击发瞬间的膛压变化和炮口的冲击压力的测量。此外，压力式传感器还应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压力传感器制成的。

③ 常用敏感材料对比
      (1) 压电陶瓷
      压电陶瓷是一种有压电性能的陶瓷材料，它是由若干不同的氧化物，诸如氧化铝、氧化钡、氧化钛、氧化钠等，按照比例配合，经过成型、温固相反应、烧结，zui后合成制造出来的。它有一种奇异的压电效应特性，即当受到微小外力作用时，能够把机械能转化为电能，当加上交变电压时，又会把电能变成机械能。
      (2) 细晶粒压电陶瓷
      以往的压电陶瓷是由几微米至几十微米的多畴晶粒组成的多晶材料,当把粒径减小至亚微米级时,可以改进材料的加工性,使基片可以做得更薄,提阵列频率,降换能器阵列的损耗,提器件的机械强度,减小多层器件每层的厚度。减小粒径许多好处,但同时也带来了降压电效应的影响。为了克服这种影响,人们更改了传统的掺杂工艺,使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电陶瓷相当的水平。近年来,人们用细晶粒压电陶瓷进行了切割研磨研究,并制作出了一些频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um厚）,证明了细晶粒压电陶瓷的越性。随着纳米技术的发展,细晶粒压电陶瓷材料研究和应用开发仍是近期的热点。
      (3) 压电性特异的多元单晶压电体
      传统的压电陶瓷较其它类型的压电材料压电效应要强,从而了应用。但作为大应力,能换能材料,传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。于是近几年来,人们为了研究出有更异压电性的新压电材料,做了大量工作,现已发现并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3单晶（A=Zn2+,Mg2+）。这类单晶的33zui可达2600pc/N(压电陶瓷33zui大为850pc/N),k33可达0.95（压电陶瓷K33zui达0.8）,其应变大于1.7%,几乎比压电陶瓷应变一个数量级。储能密度达130J/kg,而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。现在美国、、俄罗斯和中国已开始进行这类材料的工艺研究,它的批量的成功必将带来压电材料应用的飞速发展。

④ 应用中的注意事项
      (1) 正确安装。压力传感器直接与待测量的实体接触，安装是否合适对其性能有较大影响；
      (2) 保持清洁。虽然压电陶瓷比较，但仍然需要保持压电材料的清洁，以提使用寿命，减小测量误差；
      (3) 。通常压电传感器检测的检测电流很微弱，因此在调理电路的设计上需要充分考虑措施及滤波功能。

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6.磁电传感器

① 磁电式传感器介绍
      磁电式传感器利用电磁感应效应，霍尔效应，或磁阻效应等电磁现象，把被测物理量的变化转变为感应电动势的变化，实现速度，位移等参数测量。按电磁转换机理的不同，磁电式传感器可分为磁电感应式传感器，霍尔式传感器，和磁阻效应传感器等，用于建筑，工业等领域中振动，速度，加速度，转速，转角，磁场参数等的测量。



② 各种磁电式传感器的原理与应用 
2.1 磁电感应式传感器
(1) 磁电感应式传感器的特点
      磁电感应式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，，输出阻抗小，又有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。其中惯性式传感器不需要静止的基座作为参考基准，它直接安装在振动体上进行测量，因而在地面振动测量及机载振动监视系统中获得了的应用。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

(2) 磁电感应式传感器的工作原理，分类与应用

工作原理：根据电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线，线圈内产生感应电动势e。e的大小与穿过线圈的磁通Φ变化率有关。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。
      恒定磁通式磁电感应式传感器按运动部件的不同可分为动圈式和动铁式。动圈式磁电传感器的中线圈是运动部件，基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度，如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速；动铁式磁电感应式传感器的运动部件是铁芯，可用于各种振动和加速度的测量。

      变磁通式磁电感应传感器中，线圈和磁铁都静止不动， 转动物体引起磁阻、磁通变化，常用来测量旋转物体的角速度。如动画所示，线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不，能在-150～＋90℃的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较，约为50Hz，上限可达100Hz。 

2.2 霍尔式传感器
(1) 霍尔传感器的特点 
      霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，有感受磁场的能力，并且有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了应用。
(2) 霍尔传感器原理
      金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

      霍尔传感器利用霍尔效应实现对物理量的检测，按被检测对象的性质可将它们的应用分为直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。
(3) 霍尔传感器的应用
       维持I、q 不变，则EH=f（B），这方面的应用有测量磁场强度的斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等;
      维持I、B不变，则EH=f（q），这方面的应用有角位移测量仪等。
      维持q 不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。

(4) 霍尔传感器的选用注意事项 
      1．磁场测量。如果要求被测磁场精度较，如于±0.5％，那么通常选用砷化镓霍尔元件，其灵敏度，约为5&mash;10mv/100mT.温度误差可 忽略不计，且材料性能好，可以做的体积较小。在被测磁场精度较，体积要求不。如精度于±0.5％时，选用硅和锗雹尔元件。
      2．电流测量。大部分霍尔元件可以用于电流测量，要求精度较时．选用砷化镓霍尔元件，精度不时，可选用砷化镓、硅、锗等霍尔元件。
      3．转速和脉冲测量。测量转速和脉冲时，通常是选用集成霍尔开关和锑化铟霍尔元件。如在录像机和摄像机中采用了锑铟霍尔元件电机的电刷，提了使用寿命。
      4．信号的运算和测量。通常利用霍尔电势与控制电流、被测磁场成正比，并与被测磁场同霍尔元件表面的夹角成正弦关系的特性，制造函数发生器。利用霍尔元件输出与控制电流和被测磁场乘积成正比的特性。制造功率表、电度表等。
      5．拉力和压力测量。选用霍尔件制成的传感器较其它材料制成的阵感器灵敏度和线性度更jia。

2.3 磁阻效应传感器 
      磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称斯效应)。磁阻效应与霍尔效应的区别在于感应电动势相对于电流的方向，霍尔电势是垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。

      上图是一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。
      磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。
      磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁场等参数的测量。

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7.光电传感器

① 光电传感器介绍
      光电传感器（光电开关）是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制。它先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。在一般情况下，光电传感器由三部分构成：发送器、接收器和检测电路。其结构如图1所示： 

      发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。接收器包括光电二极管、光电三极管、光电池等。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等；在其后面是检测电路，它能滤出有效信号并应用该信号。



② 光电传感器分类
      光电传感器通常可分为对射型和反射型两类。
      (1) 对射型光电传感器。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器产生响应并输出一个开关控制信号。
      (2) 反射型光电开关。反射型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，利用反射原理完成光电控制作用。一种情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到，一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号；另一种情况下，发光器发出的光并不被的反光板反射，但当光路上有检测物通过时，光在检测物表面反射回来并被接收器接收从而产生一个开关信号。

③ 光电元件
      光电元件是光电传感器中zui重要的部件，常见的有真空光电元件和半导体光电元件两大类。它们的工作原理都基于不同形式的光电效应：
      (1) 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管,光电倍增管等。
      (2) 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻，光敏晶体管等。
      (3) 在光线作用下物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏应，基于光生伏应的光电元件有光电池等。

3.1 外光电效应器件
3.1.1 光电管 
(1) 原理 
      光电管是利用外光电效应制成的光电元件。光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结构相似，如图2。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的*。 

(2) 主要性能 
      光电管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。 
1. 光电管的伏安特性 
      在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如3图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。 

2. 光电管的光照特性 
      通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如4图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 

3. 光电管光谱特性 
      由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率于红限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 

3.1.2 光电倍增管 
(1) 原理 
      当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，图5为光电倍增管内部结构示意图。

      光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是zui后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。 

(2) 主要特性 
1. 倍增系数M 
      倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数&elta;的乘积。M与所加电压有关，在之间，稳定性为1％左右，此时要求加速电压稳定性要在0.1％以内。 
2. 光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 
      一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的zui大灵敏度可达10A/lm，极间电压越，灵敏度越；但极间电压也不能太，太反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 
3. 暗电流和本底脉冲 
      一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在*蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流有脉冲形式。 
4. 光电倍增管的光谱特性 
      光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图6所示。 

3.2 内光电效应器件 
      利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管等。 
3.2.1 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。其点是灵敏度，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足有需要外部电源，有电流时会发热。 
3.2.2 光电池 
      光电池是利用光生伏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。 
3.2.3 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。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中zui典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。

④ 光电传感器的应用
      光电检测方法有精度、反应、非接触等点,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小。近年来,随着光电技术的发展,光电传感器已成为系列产品,其品种及产量日益增加,在各种轻工自动机上获得的应用。典型案例如下： 
(1) 烟尘浊度监测仪 
      防止工业烟尘污染是环保的重要任务。为了工业烟尘污染，先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光的光减少，因而光输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 
(2) 光电转速传感器 
      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。 
(3) 光电池
      光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不*相同。由于光电池工作时不需要外加电压，光电转换效率，光谱范围宽，频率特性好，噪声等，它已地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。 

⑤ 光电传感器应用中的注意事项
      (1) 模拟式光电传感器的输出量为连续变化的光电流，因此在应用中要求光电器件的光照特性呈单值线性，光源的光照要求保持均匀稳定。
      (2) 开关式光电传感器的输出信号对应于光电信号&lquo;有&rquo;、&lquo;无&rquo;受到光照两种状态，即输出特性是断续变化的开关信号。在应用中这类传感器要求光电元件灵敏度，而对元件的光照特性要求不。 
      (3) CCD传感器在分时使用CCD器件时，应注意在转移电荷期间应避免受到光照，以免因多次感光而破坏原有图像。
      (4) 光电隔离器在使用时要使发光元件与接受元件的工作波长相匹配，备较的灵敏度。体选用如下：LED-光敏三极管形式常用于信号隔离，频率在100kHz一下；LED－复合管或达林顿管的形式常用在功率负载的直接驱动等场合；LED－光控晶闸管形式常用在大功率的隔离驱动场合。 

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8.光纤传感器

① 光纤传感器的基本原理
      光纤传感器通过光导纤维把输入变量转换成调制的光信号。光纤传感器的测量原理有两种。
      (1) 物性型光纤传感器原理
      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，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。
      激光器的点光源光束扩散为平行波，经分光器分为两路，一为基准光路，另一为测量光路。外界参数（温度、压力、振动等）引起光纤长度的变化和相位的光相位变化，从而产生不同数量的干涉条纹，对它的模向移动进行计数，就可测量温度或压力等。
 

图1 物性型光纤传感器工作原理示意图

      (2) 结构型光纤传感器原理
      结构型光纤传感器是由光检测元件（敏感元件）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。

      (3) 拾光型光纤传感器原理
      用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

      
② 光纤传感器的点
      与传统的各类传感器相比，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，有光纤及光学测量的特点，有一系列的点。
      (1) 电绝缘性能好。
      (2) 抗电磁干扰能力强。
      (3) 非侵入性。
      (4) 灵敏度。
      (5) 容易实现对被测信号的远距离监控。
      (6) ，防爆。
      (7) 光路有可挠曲性，便于与计算机联接。
      (8) 结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。
      光纤传感器在军事、航空、医学、环境监测、土木工程、电子系统等很多领域都有的应用，尤其适用于以下特殊环境：
      (1) 在压、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。
      
③ 光纤传感器的分类和可测量的物理量
      按所利用的不同的光学现象，光纤传感器可分为干涉型和非干涉型，可通过相位，频率，强度和偏振调制等方式实现对不同物理量的测量，体内容如表1所示。

表1 光纤传感器的分类和测量的物理量

注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

④ 各种光纤传感器的应用领域及缺点
      表2给出了各种光纤传感器的作用机理，应用领域以及缺点。

表2 光纤传感器的作用机理和应用领域

⑤ 应用注意事项
5.1 光纤      
      常见的光纤有阶跃型和梯度型多模光纤及单模光纤，选用光纤必须考虑以下因素：
(1) 光纤的数值孔径NA
      从提光源与光纤之间耦合效率的角度来看，要求用大的NA，但是NA越大，光纤的模色散越严重，传输信息的容量就越小。但是大多数光纤传感器来讲，不存在信息容量的问题，光纤以zui大孔径为宜，一般要求是：0.2≤NA<0.4。
(2) 光纤传输损耗
      传输损耗是光纤的zui重要的光学特性，很大程度上决定了远距离光纤通信中继站的跨越，但是光纤传感器系统中，大部分距离都比较短，长者不足4M，短的只有几毫米。特别是作为敏感元件的特殊光纤，可放宽传输损耗的要求，一般损耗<10B/km的光纤均可采用。
(3) 色散
      色散是影响光纤信息容量的重要参量，如前所讲，可放宽这方面的要求。
(4) 光纤的强度
      对传感器而言，都毫无例外的都要求较强的强度。
5.2 光源
(1) 白炽光源
      白炽光源的辐射近似为黑体辐射。其点是：廉，容易获得，使用方便，但在传感器中使用，由于辐射密度比较小，故只能与光纤束和粗芯阶跃光纤配合使用。缺点是稳定性比较差，寿命短。
(2) 激光器
      相干性光源，容易实现单模工作，线性非常窄；辐射密度比较，与单模光纤耦合效率；噪声比较小。
(3) 固体激光器
      现在主要用固态铷离子激光器等，点是体积小，坚固、率、辐射密度。光谱均匀而且比较窄，缺点是相干性和频率稳定性不如激光器。
(4) 半导体激光器
      是光纤传感器的重要光源，主要LED，点是体积小巧、坚固、寿命长、性、辐射密度适中、电源简单。
      光源很多，对光源的基本要求是一致的，必须使有适当特性的、功率足够大的光达到，以确保检测系统有足够大的信噪比，遵循原则为：选择辐射足够强的光源，要求在敏感元件的工作波长上有zui大的辐射功率；光源必须与光纤匹配，以获得的耦合率；光源的稳定性要好，能在长期的室温下工作。
5.3 光电探测器
      光电探测器是光电检测中*的器件，把光信号转变为电信号。选择准则：在工作波段内灵敏度要；有引入的噪声一定要小，因此要选用暗电流、漏电流和并联电导尽可能小的器件；性、稳定性好；尺寸小、便于组装、容易与光纤耦合；偏压或偏流不宜过；廉。

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9.气敏传感器

① 气敏传感器介绍
      气敏传感器可用于对的定性或定量检测。气敏材料与接触后会发生化学或物理相互作用，导致其某些特性参数的改变，包括，电参数，光学参数等。气敏传感器利用这些材料作为气敏元件，把被测种类或浓度的变化转化成传感器输出信号的变化，从而实现检测目的。 

      
② 气敏传感器的应用
      气敏传感器主要用于对各种目标的定性或定量检测，在环境监测，食品监察，工业排放监控，呼气疾病诊断等领域有着的应用。
      
③ 气敏传感器分类
      根据气敏元件的不同，传感器可分为半导体传感器，红外吸收式气敏传感器，接触燃烧式气敏传感器以及利用电极和电解液对进行检测的电化学传感器等。

3.1 半导体气敏传感器
      半导体气敏传感器的敏感元件大多是以金属氧化物半导体为基础材料，可分为电阻式和非电阻式两种，如表1所示。当被测在半导体表面吸附后，使半导体敏感材料的电学特性(例如电导率)发生变化，通过测量其变化，就可以实现对的检测。对半导体气敏传感器，目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。 

      点：成本，反应，灵敏度，湿度影响小。
      缺点：必须温工作，对选择性差。

3.2 光学气敏传感器
      光学气敏传感器可以工作在红外波段和紫外&mash;可见光波段。
      大多数分子的振动和转动光谱都在红外波段。当入射红外辐射的频率与分子的振动转动特征频率相同时，红外辐射就会被分子所吸收，引起辐射强度的衰减。典型的红外吸收式气敏传感器结构如图1所示。红外光源产生的红外光入射到测量槽，照射到某种被测时，根据种类不同，将对不同波长的红外光有不同的吸收特性，同种不同浓度对红外光的吸收量也不同。因此，通过测量到达光敏元件的红外光的强度，根据红外光源的波长和光敏元件输出的电信号就可以知道被测的种类和浓度。

      某些材料和特定接触反应后其在紫外&mash;可见光波段的吸收光谱会发生变化，比如甲基红在酸性气氛中会发生变色。用此类材料作为敏感元件可以在紫外&mash;可见光波段实现对的检测。
      光学气敏传感器精度、选择性好，气敏度范围宽，是钢铁，石化，化肥，机械等工业部门流程控制的重要监测手段；在环境污染成分检测和医学研究等方面也都有许多成功的应用。其缺点是偏，使用和维护难度较大。

3.3 接触燃烧式气敏传感器
      典型的接触式燃烧式气敏传感器结构与电路原理图如图2所示。氧化催化剂中埋设有白金等金属线，工作时金属圈中通电流使温度保持在300～600℃，当可燃接触传感器表面时会发生燃烧，所产生的热量使金属丝进一步温度升，致使电阻值增大，导致电桥失衡产生输出。不同种类不同浓度的可燃燃烧产生的热量不同，对应不同的电路输出。

      接触燃烧式气敏传感器一般用于石油化工、造船厂、矿山及隧道等场合，以检测石油类可燃烧性的存放情况和防止危险事故发生。
      点：对选择性好，线性好，受温度、湿度影响下，响应。
      缺点：对浓度的可燃性的敏感度，敏感元件受到催化剂的侵害后其特性锐减，金属丝易断。 

3.4 电化学气敏传感器
      电化学传感器通过与被测发生反应并产生与浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，zui终到达传感电极表面发生反应，以形成充分的电信号，通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定浓度。
      电化学气敏传感器主要用于相对封闭环境中有毒有害的检测，比如矿井、居室、工作间等地对CO，H2S和甲醛等的监测和。
      点：选择性好，反应迅速，灵敏度，可实时连续检测。
      缺点：易受环境影响，较。

3.5 各种气敏传感器的反应机理和缺点综述

④ 典型应用
      (1) 家用器
      (2) 有害辨别
      (3) 可燃性浓度检测
      (4) 矿灯瓦斯器
      (5) 烟雾器
      (6) 酒精检测器

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10.电容传感器

① 电容式传感器概述
      电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。有结构简单、分辨力、可非接触测量，并能在温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等点。
      随着集成电路技术和计算机技术的发展，有利于电容式传感器的扬长避短，是一种很有发展前途的传感器。



② 基本工作原理
      电容传感器的基本公式 ： 

      ε：电容极板间介质的介电常数，ε=ε0&miot;εr，ε0为真空介电常数，εr为极板间介质相对介电常数；

      A：两平行板所覆盖的面积；：两平行板之间的距离。

      ü&elta;、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。

      ü固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器：变极距型、变面积型和变介电常数型。

③ 电容式传感器的结构类型

      变极距(&elta;）型: (a)、(e) 
      变面积型(A)型: (b)、(c)、()、(f)、(g) （h） 
      变介电常数(ε )型: (i)～(l) 

(1) 变极距型电容传感器

(2) 变面积型电容传感器
      角位移：极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A&arr;→电容量&arr;。
      板状线位移：极板2可以左右移动。极板1固定不动。
      筒形：外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。

(3) 变介电常数型电容传感器
      因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。这种传感器可用来测量物位或液位，也可测量位移。

④ 电容式传感器的应用
      电容式传感器不但用于位移、振动、角度、加速度等机械量的测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成份含量等方面的测量。

⑤ 应用中的注意事项
      (1) 克服寄生电容的影响
      电容式传感器由于受结构与尺寸的限制，其电容量都很小(pF到几十pF)，属于小功率、阻抗器件，因此极易外界干扰，尤其是受大于它几倍、几十倍的、且有随机性的电缆寄生电容的干扰，它与传感器电容相并联，严重影响感器的输出特性，甚至会淹没有用信号而不能使用。消灭寄生电容影响，是电容式传感器实用的关键。
      (2) 克服边缘效应的影响
      实际上当极板厚度h与极距&elta;之比相对较大时，边缘效
应的影响就不能忽略；边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降，而且产生非线性。
      (3) 克服静电引力的影响
      电容式传感器两极板间因存在静电场，而作用有静电引力或力矩。静电引力的大小与极板间的工作电压、介电常数、极间距离有关。通常这种静电引力很小，但在采用推动力很小的an性敏感元件情况下，须考虑因静电引力造成的测量误差。
      (4) 温度影响
      环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温度干扰误差。温度影响主要包括温度对结构尺寸和对介质的影响两方面。

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11.湿度传感器

水分子亲和力型湿度传感器，是利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性（成为水分子亲和力）制成的湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的湿度传感器。
      非水分子亲和力型湿度传感器，主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

① 湿度传感器介绍
      湿度包括的湿度和固体的湿度。的湿度是指大气中水蒸气的含量，度量方法有湿度，即每立方米在标况下（0℃，1大气压）所含有的水蒸气的重量,即水蒸气密度；相对湿度，即一定体积中实际含有的水蒸气分压与相同温度下该所能包含的zui大水蒸气分压之比；或含湿量，即每㎏干空气中所含水蒸气的。其中相对湿度是zui常用的。固体的湿度是物质中所含水分的数，即物质中所含水分的与其总之比。 
利用水分子有较大的偶极矩，因而易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型湿度传感器，其测量原理在于感湿材料吸湿或脱湿过程改变其自身的性能从而构成不同类型的湿度传感器；把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器，其主要的测量原理有：利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度；利用微波在含水蒸汽的空气中传播，水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗，传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关以此来测定湿度；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

② 湿度传感器的应用 
      任何行业的工作都离不开空气,而空气的湿度又与工作、生活、有直接,使湿度的监测与控制越来越显得重要。湿度传感器的应用主要有如下几个方面:
      (1) 气候监测 天气测量和预报对工农业、军事及人民生活和科学实验等方面都有重要意义,因而湿度传感器是*的测湿设备,如树脂膨散式湿度传感器已用于气象气球测湿仪器上。 
      (2) 温室养殖 现代农林畜牧各产业都有相当数量的温室，温室的湿度控制与温度控制同样重要，把湿度控制在农作物、树木、畜禽等生长适宜的范围,是减少病虫害、提产量的条件。 
      (3) 工业　在纺织、电子、机器、陶瓷工业等部门,空气湿度直接影响产品的和产量,必须有效地进行监测调控。 
      (4) 物品储藏　各种物品对环境均有一定的适应性。湿度过过均会使物品丧失原有性能。如在湿度地区，电子产品在仓库的损害严重，非金属零件会发霉变质，金属零件会腐蚀生锈。 
      (5) 仪器的使用保护　许多仪器、设备对工作环境要求较。环境湿度必须控制在一定范围内,以它们的正常工作,提工作效率及性。如程控交换机工作湿度在55 % ±10 %较好。温度过会影响绝缘性能,过易产生静电,影响正常工作。

③ 湿度传感器的分类与特点
      根据敏感方案是否基于水分子的极性吸附特性，可以把湿度传感器分为水分子亲和力型和非水分子亲和力型。根据湿敏材料的不同可以对水分子亲和力型湿度传感器进一步分类；根据测量原理的不同可以对非水分子亲和力型湿度传感器进一步分类，如表1所示。 

3.1 水分子亲和力型湿度传感器 
      根据使用材料的不同，水分子亲和力型湿度传感器分为以下四类

      (1) 电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升而电阻减小。
      (2) 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。 
      (3) 分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机分子感湿膜。有机分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。
      (4) 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。

      一种典型的水分子亲和力型湿度传感器&mash;&mash;氯化锂电阻湿度传感器介绍： 
      氯化锂是一种在大气中不分解、不挥发，也不变质而有稳定的离子型无机盐类。其吸湿量与空气相对湿度成一定函数关系，随着空气相对湿度的增减变化，氯化锂吸湿量也随之变化。当氯化锂溶液吸收水汽后，使导电的离子数增加，因此导致电阻的降；反之，则使电阻增加。这种将空气相对湿度转换为其电阻值的测量方法称为吸湿法湿度测量。氯化锂电阻湿度计的传感器就是根据这一原理工作的。其结构和阻&mash;湿特性分别如图2，图3所示。

      氯化锂传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关。采用某一浓度制作的元件在其感湿范围内，其电阻值随周围空气相对湿度的变化符合指数关系。当湿度于其感湿范围时，其阻值迅速增加，趋于大；而当于该范围时，其阻值变得非常小，乃至趋于零。每一传感器的测量范围较窄，故应按照测量范围的要求，选用相应的量程。为扩大测量范围，可采用多片组合传感器。组合式氯化锂湿度传感器的结构和阻-湿特性如图4，图5所示。 

3.2 非水分子亲和力型湿度传感器 
      利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度，可以制成热敏电阻式湿度传感器；利用微波或超声波在含水蒸汽的空气中传播时，传输损耗的能量与环境空气中的湿度的相关性来测定湿度，可以制成微波或超声波湿度传感器；利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度，可以制成红外吸收式湿度传感器。一种典型的红外吸收式湿度传感器的结构和工作原理如图1所示。

④ 湿度传感器的特性参数

　　湿度传感器的特性参数主要有：湿度量程、灵敏度、温度系数、响应时间、湿滞回差、感湿特征量-相对湿度特性曲线等。  
　　(1) 湿度量程：它是指湿度传感器能够较测量的环境湿度的zui大范围。由于各种湿度传感器所使用的材料及依据的工作原理不同，其特性并不都能适用于0～*RH的整个相对湿度范围。 
　　(2) 感湿特征量-相对湿度特性曲线： 湿度传感器的输出变量称为其感湿特征量， 如电阻、电容等。 湿度传感器的感湿特征量随环境湿度的变化曲线， 称为传感器的感湿特征量-环境湿度特性曲线， 简称为感湿特性曲线。 性能良好的湿度敏感器件的感湿特性曲线， 应有宽的线性范围和适中的灵敏度。 
　　(3) 灵敏度：湿度传感器的灵敏度即其感湿特性曲线的斜率。大多数湿度敏感器件的感湿特性曲线是非线性的， 因此尚无统一的表示方法。 较普遍采用的方法是用器件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示。 
　　(4) 湿度温度系数： 它定义为在器件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率， 即

　　因此，环境温度将造成测湿误差。 例如，α=0.3％RH/℃时， 环境的温度变化20℃，将引起6％RH的测湿误差。 

　　(5) 响应时间： 它表示当环境湿度发生变化时， 传感器完成吸湿或脱湿以及动态平衡过程所需时间的特性参数。 响应时间用时间常数τ来定义， 即感湿特征量由起始值变化到终止值的0.632倍所需的时间。可见， 响应时间是与环境相对湿度的起、止值密切相关。 
　　(6) 湿滞回线和湿滞回差：一个湿度传感器在吸湿和脱湿两种情况下的感湿特性曲线不相重复，一般可形成为一回线，这种特性称为湿滞特性； 其曲线称为湿滞回线。

⑤ 常见测湿度的方法比较 

⑥ 湿敏传感器的应用注意事项

(1) 电源选择
　　湿敏电阻必须工作于交流回路中，若用直流供电，会引起多孔陶瓷表面结构改变，湿敏特性变劣。采用交流电源频率过，将由于元件的附加容抗而影响测湿灵敏度和准确性， 因此应以不产生正、负离子积聚为原则， 使电源频率尽可能。对离子导电型湿敏元件，电源频率应大于50 Hz，一般以1000 Hz为宜。对电子导电型，电源频率应于50 Hz。
(2) 线性化
　　一般湿敏元件的特性均为非线性， 为便于测量， 应将其线性化。 
(3) 温度补偿
　　通常氧化物半导体陶瓷湿敏电阻湿度温度系数为0.1～0.3，故在测湿精度要求的情况下必须进行温度补偿。 
(4) 测湿范围
　　电阻式湿敏元件在温度超过95％RH时， 湿敏膜因湿润溶解， 厚度会发生变化， 若反复结露与潮解， 特性会变坏而不能复原。 电容式传感器在80％RH以上湿及100％RH以上结露或潮解状态下， 也难以检测。 另外， 切勿将湿敏电容直接浸入水中或长期用于结露状态， 也不要用手摸或嘴吹其表面。

⑦ 产品图片

12.生物传感器

① 生物传感器介绍
      生物传感器（Biosensor）是利用某些生物活性物质所有的度选择性，来识别待测生物化学物质的一类传感器。它的结构一般是在基础传感器(电化学装置)上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）。生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开。当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通过电化学装置转换为电信号。
      生物传感器是目前zui受到人们重视传感器。生物传感器能对许多过去难于测定的生化物质进行定量分析。已经在实践中开始应用的生物传感器都是固定化酶电极，包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乙醇等多种。

② 生物传感器的应用



③ 生物传感器分类与特点

酶传感器是由酶催化剂和电化学器件构成的。由于酶是蛋白质组成的生物催化剂，能催化许多生物化学反应，生物细胞的复杂代谢就是由于成千上万的酶控制的。酶的催化效率极，而且有度专一性，即能对待测生物量（底物）进行选择性催化，并且有化学放大作用。因此利用酶的特性可以制造出灵敏度、选择性好的传感器。
微生物传感器用微生物作为分子识别元件。与酶相比，微生物更、耐久性也好。
传感器的基本原理是反应。 利用抗体能识别抗原结合的功能的生物传感器称为传感器。
生物组织传感器是以活的动植物组织细胞切片作为识别元件，并与相应的变换元件构成的传感器。生物组织传感器有如下一些特点：
      (1) 生物组织含有丰富的酶类，这些酶在适宜的自然环境中，可以相当稳定的酶活性，许多组织传感器工作寿命比相应的酶传感器寿命长很多；
      (2) 在所需要的酶难以提纯时，直接利用生物组织可以足够的酶活性；
      (3) 组织识别元件制作简便，一般不需要采用固定化技术。
半导体生物传感器是由生物分子识别器件（生物敏感膜）与半导体器件结合构成的传感器。目前常用的半导体传感器是半导体光电二极管、场效应管（FET）等。半导体生物传感器的特点有：
      (1) 构造简单，便于批量，成本；
      (2) 它属于固态传感器，机械性能好，抗震性能好，寿命长；
      (3) 输出阻抗，便于与后续电路匹配；
      (4) 可在同一芯片上集成多种传感器，可实现多功能、多参数与计算机的基础。

④ 生物活性材料固定化技术
      使用生物活性材料作为生物敏感膜，必须研究如何使生物活性材料固定在载体（或称基质）上，这种结合技术称为固定化技术。在研制传感器时，关键是把生物活性材料与载体固定化成为生物敏感膜。固定化生物敏感膜应该有的特点：
      (1) 对被测物质选择性好，专一性好
      (2)
      (3) 可以反复使用，长期保持其活性
      (4) 使用方便

⑤ 未来生物传感器的特点
      (1) 功能多样化
      未来的生物传感器将进一步涉及医疗banjian、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前, 生物传感器研究中的重要内容就是研究能生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。
      (2) 微型化
      随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在上直接检测食品成为可能。
      (3) 智能化和集成化
      未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、。

⑥ 产品图片