第二讲传感器的基础效应
传感器工作原理详解
传感器工作原理详解传感器是一种能够将特定的物理量或化学量转化为可测量的电信号或其他形式输出的装置。
它在现代科技中起着至关重要的作用，广泛应用于各个领域，如工业、农业、医疗、环境监测等。
本文将详细解析传感器的工作原理，以便更好地理解传感器的功能与应用。
一、传感器的基本原理传感器的基本原理是通过感知外界物理或化学量的变化，并将其转化为与之相对应的电信号。
以下将介绍几种常见的传感器工作原理。
1. 压阻式传感器压阻式传感器利用外界物理量对材料电阻的影响来进行测量。
它由敏感材料和电极组成，当外界物理量引起敏感材料的变形或压力变化时，敏感材料的电阻值也会相应改变，通过测量电阻值的变化来得到外界物理量的信息。
2. 光电传感器光电传感器基于光电效应，将光辐射能转化为电信号。
它由光敏元件和电子电路组成，当光源照射到光敏元件上时，光敏元件吸收光的能量并产生电荷。
通过电子电路的放大和处理，最终得到与光强度相关的电信号。
3. 磁敏传感器磁敏传感器利用磁场对材料磁性的影响来进行测量。
它包括感应式磁敏传感器和霍尔效应磁敏传感器等。
感应式磁敏传感器利用线圈中感应出的电动势来检测磁场变化；霍尔效应磁敏传感器则利用霍尔元件的磁场感应效应，通过测量输出电压或电流来获得磁场信息。
二、传感器应用案例传感器广泛应用于各个领域，下面将介绍几个常见的传感器应用案例。
1. 温度传感器温度传感器是以测量物体温度为目的的传感器，常见的应用有室内温度监测、电子设备温度控制等。
它一般采用热敏电阻、热电偶或半导体材料作为敏感元件，通过测量敏感元件的电阻、电势或电流来获得温度信息。
2. 湿度传感器湿度传感器用于测量空气中的湿度，常见应用有气象观测、农业温室环境调节等。
它一般使用湿度敏感材料或电容式湿度传感器作为敏感元件，通过测量敏感元件的电容或电阻值来获取湿度信息。
3. 加速度传感器加速度传感器用于测量物体在空间中的加速度，广泛应用于汽车安全、运动监测等领域。
第2章传感器原理汇总
优点：
➢ 精度高测量范围广 ➢ 频率响应特性较好 ➢ 结构简单，尺寸小，质量轻 ➢ 可在恶劣条件下工作 ➢ 价格便宜品种多
缺点：
➢ 非线性严重 ➢ 输出信号弱——抗干扰能力差 ➢ 平均应变——不能反映应变梯度
2-1金属应变片式传感器
R ( R )t
R ( R )1
R ( R )2
t t
K(e
g )t
R
等效应效t
(
R
)t
K
温度补偿
t K
t
(e
g )t
1）单丝自补偿应变片
R ( R )t tt K(e g )t t K(e g ) 0 t K(g e )
2）双丝组合式自补偿应变片
优点：结构简 单，制造和使 用方便；只能 在一定线膨胀 系数的材料上 使用。
传感器原理及应用——
第二章应变式传感器
2012年
第二章 应变式传感器
应变效应：弹性元件上粘贴应变片，在外力作用下发生形变 时，其电阻相应改变。
弹性传感器 的应用
固态压阻式压力传感器
传感器的端部是高弹性钢质薄膜，头 部充满低粘度硅油，它起传递压力和隔热 作用。敏感元件硅杯浸在硅油中，被测压 力通过钢膜片和硅油传递给硅杯，硅杯的 集成电阻通过引线与绝缘端子相连，在印 刷电路板上有各种补偿电阻。
3、横向效应
直线金属丝受纵向拉伸力时，丝上各段所感受的应力应变是相同的，因 而每段的伸长也是相同的，金属丝总电阻的增加等于各段电阻增加的总和。 但将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线 段仍感受纵向拉应变而伸长；但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也 感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横向效应。
传感器原理及应用 笔记
传感器原理及应用笔记一、传感器的基本原理传感器是一种能够感知、检测和测量某种特定物理量的器件或装置，将物理量转化为电信号或其他形式的输出。
传感器的基本原理是通过敏感元件对物理量进行测量，将物理量转化为可感知的信号输出。
传感器的工作原理通常涉及一些常见的物理学原理，比如压电效应、热敏效应、光敏效应、磁敏效应等。
1. 压电效应压电效应是指某些晶体或陶瓷在受到机械应力作用时，会产生电荷的现象。
利用压电效应制成的传感器可以将受力或压力转化为电信号输出，常用于压力传感器、加速度传感器等领域。
2. 热敏效应热敏效应是指材料的电阻、电容或电动势随温度的变化而变化的性质。
利用热敏效应的原理，可以制成温度传感器、湿度传感器等用于检测环境温湿度的传感器。
3. 光敏效应光敏效应是指某些材料在受到光照射时，会发生电阻、电压或电流等性质的变化。
利用光敏效应制成的传感器可以用于光电传感器、光敏电阻、光电二极管等应用。
4. 磁敏效应磁敏效应是指某些材料在受到磁场影响时，会产生电荷或电压的现象。
利用磁敏效应制成的传感器可以用于磁场传感器、磁力传感器等领域。
二、传感器的应用领域传感器在各个行业都有着广泛的应用，如工业自动化、智能家居、医疗健康、环境监测等领域。
1. 工业自动化在工业自动化中，各种传感器被广泛应用于生产线监测、设备控制、物料检测等方面。
压力传感器、温度传感器、光电传感器等传感器可以实现对各种生产参数的实时监测和反馈，从而提高生产效率和质量。
2. 智能家居在智能家居领域，各种传感器可以实现对环境温湿度、光照强度、空气质量等参数的监测和控制。
通过智能传感器网络，可以实现智能灯光控制、智能家电控制、安防监控等功能。
3. 医疗健康传感器在医疗健康领域可以实现对人体生理参数的监测，比如心率传感器、血压传感器、体温传感器等可以用于疾病预防、健康管理等方面。
4. 环境监测大气污染传感器、水质传感器、土壤湿度传感器等可以用于环境监测和保护，实现对环境参数的实时监测和预警。
传感器的工作原理
传感器的工作原理传感器是一种能够感知、检测某种特定物理量并将其转化为可用信号的装置，它在现代科技和工业生产中起着至关重要的作用。
传感器的工作原理是基于一系列物理原理和电子技术，通过感知外部环境的变化并将其转化成电信号的方式来实现。
本文将从传感器的基本原理、工作流程和应用领域等方面进行介绍。
首先，传感器的工作原理基于物理原理，主要包括光电效应、压阻效应、霍尔效应、电磁感应等。
其中，光电效应是利用光线照射物体时产生的电子-空穴对来实现光信号的转换；压阻效应是利用材料在受力时电阻值发生变化来实现压力信号的转换；霍尔效应则是利用磁场对导体产生的偏转来实现磁信号的转换；电磁感应则是利用导体在磁场中运动时产生感应电动势来实现电信号的转换。
这些物理原理为传感器的工作提供了基础。
其次，传感器的工作流程一般包括感知、转换和输出三个步骤。
感知是指传感器对外部环境的某种物理量进行检测和感知，例如温度、湿度、压力、光照、磁场等；转换是指传感器将感知到的物理量转化为电信号，这一过程涉及到物理原理的应用和信号处理技术；输出则是指传感器输出经过转换后的电信号，通常是模拟信号或数字信号，以供后续的控制、监测和分析使用。
这一工作流程是传感器实现功能的关键步骤。
最后，传感器的应用领域非常广泛，涵盖了工业自动化、环境监测、医疗诊断、交通运输、消费电子等诸多领域。
在工业自动化中，传感器被广泛应用于生产线的监测和控制，可以实现对温度、压力、流量等参数的实时监测和调节；在环境监测中，传感器可以用于大气污染监测、水质监测、土壤湿度监测等方面；在医疗诊断领域，传感器可以用于心率、血压、血氧等生理参数的监测和记录；在交通运输领域，传感器可以用于车辆的位置定位、车速监测、碰撞预警等方面；在消费电子领域，传感器可以用于智能手机的重力感应、光线感应、距离感应等功能。
可以说，传感器已经成为现代科技和工业生产不可或缺的一部分。
总之，传感器的工作原理是基于物理原理和电子技术的结合，通过感知、转换和输出的流程来实现对外部环境的监测和控制。
传感器的基本工作原理
传感器的基本工作原理传感器是一种能够将物理量转换为电信号的装置，通过在感应元件中引入外界物理量，使感应元件的某些特性发生变化，并将这些变化转换为电信号输出。
传感器的基本工作原理可以分为以下几种类型：1. 电阻式传感器：电阻式传感器利用物理量对电阻值的影响进行测量。
当外界物理量作用于感应元件时，感应元件的电阻值发生变化。
常见的例子包括温度传感器和光敏电阻。
2. 压阻式传感器：压阻式传感器通过测量外界物理量对压阻的影响来实现测量。
当外界物理量作用于感应元件时，感应元件的压阻值会发生变化。
例如，压力传感器可以通过测量被测介质对感应元件施加的压力来确定压力的大小。
3. 容抗式传感器：容抗式传感器是利用物理量对感应元件的电容或电感进行测量的。
当外界物理量作用于感应元件时，感应元件的电容或电感值会发生变化。
例如，湿度传感器可以通过测量空气中的水分对感应元件的电容影响来确定湿度的大小。
4. 磁阻式传感器：磁阻式传感器利用磁阻效应来测量外界物理量的变化。
当外界磁场作用于感应元件时，感应元件的电阻值会发生变化。
例如，磁场传感器可以通过测量磁场对感应元件电阻的影响来确定磁场强度的大小。
5. 光电式传感器：光电式传感器是利用光电效应来测量外界物理量的。
当外界物理量作用于感应元件时，感应元件的光电特性会发生变化。
例如，光电传感器可以通过测量光照对感应元件电流或电压的影响来确定光照强度的大小。
以上是传感器的基本工作原理，不同的传感器类型在测量不同的物理量时采用不同的工作原理。
这些工作原理的理论基础和具体实现方式可以根据具体的传感器类型进一步研究和了解。
2.1传感器与基础效应
概念：逆压电效应 概念：
某些电介质，当在电介质极化方向施加电场，这些电介 质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电 致伸缩效应） 。
x ＋ － o y ＋ P2 P3 － ＋ P1 － y －
x
Fx ＋
x Fy y A ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ P1 － － P2 P o 3 C ＋ ＋ － B － － － － Fy
A － － － － － － P1 o － － P3 ＋
＋ P2
D
B ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Fx
(a)
(b)
(c)
晶片上电荷极性与受力方向关系
电压源
电荷源
压电传感器等效电路
单片压电元件产生的电荷量甚微， 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感 器的输出灵敏度， 器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片同型号的压 电元件粘结在一起。 由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。
副边电流产生的补偿磁通平衡了 原边电流Ip产生磁通量。霍尔器 件和辅助电路产生的副边补偿电 流准确反映了原边电流的大小
功率测量示意图
压电效应与压电传感器
概念： 概念：正压电效应
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时， 内部就产生极化现象，在它的两个表面上便产生异号电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压 电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
压 电 式 加 速 度 传 感 器 的 结 构
壳体 弹簧 质量块 压电片 基座
压 电 式 加 速 度 传 感 器 的 结ຫໍສະໝຸດ 构金属片压电片 基座
质量块
自 举 式 阻 抗 匹 配 器
洛仑兹力 — 磁场对运动电荷的作用力。
r f
现代传感器技术-4-传感器中常用的物理效应与器件-2016
2018/7/4
21
4.2 电阻应变效应与器件
4.2.2 压阻效应与器件
1）压阻效应与压阻系数 (3)影响压阻系数的因素 主要是半导体材料中扩散杂质的表面浓度和所 切割材料的晶向。 扩散杂质表面浓度增加，压阻系数减小。 表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降快； 表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降慢。
4.2.1电阻应变原理与器件
3）应变片的结构和灵敏系数 半导体应变片主要基于半导体的压阻效应，直 接用单晶锗或硅等材料经切割、研磨、切条、接引 线、粘贴等工艺制成，其结构如右图所示。 相对金属应变片，半导体应变片的灵敏度系数 很高，温度稳定性和重复性差。 小结： 金属应变片的应变效应以结构 尺寸变化为主，灵敏系数相对小； 半导体应变片的应变效应主要基于电阻率变化(压阻 效应)，其灵敏系数大。 2018/7/4
式中，me为元件的等效质量。
2018/7/4 6
4.1 弹性效应与元件及特性
4.1.2 弹性敏感元件与特性 3）弹性元件的其他特性及重要因素 (2)参数获取方法 根据对具体弹性元件结构的力学分析与实验得 到其特性参数。表3-3-1~3分别给出了一些典型结构 的弹性元件的力学特性、刚度系数和最低固有频率 等参数。 (3)其他重要因素 材料性能影响弹性元件的特性；元件结构对其 功能和性能有影响；温度变化会改变材料的弹性模 量。
4.2.1电阻应变原理与器件 3）应变片的结构和灵敏系数
下图所示为金属箔式应变片实物图片。 灵敏系数：敏感栅存在横向效应等因素影响，使应 变片的灵敏系数小于敏感栅材料的灵敏系数。
通常应变片的灵敏系数通过实验由给定应变下 的电阻值变化确定，即：K= (R/R) -1。
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传感器工作原理
传感器工作原理传感器是一种能够测量环境中各种物理量或化学量的装置，它能够将这些量转化为电信号输出。
它广泛应用于各个行业，如工业生产、交通运输、农业等领域。
本文将介绍传感器的工作原理及其分类。
一、传感器的工作原理传感器的工作原理是基于物理效应或化学效应进行测量。
当受测量物理量或化学量发生变化时，传感器能够通过相应的物理效应或化学效应产生变化，进而将这种变化转化为电信号输出。
目前常见的物理效应有电阻效应、电容效应、电感效应、磁敏效应、光敏效应等。
电阻效应常用于温度传感器，它根据材料的电阻值随温度的变化而变化；电容效应常用于压力传感器，它根据电容的变化来感知压力的变化；光敏效应常用于光敏传感器，它通过光敏元件对光线的敏感度来感知光强的变化。
化学传感器主要利用化学反应来测量化学量，它能够感知环境中的各种气体、液体或固体的成分及浓度。
例如气体传感器可以使用化学物质与气体发生反应，通过反应产生的电信号来判断气体的种类和浓度。
二、传感器的分类根据测量的物理量或化学量不同，传感器可以分为多种类型。
常见的传感器分类有温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光敏传感器、气体传感器等。
温度传感器一般使用电阻效应测量温度的变化。
常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶和热电阻。
热敏电阻是利用导电材料的电阻随温度的变化而变化进行测量的。
随着温度的升高，电阻值逐渐减小，反之温度降低，电阻值逐渐增大。
热敏电阻的应用非常广泛，例如温度控制、气象观测等领域。
热电偶是利用两种不同金属的导电性差异产生的热电势随温度变化进行测量的。
它具有快速响应、测量范围广的特点，被广泛应用于工业领域。
热电阻是利用金属或半导体材料电阻随温度的变化而变化进行测量的。
它具有高精度、稳定性好的优点，被广泛应用于实验室和工业环境。
2. 压力传感器压力传感器主要用于测量气体或液体的压强。
常见的压力传感器有压阻式传感器和压电式传感器。
压阻式传感器利用电阻效应进行测量。
当压力作用在电阻式传感器的敏感元件上时，敏感元件的电阻值产生变化，从而实现对压力的测量。
第二、三讲_常用传感器原理及应用
热释电传感器在人体检测、报警中的应用
热释电元件在红外线检测中得到广 泛的应用。它可用于能产生远红外辐射 的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动 门、自动灯的控制等。
热释电元件外形
热释电传感器工作原理
热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱 型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个 不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动 时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上 的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信 号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面， 它是“视而不见”的。
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
3、光电式浊度计和含沙量测量
将装有浊水的 试管插入仪器中
4.烟雾报警器外形
无烟雾时，光敏 元件接收到LED发射 的恒定红外光。而在 火灾发生时，烟雾进 入检测室，遮挡了部 分红外光，使光敏三 极管的输出信号减弱， 经阀值判断电路后， 发出报警信号。
当被测位移量发生变化时，使线 圈与金属板的距离发生变化，从而导 致线圈阻抗z的变化，通过测量电路 转化为电压输出。高频反射式涡流式 传感器常用于位移测量。
低频透射式涡流传感器多用 于测定材料厚度。发射线圈ω1 和接收线圈ω2分别放在被测材料 G的上下，低频(音频范围)电压e1 加到线圈ω1的两端后，在周围空 间产生一交变磁场，并在被测材 料G中产生涡流i，此涡流损耗了 部分能量，使贯穿ω2 的磁力线 减少，从而使ω2产生的感应电势 e2减小。e2的大小与G的厚度及材 料性质有关，实验与理论证明， e2随材料厚度h增加按负指数规律 减小。因而按e2 的变化便可测得 材料的厚度。
1、变气隙式
L 与δ呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为：
灵敏度S与气隙长度δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度S愈高。 这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1 mm。
传感器中的各种效应
传感器中的各种效应1、霍尔效应:一块长为L，宽为D的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势的现象。
2、热电效应：当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。
3、压电效应:一些离子型晶体的电介质，当沿着一定方向施加机械力作用而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对位移产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的电荷的现象。
正压电效应：当作用方向改变时，电荷的极化也随之改变。
机械能转换为电能的现象。
逆压电效应：当在电介质方向施加磁场时，这些电介质产生几何变形的现象。
又叫“电致伸缩效应”。
4、应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应变化的现象。
5、压阻效应：半导体材料在受外力作用下，电阻率产生变化的现象。
6、光电效应：光照射在物体上可以看成一连串的具有能量的粒子轰击在物体上，这时物体吸收了光子能量后将引起电效应。
这种因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生电效应的现象。
外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。
内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化，引起电阻率或电导率改变的现象。
又叫光电导效应。
阻挡层光电效应：在光线作用下，物体产生一定电动势的现象。
7、磁阻效应：运动的载流子受到洛伦兹力的作用而发生偏转，载流子散射几率增大，迁移下降，电阻增加的现象。
8、应变片温度效应：由温度变化引起应变计输出变化的现象。
9、电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中切割磁力线运动时，到体内将产生漩涡状的感应电流的现象。
10、热释电效应：当温度发生变化时，由于晶体的热膨胀和热震动状态发生变化，从而使自发极化发生变化，在晶体表面产生电荷并表现出极化的现象。
11、磁致伸缩效应：当铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。
传感器与检测技术第二讲1
5、稳定性：
传感器的稳定性一般是指长期稳定性 指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，
如一天、一月或一年，传感器的输出与起 始标定时的输出之间的差异。
包括：
抗干扰稳定性 温度稳定性
6、漂移：
传感器的漂移是指在外界的干扰下，输 出量发生与输入量无关的变化，包括零 点漂移和灵敏度漂移等。
传感器的输出输入作用图
外界影响
冲振
温度
电磁场
供电
输入
线性 滞后 重复性
灵敏度
传感器
误差因素
输出
各种干扰稳定性 温漂 稳定性(零漂)
分辨力
静态特性
灵敏度 分辨率 线性度 重复性 迟滞 稳定性 漂移
1、线性度
线性度是用实测系统输入-输出特性曲线与其拟 合直线之间的最大偏差。又称为非线性误差。
按传感器的工作机理，可分为物理型、化 学型、生物型等。
本课程主要讲授物理型传感器。在物理型传感器中， 作为传感器工作物理基础的基本定律有场的定律、物质 定律、守恒定律和统计定律等。
按传感器的构成原理，可分为结构型与物 性型两大类。
结构型传感器、物性型传感器
结构型传感器结构型传感器是利用物理 学中场的定律构成的，包括动力场的运 动定律，电磁场的电磁定律等。物理学 中的定律一般是以方程式给出的。对于 传感器来说，这些方程式也就是许多传 感器在工作时的数学模型。
3、重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向做
全量程多次测试时，所得特性曲线不一致
性的程度 。
Rmax 100%
R
YFS
或：
2 ~ 3 100%
R
传感器各种效应
一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh。
这种现象称为霍尔效应。
热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。
两点间的温差越大，产生的电动势就越大。
引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。
石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
这种现象称为正压电效应。
反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。
电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
压阻效应，半导体材料在受外力作用下，电阻率产生变化。
①热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电势。
因而有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。
②接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势。
它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。
③温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。
④热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。
所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。
两点间的温差越大，产生的电动势就越大。
引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。
⑤热电偶三定律a 中间导体定律热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。
在用热电偶测温时，连接导线及显示一起等均可看成中间导体。
根据传感器感知外界信息所依据的基本效应
传感器是一种能够感知和测量外界信息的装置，它通常能够将这些信息转化为可处理的电信号或其他形式的信号。
传感器的工作原理是依靠一些基本的物理效应来感知外界的变化，进而完成信息的采集和传输。
本文将主要介绍一些常见的传感器所依据的基本效应，以及这些效应在传感器工作中的应用。
一、压阻效应压阻效应是指当物体受到外力作用时，其电阻发生变化的现象。
这种效应常被应用在压力传感器中，通过测量物体受压时电阻值的变化来计算压力大小。
这种传感器常被用于工业控制、汽车制动系统等领域。
二、霍尔效应霍尔效应是指当导体带电流通过时，在磁场中会产生电势差的现象。
基于霍尔效应的传感器通常被应用于测量磁场强度、检测电流方向等方面，例如在电动机控制、电子罗盘等领域。
三、热敏效应热敏效应是指物质在温度变化下呈现出电阻、电压或电流等特性发生变化的现象。
基于热敏效应的传感器常被应用于温度测量、红外探测等方面，在家电、医疗设备等领域有着广泛的应用。
四、光敏效应光敏效应是指物质在光照作用下发生电阻、电压或电流等特性变化的现象，包括光电效应、光致电势效应等。
基于光敏效应的传感器通常被应用于光强测量、光电开关、图像传感等领域。
五、压电效应压电效应是指某些晶体或陶瓷在受到机械应力作用下产生电荷的现象。
基于压电效应的传感器常被应用于声波传感、压力传感等方面，例如在声学、电子设备等领域有着广泛的应用。
六、磁电效应磁电效应是指某些材料在外加电场作用下呈现出磁化的现象。
基于磁电效应的传感器通常被应用于磁场测量、数据存储等方面，在电子、通信等领域有着广泛的应用。
传感器感知外界信息所依据的基本效应是多种多样的，其应用领域也十分广泛。
随着科技的不断进步，传感器的种类和功能也在不断扩展和深化，为人们的生产生活带来了许多便利和创新。
希望本文所介绍的传感器基本效应能够帮助读者更好地理解传感器的工作原理和应用领域，为相关领域的研究和应用提供一定的参考价值。
随着科技的不断进步，传感器技术也在不断发展和完善。
第二讲传感器的基础效应
检测 对象
类型 电阻式
效应 电阻应变效应
输出信号 电阻 电压 频率 感抗 电压
器件举例 金属应变片
主要材料 康铜、卡玛合金
压阻效应
压电效应
半导体应变片
压电元件
Si、Ge
石英、压电陶瓷
压电式 机械 量
正、逆压电效应 压磁效应 霍尔效应 光电效应
声表面波传感 石英、ZnO+Si 器 压磁元件及其 硅钢片、坡莫合 传感器 金 霍尔元件及其 传感器 GaAs、Si、 InAs 参见前表
物性型传感器的基础效应
物性型传感器是利用某些物质（半导体、陶瓷、压电晶体、 强磁性体、超导体）的物理性质随外界待测量的作用而发生 变化原理制成的。它利用了诸多效应（包括物理效应、化学 效应、生物效应）和物理现象。下面分类介绍主要物性型传 感器所基于的效应及使用的材料。
检测 类 对象 型
效应 光电导效 应
PbTiO3， PVF2 石英
Nernst红外探测 热敏铁氧体 器
检测 对象
类型
效应 霍尔效应
输出信号 电压 电阻
器件举例 霍尔元件，霍 尔IC,MOS霍 尔IC 磁阻元件 磁敏晶体管
主要材料
磁电式 磁
磁阻效应
电流 约瑟夫逊效应 磁光法拉第效应 磁光克尔效应 噪声电压 偏振光面偏 转 超导量子干涉 Pb，Sn 器件 光纤传感器
F VH el
• 式中： V—磁光效应常数或费尔德常数，与介质性质及光波 频率有关，可正可负；He—外磁场强度。
• 利用法拉第效应的弛豫时间不大于 10-10秒量级的特点，可制 成磁光效应磁强计。磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交 变强磁场； • 利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽 的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场等。
传感器原理及其应用_传感器基础效应
传感器的基础效应物联网工程专业2011班目录光电效应邹烈勇泡克耳斯效应陈黎妮克尔效应陈萍电致发光效应黄慧莹电致发光效应黄慧莹法拉第效应谢晓君磁光克尔效应李菁雯科顿-穆顿效应杨紫霜塞曼效应陈丹光磁效应王行健霍尔效应陈昊磁阻效应董扬帆巨磁阻效应董扬帆塞贝克效应时红杰珀尔帖效应陈霖汤姆逊效应陈天恒压电效应谢榕声音的多普勒效应陶焕声电效应刘进声光效应董涛磁声效应柯奕佳纳米效应余耀光弹效应戴敬禹光电效应邹烈勇中文名称：光电效应英文名称：photoelectric effect外光电效应现象物质吸收光子并激发出自由电子的行为。
历史光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。
大约1900年，马克思·普朗克（Max Planck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。
1902年，勒纳（Lenard）也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。
但无法根据当时的理论加以解释。
1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应。
基本原理外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。
当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子。
材料Ag-O-Cs，Cs-Sb应用传感器上的应用：制成光电管，光电倍增管生活中的应用：发光二极管（LED）泡克耳斯效应陈黎妮英文名称Pockels effect理论来源1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。
一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应，称为电致双折射。
例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的不加电场时，入射光在晶体内不发生双折，加电场时。
晶体发生双折射。
泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。
基本定义耳斯效应（Pockels）：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比，这种电光效应即为泡克耳斯效应。
3传感器与基础效应
传感器与基础效应物性型传感器是利用某些物质(如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等)的物性随外界待测量作用而发生变化的原理制成。
它利用了诸多的效应(包括物理效应、化学反应和生物效应)和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏、气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量。
而新原理、新效应(如约瑟夫逊效应)的发现和利用，新型物性材料的开发和应用，使物性型传感器得到很大的发展，并逐步成为传感器发展的主流。
因此了解传感器所基于的各种效应，对物性型传感器的深入理解、开发和使用是非常必要的。
表l—4—1列出了主要物性型传感器所基于的物理效应及所使用的材料。
第一节光电效应物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应。
被释放的电子称为光电子。
光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流。
光电效应的实验规律为：(1)光电流的大小与入射光的强度成正比；(2)光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光强度无关；(3)当入射光的频率低于某一极限频率(称为红限频率，随金属不同而异)时，不论光强的强弱，照射时间的长短，均无光电子产生；(4)从光照开始到光电子被释放出来，整个过程只需10-9s以下的时间。
上述光电效应的实验规律巳由爱因斯坦的光量子理论给予了完满的解释。
光电效应一般分为光电子发射效应、光导效应和光生伏特效应三类。
一、光电子发射效应光电子发射效应又称外光电效应。
它是指金属在光的照射下，释放的光电子逸出金属表面的现象，是1887年由德国人赫芝发现的。
基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。
光子是具有能量hv的粒子。
频率为v的光则是以一群能量各为hv的粒子在空间传播。
当金属中的电子吸收了入射光子的能量时，若足以克服逸出功φ，那么电子就会逸出金属表面，产生光电子发射，逸出的光电子动能为：式中h——普朗克常数，为6．6261×10-34(J·s)；v——光的频率(s-1)；m e——电子质量，m e=9．1095×10-31(kg)；v0——电子逸出速度(m·s-1)；φ——超出功(J)，也称功函数，是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功，其值与材料有关，还与材料表面状态有关。
传感器各种效应
一块长为l、宽为d的半导体薄片置于磁感应强度为磁场（磁场方向垂直于薄片）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Uh。
这种现象称为霍尔效应。
热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。
两点间的温差越大，产生的电动势就越大。
引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。
石英晶体在沿一定的方向受到外力的作用变形时，由于内部电极化现象同时在两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，恢复到不带电的状态；而当作用力方向改变时，电荷的极性随着改变。
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
这种现象称为正压电效应。
反之，如对石英晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随之消失，称为逆压电效应。
电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。
压阻效应，半导体材料在受外力作用下，电阻率产生变化。
①热电动势：两种不同材料的导体（或半导体）A、B串接成一个闭合回路，并使两个结点处于不同的温度下，那么回路中就会存在热电势。
因而有电流产生相应的热电势称为温差电势或塞贝克电势，通称热电势。
②接触电动势：接触电势是由两种不同导体的自由电子，其密度不同而在接触处形成的热电势。
它的大小取决于两导体的性质及接触点的温度，而与导体的形状和尺寸无关。
③温差电动势：是在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的一种电势。
④热电偶测温原理：热电偶的测温原理基于物理的“热电效应”。
所谓热电效应，就是当不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两个结点的温度不同，那么在回路中将会产生电动势的现象。
两点间的温差越大，产生的电动势就越大。
引入适当的测量电路测量电动势的大小，就可测得温度的大小。
⑤热电偶三定律a 中间导体定律热电偶测温时，若在回路中插入中间导体，只要中间导体两端的温度相同，则对热电偶回路总的热电势不产生影响。
在用热电偶测温时，连接导线及显示一起等均可看成中间导体。
传感器的效应有哪些
传感器的效应有哪些传感器是利用材料感应的各种物理量转化成电量的装置。
了解这些效应，有利于对传感器的理解和使用。
一、光电效应。
光电效应是指物质在光的作用下释放电子的现象。
可分为内光电效应和外光电效应。
二、电光效应。
电光效应指物质的光特性由于电场的影响而发生变化的现象。
电光效应主要有泡可耳斯效应和克尔效应。
三、磁光效应。
磁光效应指物质的光特性由于磁场的影响而发生变化的现象。
磁光效应主要有塞曼效应、法拉第效应、磁光克尔效应和科顿-蒙顿效应。
四、磁电效应。
材料在通电的情况下置于磁场中所发生的现象。
磁电效应主要有霍尔效应、磁阻效应和苏里效应。
五、热电效应和热释电效应。
热电效应指的是温差电效应，热释电效应则是晶体在受热温度变化时，原子排列发生变化，晶体自身极化的效应。
热电效应主要有赛贝尔效应、柏尔帖效应和汤姆逊效应。
六、热磁效应。
热磁效应指金属两端有温差时，其间存在热流，在与热流垂直方向加以一定的磁场而产生的现象。
热磁效应主要有横向Nernst效应、纵向Nernst效应和热磁纵向效应。
七、压电效应。
压电效应分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应指电介质受一定方向力的发生变形，其两个表面将产生异乡电荷，当外力消失，又恢复正常的现象。
逆压电效应指电介质在极化方向施加一定的电场，发生变形，当电场消失，恢复电场的现象。
八、压阻效应。
压电效应指材料在外力作用下，电阻率发生变化的现象。
九、声光效应。
声光效应指介质在声波作用下，光学特性发生变化的现象。
典型的有超声波的声光特性。
十、其他效应。
其他效应主要有磁致伸缩效应、压磁效应、约瑟夫逊效应与核磁共振、多普勒效应、声电效应、放射线效应、击波动态效应等等。
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物性型传感器是利用某些物质（半导体、陶瓷、压电晶体、 强磁性体、超导体）的物理性质随外界待测量的作用而发生 变化原理制成的。它利用了诸多效应（包括物理效应、化学 效应、生物效应）和物理现象。下面分类介绍主要物性型传 感器所基于的效应及使用的材料。
检测 类 对象 型
效应 光电导效 应
输出信 号 电阻
器件举例 光敏电阻
主要材料 可见光：CdS；CdSe 红外:PbS;InSb Si,Ge,InSb Pt-Si Ag-O-Cs,Cs-Sb 超导体 BaTiO3
光
光敏二极管、三极管、 光电池 量 光生伏特 电流、 效应 电压 子 肖特基光敏二极管 型 光电子发 电流 光电管、光电倍增管 射效应 约瑟夫逊 效应 热 热释电效 型 应 电压 电荷 红外传感器 红外传感器、红外摄 像管
横向光电效应
当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分吸收入射光子 的能量产生电子-空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分 的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要 扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则 电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被 光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。 这种现象称为横向光电效应，也称为侧向光电效应。基于该效 应的光电器件有半导体光电位臵敏感器件(PSD)。 光磁电效应
压磁式 磁电式
光电式 光弹性效应 折射率
各种光电器件 及其传感器
压力、振动传 感器
检测 对象
类型
效应 塞贝克效应
输出信号 电压
器件举例 热电偶
主要材料
热电式 温度 压电式 热型
约瑟夫逊效应 热释电效应
正、逆压电效 应 热磁效应
噪声电压 电荷
频率 电场
绝对温度计 驻极体温敏元件
声表面波温度传 感器
超导体
检测 对象
类型 电阻式
效应 电阻应变效应
输出信号 电阻 电压 频率 感抗 电压
器件举例 金属应变片
主要材料 康铜、卡玛合金
压阻效应
压电效应
半导体应变片
压电元件
Si、Ge
石英、压电陶瓷
压电式 机械 量
正、逆压电效应 压磁效应 霍尔效应 光电效应
声表面波传感 石英、ZnO+Si 器 压磁元件及其 硅钢片、坡莫合 传感器 金 霍尔元件及其 传感器 GaAs、Si、 InAs 参见前表
红限频率为： 0 A0 / h 对应的波长限为：
0 hc / A0
式中：c为真空中的光速，c ≈ 3×108m/s。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即 光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。
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。
• 电致发光是将电能直接转换为光能的过程。基于电致发光效 应的器件有发光二极管、半导体激光器等。
5.电致变色效应 • 这种在电流或电场的作用下 , 材料发生可逆变色的现象，称 为电致变色效应。 • 基于致变色效应的主要器件有信息显示器件、电致变色灵巧 窗、无眩反光镜、电色储存器件等。
三、 磁光效应
PbTiO3， PVF2 石英
Nernst红外探测 热敏铁氧体 器
检测 对象
类型
效应 霍尔效应
输出信号 电压 电阻
器件举例 霍尔元件，霍 尔IC,MOS霍 尔IC 磁阻元件 磁敏晶体管
主要材料
磁电式 磁
磁阻效应
电流 约瑟夫逊效应 磁光法拉第效应 磁光克尔效应 噪声电压 偏振光面偏 转 超导量子干涉 Pb，Sn 器件 光纤传感器
1 2 根据能量守恒定理: h 速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面 电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都 有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于 红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限 频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光 频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。
F VH el
• 式中： V—磁光效应常数或费尔德常数，与介质性质及光波 频率有关，可正可负；He—外磁场强度。
• 利用法拉第效应的弛豫时间不大于 10-10秒量级的特点，可制 成磁光效应磁强计。磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交 变强磁场； • 利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽 的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场等。
臵于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性 （如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应。 法拉第效应 磁光克尔效应 科顿-穆顿效应 塞曼效应 光磁效应
1.法拉第效应
• 当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加 一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度与外磁场强 度和光穿越介质的长度的乘积成正比，即：
KDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心 的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在 晶体内能对某种方向的入射光产生双折射
2.克尔效应 • 1875年英国物理学家克尔发现，光照射具有各向同性的透明 物质，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现 象。 • 因两个主折射率之差正比于电场强度的平方，故这种效应又 称作平方电光效应。
n ne no KE
2
克尔效应
电致双折射
克尔效应 接入极间电压， 使两极板间产生电 场，液体变成各向 异性媒质，并产生 双折射，系统末端 有光输出，其响应 极快，信号频率可 高达 10 10 Hz ,能用 作高速“光阀门”。
偏振片1
偏振片2
在装有平行板电容器的透明盒内， 充以某种特定的液体（如硝基苯）
结光电效应 如图，由半导体材料形成的 PN 结，在P区的一侧，价带中有较多 的空穴，而在N区的一侧，导带中有较多的电子。由于扩散的结果， 使P区带负电、N 区带正电，它们积累在结附近，形成 PN结的自建 场，自建场阻止电子和空穴的继续扩散，最终达到动态平衡，在 结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒。 在入射光照射下，当光子能量 hv 大于光电导材 料的禁带宽度 Eg 时，就会在材料中激发出光生 电子-空穴对，破坏结的平衡状态。在结区的光 生电子和空穴以及新扩散进结区的电子和空穴， 在结电场的作用下，电子向 N 区移动，空穴向 P 区移动，从而形成光生电流。这些可移动的电 子和空穴，称为材料中的少数载流子。在探测 器处于开路的情况下，少数载流子积累在 PN 结 附近，降低势垒高度，产生一个与平衡结内自 建场相反的光生电场，也就是光生电动势。
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大 于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导 带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加， 从而使电导率变大。
导带 Eg
禁带 价带
自由电子所占能带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁 带宽度Eg，即 hc 1.24 h Eg 式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
3.光弹效应 • 某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性 体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。这称作应力 致双折射或光弹效应。
• 光弹效应的双折射是暂时的，应力解除后即消失。光弹性效 应可用于研究机械零件、建筑构件等物体内部应力的情况。
• 利用光弹效应可制成压力、振动、声响传感器。
4.塞曼效应 • 原子在磁场中能级和光谱发生分裂的现象。 • 塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。在天体物理中， 塞曼效应被用来测量天体磁场及星际磁场。 • 因变化量极小，难用于传感器，但可用于激光稳频，制成双 频激光器。
四、磁电效应
将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中产生的各种物 理变化，称为磁电效应。它包括电流磁效应和狭义的磁电效 应。 电流磁效应是指磁场对通电的物体引起的电效应，如霍尔效 应和磁阻效应；狭义的磁电效应是指物体由电场作用产生的 磁化效应或由磁场作用产生的电极化效应，前者称作电致磁 电效应，后者称作磁致磁电效应。
3.科顿-穆顿效应
• 科顿和穆顿于1907年发现光从处在横向磁场内的液体中通过 时，产生双折射现象，称为科顿 - 穆顿效应，或磁致双折射 效应。实验证实，处在外磁场内的媒质的二主折射率之差正 比于磁感应强度H的平方：
• 式中， C’ 为科顿 - 穆顿常数，它与光波波长λ和温度有关， 与磁场强度无关。
磁光调制器
2.磁光克尔效应
• 平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生 的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面的偏转角度随磁场强 度而变化，这种现象叫磁光克尔效应。
• 克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴。
• 磁畴是指磁性材料内部的一个个 小区域，每个区域内部包含大量 原子，这些原子的磁矩都象一个 个小磁铁那样整齐排列，但相邻 的不同区域之间原子磁矩排列的 方向不同。 • 不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不 同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应 的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。
1.霍尔效应 置于磁场中的载流 导体，当它的电流方向 与磁场方向不一致时， 载流导体上平行电流和 磁场方向上的两个面之 间产生电动势，这种现 象称为霍尔效应。
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载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转，从而形 成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时， 累积电荷形成稳定的电势UH 。