常用物理传感器工作原理及应用

常用物理传感器工作原理及应用

摘要：在随着现代工业自动化及测量技术程度不断提高，诸多传感器被广泛应用，是控制、监测、计量系统必不可少的部分，在测量转换原始数据的准确度、

精度和反应速度时，传感器作为末端基础原件，其作用至关重要。鉴于此，文章

重点针对各类传感器工作原理进行了分析，以供参考。

关键词：传感器；传感器原理；热敏传感器；光敏传感器；传感器应用

1传感器发展史概述

“传感器”一词在20世纪末才出现在人们视线中，最早的传感器其实是“称”

和“温度计”，是最早将外界信号转换成可量化数字的工具。世界上最原始的秤，

石块砝码发现于今巴基斯坦境内的印度河文明遗址（约2400-1800），距今已有三、四千年的历史。古埃及人在同时代（约1878）的记载中也有提及。在中国，

秤的出现在春秋中晚期，已经制造了小型的衡器—木衡、铜环权，用来称黄金货币；17世纪伽利略发明了温度计，真正把温度信号变成电信号的传感器是在

1821年德国物理学家赛贝发明的，这是后来的热电偶传感器，在过了50年后德

国人西门子发明了铂电阻温度计。在本世纪半导体出现后相继开发了半导体热电

偶传感器、PN结温度传感器。与此同时，根据光和波与物质相互作用的规律，相继发明了声学传感器、红外传感器和微波传感器、光电传感器。

2传感器分类

2.1根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类：物理传

感器应用的是物理效应，将测量信号的微弱变化通过压电效应、热电、光电、气电、磁电、离化、极化、射线、磁致伸缩现象转换成电信号。化学传感器包括那

些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化

也将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果

关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

2.2传感器根据检测用途分类有：压敏、光敏和力敏传感器、位置传感器、

液面传感器、能耗传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达

传感器。

2.3传感器按照输出信号分类：模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器、

开关传感器。

2.4根据材料标准分类：

（1）所用材料的类别分：金属聚合物、陶瓷混合物。

（2）材料的物理性质分：导体、绝缘体、半导体、磁性材料。

（3）材料的晶体结构分：单晶体、多晶体、非晶体材料。

2.5根据制造工艺分：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。 3各类传感器原理及特点

3.1压敏传感器

应用最广泛的是压阻式传感器，它具有生产成本低和较高的精度及良好的线

性特性。其原理根据电阻应变效应，电阻应变片紧密粘结在力学应变体上，当载

体基本受力发生变化时电阻应片跟着一起发生变形（S、L变化），使阻值（R）

变化，从而使加在电阻上的电压发生微小变化，再经过电路将信号放大后传送给

A/D转换电路或CPU执行显示。

R表示电阻，ρ表示电阻率，L表示长度，S表示截面积。

电阻应变片阻值一般在几十欧至几十千欧，压电式传感器需要外力作用后产输入阻抗变化，因此只能测量动态应力，主要应用在加速度、压力和力等测量中。

3.2热敏传感器

热敏传感器基本原理是利用在温度变化时金属、半导体材料的电阻产生相应的温度变化

特性，基本构成分两类型，热敏电阻传感器和半导体热敏传感器。

•热电阻传感器是最常用的一种温度检测器，多数由纯金属材料制成，目前使用最多的是铜

和铂，其中铂电阻应用最广泛，它主要特点是测量精度高，性能稳定，工作温度范围广，常

用PT100，-50℃—600℃，而陶瓷铂电阻测量温度最高达到-250℃—850℃。铂电阻的电阻值

与温度之间关系如下:

正温度系数0~650℃ Rt=R0（1 +At + Bt²）

负温度系数-200~0℃ Rt=R0[1 +At + Bt²+ C（t-100）t³]

其中，R0为热敏电阻标称0℃温度（铂100），Rt为温度t时的电阻值

A=3.96847*10³℃

B=5.847*10-7℃

C=-4.22*10-12℃

铂电阻是用0.03~0.07mm的铂丝绕在云母片上制成的片形支架，绕组的两面用云母片夹住绝缘，最外面加保护套防止侵蚀、氧化。

•半导体热敏传感器是利用半导体PN结的结电阻的温度特性制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而显著变化，电阻温度系数大、灵敏度高、热惯性小、反应速度快、体积小、

结构简单、使用方便、寿命长，易于实现远距离测量等特点得到广泛应用。PN结电阻在不同温度下有差别的，根据这个阻值的变化就可以测量环境温度的变化。N型半导体，在硅或锗

等本征半导体材料中掺入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成了以电子导电为主的半导体。P型半导体，在硅或锗等本征半导体材料中掺入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就就成

了以空穴导电为主的半导体。紧密相连的P型半导体和N型半导体之间会形成一个空间电荷

区称PN结。PN结的结电阻、结电容等参数都是随温度变化的，利用这种变化制作温度传感器。由PN结理论可知，当通过电流If不变时，PN结两端电压Ut随温度t上升而下降，近

似线性关系，硅管结电压常温下为0.7V，t↑1℃→Ut↓1.8~2.2mV。半导体热敏电阻值与温度

间关系：

RT=R∞eB/T

式中 RT是为T时的热敏电阻值，T为热力学温度，R∞和B为经验常数。

电阻温度系数:是热敏电阻对温度变化反应的灵敏度

α=dRT÷RTdT= -B÷T2

3.3光敏传感器

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过电子线路放大处理。它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重

要的地位。光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD 和CMOS 图像传感器等。光敏传感器最基本的组成是光敏电阻，其工作原理是基于内光

电效应，光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻，主要制作材料是金属硫化物、

硒化物、和碲化物等半导体，随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射

光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为

电的变化）光敏传感器内装有一个高精度的光电管，光电管内有一块由”针式二管”组成的小

平板，当向光电管两端施加一个反向的固定压时，任何光了对它的冲击都将导致其释放出电子，当光照强度越高，光电管的电流也就越大。光谱范围从紫外线区到红外线区。光敏电阻

不受光照时的电阻称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电