几种典型的传感器敏感材料及器件-光学特性解析
传感器材料与典型结构
传感器材料与典型结构一、传感器材料传感器材料分半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料四大类。
半导体传感器材料主要是硅，其次是锗、砷化镓、锑化铟、碲化铅、硫化镉等。
主要用于制造力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器。
陶瓷传感器材料主要有氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化锆、氧化钛、氧化铝、钛酸钡等，用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。
金属用作传感器的功能材料不如半导体和陶瓷材料广泛，主要用在机械传感器和电磁传感器中，用到的材料有铂、铜、铝、金、银、钴合金等。
有机材料用于传感器还处在开发阶段，主要用于力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器，所用材料有高分子电解质、吸湿树脂、高分子膜、有机半导体聚咪唑、酶膜等。
依据传感器材料的功能特性可制成各种传感器，按工作原理可分为物理传感器和化学传感器两大类，前者利用吸力、热、光、电、磁和声等物理效应，后者则利用化学反应的原理。
由于很多材料既具有物理特性又具有化学特性，因此很难进行严格的分类。
物理传感器应用范围广泛，其中的力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、称重传感器、测位传感器、位移传感器、接近传感器和加速度传感器等是社会生活中常见的传感器。
二、传感器典型结构传感器通常由敏感元件、转换元件及基本转换电路三部分组成。
敏感元件是指能直接感受被测量的部分，它将被测量转换成可供传输的其他量（如光、电等）；转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量（如电压、电流、电阻等）；基本转换电路则将电路参量转换成便于测量的电量，它完成传感器与测量仪表之间的电路连接、信号放大与传输、阻抗匹配等。
图1是传感器的典型结构框图，人们通常只把传感器系统简化为敏感元件和转换元件两部分而忽略基本转换电路。
（一）敏感元件敏感元件是直接感受被测量，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出量的元件。
敏感元件是传感器的核心元件，其性能（如灵敏度、精确度、抗干扰能力、可靠性、稳定性、时间漂移、温度漂移、响应时间等）在很大程度上决定了传感器的性能。
传感器的敏感材料与敏感元件介绍
3.2.1 温度敏感陶瓷材料
❖ 陶瓷温度传感器是利用陶瓷材料的电阻、磁性、介电、半 导等物理性质随温度而变化的现象制成的，其中电阻随温度 变化显著的称为热敏电阻。对热敏电阻的基本特性要求包括 有：①电阻率；②温度系数的符号与大小；③稳定性。
❖ 按热敏电阻的温度特性可分为负温度系数热敏电阻 （NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度电阻 （CTR）3类。
❖ 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。
❖ 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。
3.1 半导体敏感材料及元件
❖ 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。
图3-8 TiO2含量对电阻的影响
❖ 3 钙钛矿型结构陶瓷湿度敏感材料
钙钛矿型结构的化学通式为ABO3 ，具有钙钛矿结构的纳米 级复合氧化物陶瓷材料的表面、界面性质优异，对环境湿气 度化非常敏感，是湿度敏感材料发展的新方向。 BaTiO3晶体是较早被人们认识的铁电材料之一。BaTiO3具 有很好的湿敏性质，随着BaTiO3颗粒尺寸的减小，湿敏特 性提高，响应加快。
积的空隙中。间隙较小的
是氧四面体中心，为A位置，
间隙较大的则是氧八面体
位置，为B位置。
图3-6 两种结构类型
❖ （2） 典型的尖晶石结构陶瓷湿度敏感材料 纯MgCr2O4为正尖晶石结构，是绝缘体，不宜用作感湿材料。 当加入适量杂质，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高温煅 烧，瓷体中呈现过量的MgO时， MgCr2O4即形成半导体。 图3-7表示MgCr2O4中添加受主 杂质MgO时对电阻率的影响。
传感器的典型组成
传感器的典型组成传感器是一种可以将物理量转换为易于测量的电信号或其他形式的设备。
它们广泛应用于各个领域，如工业自动化、交通运输、医疗保健、环境监测等。
下面是传感器的典型组成。
1.敏感元件（传感器元件）敏感元件是传感器中最重要的组成部分，用于将被测物理量转换为与之成正比的电信号。
敏感元件的选择取决于被测量的类型。
常见的敏感元件有以下几种：1.1压力敏感元件：如压电传感器、电阻应变片等。
1.2温度敏感元件：如热电偶、热敏电阻等。
1.3光敏元件：如光电二极管、光敏电阻等。
1.4湿度敏感元件：如湿敏电阻、湿敏电容等。
1.5磁敏元件：如霍尔传感器、磁阻传感器等。
2.信号转换电路信号转换电路用于将敏感元件输出的微弱电信号转换为易于处理的适当信号形式。
这包括放大、滤波、线性化等处理。
信号转换电路根据传感器的类别和输出电信号的特性来确定。
3.特定的电路和处理器芯片特定电路和处理器芯片用于进一步处理和分析传感器输出的信号，在传感器系统中起着关键作用。
这些电路和处理器芯片通常与传感器密切集成，以满足具体应用的需求。
例如，对于汽车中的碰撞传感器，可以使用特定电路和处理器芯片来进行碰撞检测和报警。
4.连接接口传感器通常需要与其他设备或系统进行通信和交互，因此连接接口是传感器系统中的重要组成部分。
常见的连接接口包括模拟接口、数字接口、无线接口等。
这些接口可以使传感器与计算机、控制系统或其他传感器进行数据交换和通信。
5.供电系统传感器通常需要一定的能量来运行，供电系统包括电池、电源电路等，用于为传感器提供能量。
供电系统还可以包括传感器功耗管理功能，以延长传感器的使用寿命。
6.外壳和保护装置外壳和保护装置用于保护传感器免受环境因素的干扰和损坏。
外壳通常由金属或塑料制成，具有防尘、防水和抗冲击等特性。
保护装置可以防止传感器敏感元件直接接触到外部环境，提高传感器的稳定性和可靠性。
总之，传感器的典型组成包括敏感元件、信号转换电路、特定电路和处理器芯片、连接接口、供电系统以及外壳和保护装置。
分别列举10种接触、非接触传感器种类及原理
分别列举10种接触、非接触传感器种类及原理接触式位移传感器：1位移传感器及其原理：计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。
“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。
几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。
一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。
计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。
下面以透射光栅为例加以讨论。
透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。
目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。
光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。
一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。
为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。
当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。
由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。
如图 1，此信号是一直流信号和近视正弦的周期信号的叠加，周期信号是位移x的函数。
每当x变化一个光栅栅距W，信号就变化一个周期，信号由b点变化到b’点。
由于bb’=W，故b’点的状态与b点状态完全一样，只是在相位上增加了2π。
（上海德测电子科技有限公司产品）2螺杆式空压机压力传感器螺杆式空压机压力传感器:是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压力传感器。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。
其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。
光敏传感器的分类
光敏传感器的分类光敏传感器是一种可以将光信号转换成电信号的设备，广泛应用于光电子学、生物医学、环境监测等领域。
根据其工作原理和应用场景的不同，光敏传感器可以分为多种类型。
本文将对几种常见的光敏传感器进行分类介绍。
一、基于材料的分类1.硅基光敏传感器硅基光敏传感器是最常见的一种光敏传感器，其主要材料为硅。
硅基光敏传感器具有响应速度快、灵敏度高等优点，适用于高速数据采集和测量领域。
同时，硅基光敏传感器还可以通过微加工技术制造出微小尺寸的芯片，因此在集成电路中得到广泛应用。
2.化合物半导体光敏传感器化合物半导体光敏传感器是由多种元素组成的半导体材料制成的。
与硅基光敏传感器相比，化合物半导体材料具有更宽的能带间隙和更高的载流子迁移率，因此具有更高的响应速度和灵敏度。
此外，化合物半导体材料还可以通过控制其成分和结构来调节其光谱响应范围，从而实现更广泛的应用。
3.有机光敏传感器有机光敏传感器是利用有机分子的光电性质制成的。
与无机材料相比，有机材料具有更低的成本和更容易加工的特点。
此外，由于有机材料具有较大的分子结构，因此可以通过改变其分子结构来调节其光电性能。
然而，由于有机材料容易受到环境影响，因此其稳定性和长期可靠性需要进一步提高。
二、基于工作原理的分类1.光电二极管光电二极管是一种最简单的光敏传感器，由一个PN结和一个透明外壳组成。
当光照射到PN结时，会产生载流子，并在PN结上形成电场。
这个电场可以将载流子集中到PN结上，并形成一个输出电流信号。
由于其简单的结构和快速响应时间，在自动控制、测量仪器等领域得到广泛应用。
2.光敏三极管光敏三极管是在光电二极管的基础上发展而来的，其结构类似于普通的三极管。
当光照射到PN结时，会产生电子和空穴，并被漂移到PN 结的P区和N区中。
这些载流子可以被集中到基极上，并控制其输出电流。
与光电二极管相比，光敏三极管具有更高的放大倍数和更低的噪声水平。
3.光敏场效应晶体管光敏场效应晶体管是一种利用场效应原理制成的光敏传感器。
光学传感元件
光学传感元件光学传感元件是一类用于检测和转换光信号的器件，可以将光能转化为电信号、机械位移或其他形式的输出信号。
这些元件在许多领域中被广泛应用，包括光学通信、生物医学、环境监测和工业控制等。
以下是几种常见的光学传感元件：➢光电二极管（Photodiode）：光电二极管是最常见的光学传感器之一，用于将光能转化为电流或电压信号。
当光照射到光电二极管上时，光子会引起半导体材料内部的电子跃迁，产生电流。
➢光敏电阻（Photoresistor）：光敏电阻是一种根据光强度变化而改变电阻值的元件。
它的电阻随着光的强度而变化，从而实现对光信号的检测和测量。
➢光纤传感器（Fiber Optic Sensor）：光纤传感器利用光纤作为传感元件，通过测量光信号的变化来检测和测量各种物理量。
光纤传感器具有高灵敏度、抗干扰性强和远距离传输等优点。
➢光栅（Grating）：光栅是一种具有周期性结构的元件，可用于分光、波长选择、光谱分析和激光调谐等应用。
通过光栅的衍射效应，可以实现对光信号的频率或波长选择性响应。
➢激光二极管（Laser Diode）：激光二极管是一种将电能转化为激光光束输出的元件，常用于激光测距、光通信和激光雷达等领域。
➢光学编码器（Optical Encoder）：光学编码器使用光栅和光敏元件，将机械运动转换为光信号，并通过解码来获取位置和速度信息。
它广泛应用于机器人、数控系统和航空航天等领域。
这只是一小部分常见的光学传感元件，还有其他许多类型的光学传感器和器件，每种都在特定的应用中发挥不同的作用。
这些光学传感元件在不同的工程和科学领域中起到关键的作用，推动了光学技术和应用的发展。
各类传感器原理及说明
各类传感器原理及说明传感器是一种用于感知环境变化并将变化转化成可测量的信号输出的设备。
它是现代智能系统中不可或缺的部分，广泛应用于各个领域，如工业控制、交通运输、医疗设备等。
本文将介绍一些常见的传感器，包括光电传感器、压力传感器、温度传感器、声音传感器和加速度传感器，并对它们的原理和应用进行说明。
1.光电传感器：光电传感器是一种利用光敏元件感知光的存在和强度的装置。
它通常由光源、接收器和信号处理电路组成。
光源发射光束，射向目标物体，当光束被反射或吸收时，接收器接收光信号并将其转化为电信号。
光电传感器可以用于检测物体的存在、位置和颜色等信息，广泛应用于自动化控制、测距仪等领域。
2.压力传感器：压力传感器是一种测量压力的装置。
它通常由传感器芯片、密封部件和信号处理电路组成。
传感器芯片可根据受力大小产生相应的电信号，信号处理电路通过放大和滤波等处理，将输出与压力成正比的电压或电流信号。
压力传感器可以用于测量气体和液体的压力情况，广泛应用于环境监测、工业控制等领域。
3.温度传感器：温度传感器是一种测量温度的装置。
常见的温度传感器有热电偶和热敏电阻等。
热电偶通过两种不同金属的连接产生温差效应，将温差转化为电信号输出；热敏电阻则是利用电阻值随温度变化的特性来测量温度。
温度传感器广泛应用于气象、医疗设备、热水器等领域。
4.声音传感器：声音传感器是一种测量声音的装置。
常见的声音传感器有麦克风和声压传感器等。
麦克风通过接收声音引起的振动，并将振动信号转化为电信号输出；声压传感器则通过测量声音引起的压力差，将压力差转化为电信号输出。
声音传感器广泛应用于通信、声音识别等领域。
5.加速度传感器：加速度传感器是一种测量物体加速度的装置。
它通常由质量块和压电传感器等组成。
当物体受到加速度作用时，质量块受力产生位移，压电传感器将位移转化为电信号输出。
加速度传感器广泛应用于汽车、航空航天、运动感应等领域。
总之，传感器是现代智能系统中必不可少的重要组成部分。
常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍
常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍做迎：翼彳传感器由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。
敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
②化学类，基于化学反应的原理。
③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将传感器分46类）。
下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。
一、温度传感器及热敏元件温度传感器主要由热敏元件组成。
热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。
以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。
1、半导体热敏电阻的工作原理按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。
⑴正温度系数热敏电阻的工作原理此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。
纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。
它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。
当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。
因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3〜440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
传感器的分类_传感器的原理与分类_传感器的定义和分类
传感器得分类＿传感器得原理与分类_传感器得定义与分类传感器得分类方法很多.主要有如下几种：(１)按被测量分类,可分为力学量、光学量、磁学量、几何学量、运动学量、流速与流量、液面、热学量、化学量、生物量传感器等.这种分类有利于选择传感器、应用传感器(2)按照工作原理分类，可分为电阻式、电容式、电感式，光电式，光栅式、热电式、压电式、红外、光纤、超声波、激光传感器等。
这种分类有利于研究、设计传感器，有利于对传感器得工作原理进行阐述。
（3）按敏感材料不同分为半导体传感器、陶瓷传感器、石英传感器、光导纤推传感器、金属传感器、有机材料传感器、高分子材料传感器等。
这种分类法可分出很多种类。
（４）按照传感器输出量得性质分为摸拟传感器、数字传感器.其中数字传感器便干与计算机联用，且坑干扰性较强，例如脉冲盘式角度数字传感器、光栅传感器等.传感器数字化就是今后得发展趋势。
（5）按应用场合不同分为工业用，农用、军用、医用、科研用、环保用与家电用传感器等。
若按具体便用场合，还可分为汽车用、船舰用、飞机用、宇宙飞船用、防灾用传感器等。
（6)根据使用目得得不同，又可分为计测用、监视用,位查用、诊断用，控制用与分析用传感器等.主要特点传感器得特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业得改造与更新换代,而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新得经济增长点。
微型化就是建立在微电子机械系统（ＭEMS）技术基础上得,已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
主要功能常将传感器得功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器—-视觉声敏传感器——听觉ﻫ气敏传感器-—嗅觉ﻫ化学传感器——味觉ﻫ压敏、温敏、传感器（图１)流体传感器——触觉ﻫ敏感元件得分类:ﻫ物理类，基于力、热、光、电、磁与声等物理效应。
ﻫ化学类,基于化学反应得原理。
生物类,基于酶、抗体、与激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件与味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分4６类）。
传感器的种类及特性分析
在自动化生产过程中，使用传感器来控制生产过程中的各种参数，其达到最好的质量要求。
若没有了这些五花八门的传感器，我国怎么才能更个性化的发展。
小编在此主要总结出传感器的一些特性及种类，方便大家的学习。
一、传感器的特性(1)传感器的动态性。
动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
动态特性输入信号变化时，输出信号随时间变化而相应地变化，这个过程称为响应。
传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
动态特性好的传感器，当输入信号是随时间变化的动态信号时，传感器能及时精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。
当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器的及时跟踪性能会逐渐下降。
通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。
(2)传感器的线性度。
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
(3)传感器的灵敏度。
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y 对输入量变化△x的比值。
它是输出一输入特性曲线的斜率。
如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。
否则，它将随输入量的变化而变化。
灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。
例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm.当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
(4)传感器的稳定性。
稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。
传感器的敏感材料与敏感元件
传感器的敏感材料与敏感元件概述传感器是计量和控制系统中的重要组成部分。
它通过感知物理或化学量的变化并将其转化为电信号，从而实现对环境、材料或物体的检测和测量。
在传感器中，敏感材料和敏感元件起着关键作用。
敏感材料是指能够对外界环境变化产生敏感响应的材料，而敏感元件则是将敏感材料的响应转化为电信号的组件。
传感器常用的敏感材料1. 氧化物敏感材料氧化物敏感材料是传感器中常用的一类材料。
它们具有很高的化学稳定性和电学性能，并且对特定气体有很高的敏感性。
例如，二氧化锡（SnO2）被广泛应用于气体传感器中，可以检测到一氧化碳、二氧化硫等有害气体。
此外，氧化锌（ZnO）也常用于氨气传感器的制备。
2. 金属敏感材料金属敏感材料主要通过其电导率的变化来实现对环境参数的敏感检测。
常用的金属敏感材料包括铂、钼等。
例如，铂电阻温度传感器可以精确测量温度，广泛应用于温度控制系统中。
3. 半导体敏感材料半导体敏感材料是传感器中最常用的一类材料。
它们的电学特性可以被外界环境的变化所改变，从而实现对物理量或化学量的检测。
例如，硅、锗等材料常用于温度传感器的制备，而氮化镓（GaN）材料则用于制备氮化物传感器，可以检测温度、压力、光强等参数。
传感器常用的敏感元件1. 电容式敏感元件电容式敏感元件是一种常见的传感器元件。
它由一个固定电容和一个可变电容组成，通过测量电容的变化来检测物理量的变化。
例如，电容式湿度传感器通过测量湿度对电容的影响来判断环境中的湿度水平。
2. 电阻式敏感元件电阻式敏感元件主要是通过测量电阻值的变化来检测物理量的变化。
例如，热敏电阻温度传感器通过测量电阻值随温度的变化来实现温度的测量。
3. 压阻式敏感元件压阻式敏感元件是一种可以通过物体的压力或力的变化来改变电阻值的元件。
例如，应变片传感器通过测量应变片电阻值的变化来检测物体的应力或压力。
4. 光敏敏感元件光敏敏感元件是一种能够对光强变化产生敏感响应的元件。
例如，光敏电阻通过光照强度对电阻值的影响来测量光照强度。
常用的传感器与敏感元件
03 磁敏元件
霍尔元件
01
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏元件，能够检测磁场并输出相应 的电压信号。
02
它通常由半导体材料制成，具有体积小、精度高、线性度好等优点， 广泛应用于磁场测量、电流检测、电机控制等领域。
03
霍尔元件的输出电压与磁场强度成正比，可以通过外部电路进行放大 和调理，以实现精确的测量和控制。
压电式传感器
利用压电材料的压电 效应来检测物理量， 如加速度计。
热电式传感器
利用热电效应来检测 温度，如热敏电阻。
应用领域
工业自动化
用于生产过程中的各种参数检 测和控制。
环境监测
用于气象、水文、环保等领域 的数据采集。
医疗诊断
用于生理参数的监测和诊断。
交通运输
用于车辆、船舶、飞机等的安 全监测和控制系统。
热电偶
总结词
热电偶是一种将温度转换为电势差的传感器。
详细描述
热电偶由两种不同材料的导体组成，当两端存在温差时，会在导体之 间产生电动势，通过测量电动势可以得知温度差的大小。
应用领域
热电偶广泛应用于工业领域中的温度测量和控制，如炉温监测、管道 温度检测等。
优点
热电偶具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点。
从而检测气体浓度。
优点
灵敏度高、响应速度快、稳定性好、寿命 长。
应用
广泛应用于可燃气体、有毒气体、有机蒸 汽等气体的检测。
缺点
对某些气体选择性较差，容易受到温度和 湿度的影响。
固态电解质气敏传感器
应用
主要用于氢气、一氧化碳等气体的检测。
原理
利用固态电解质材料的离子传导特 性，通过气体在电解质中的扩散和 吸附，改变其离子传导率，从而检
几种典型的传感器敏感材料及器件-光学特性解析
光学性能与传感特性
2、内光电效应
光生伏特效应是指半导体受光照射时产生电动势(或电位差)的现象。 Ge、InAs、PbS、CdS等许多半导体材料都可呈现较明显的光生伏特效 应，利用它们可以制作半导体红外探测器。此外，包括光电池、各种光 敏二极管、三极管等,也都是基于光生伏特效应原理工作的。
硅光电池照片
与固体的电子碰撞并为电子所吸收时，电子便获得了光子的能量，一部
分用于克服金属的束缚，开销于逸出功，剩下的便成了外逸光电子的初
动能了
1 2
mv02
。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
利用外光电效应可制成光电倍增管(PMT)，它选用了二次电子发射 率高的锑-铯合金材料作光电阴极，同时又在原阴极与阳极之间安装了一 系列连续式次阴极，形成通道式光电倍增管和微通道板式光电倍增管。 它们是将弱光信号转变成电信号不可缺少的传感器，广泛使用在众多的 高新探测技术中，如各种光谱仪、光子计数仪、表面分析仪等。
光学性能与传感特性
3、光的吸收
I I0 e ACL
其中， C为溶液的浓度， A是只与吸收物质的分子特性 有关，而与浓度无关的常数； 任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收 的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增 加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范 围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性 质。 （1）一般吸收 介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关 （2）选择吸收 介质对某些波长的光的吸收特别显著。
敏感元件及传感器用途
敏感元件及传感器用途敏感元件和传感器在现代科技中起着重要的作用，广泛应用于各个领域。
它们能够感知和测量环境中的各种参数和信号，并将其转换为可理解的电信号，从而实现各种自动控制和监测系统的正常运行。
敏感元件是指能够对某一刺激或参数作出敏感反应的元件，其作用是将非电信号转化为电信号。
我将介绍几种常见的敏感元件及其主要应用。
1. 光敏元件（光电二极管、光电三极管）：光敏元件能够将光信号转化为电信号，常用于照明控制、光电传感器、光电开关、摄像头等领域。
2. 压敏元件：压敏元件是一种能够根据外界压力变化产生电信号的敏感元件，主要应用于力学测量、电子称重、压力传感器等领域。
3. 温敏元件（热敏电阻、温敏电容器）：温敏元件的电阻或电容值随温度变化而发生的变化，常用于温度测量、恒温控制、温度补偿等领域。
4. 湿敏元件：湿敏元件根据湿度变化产生电信号，主要应用于湿度监测、湿度控制等领域。
5. 气敏元件：气敏元件是根据气体浓度变化产生电信号的敏感元件，常用于气体浓度监测、空气质量检测等领域。
传感器是一种能够感知和测量某种参数或信号的装置，常用于自动控制和监测系统中。
以下是几种常见的传感器及其主要应用。
1. 加速度传感器：加速度传感器能够感知物体的加速度变化，常用于汽车安全气囊、手机屏幕旋转、运动监测等领域。
2. 压力传感器：压力传感器能够感知和测量物体的压力变化，常用于工业自动化、气压控制、汽车制动系统、石油钻探等领域。
3. 光电传感器：光电传感器能够感知物体的距离、位置、形状和颜色等信息，常用于自动门开关、光电反射器、物体检测等领域。
4. 温度传感器：温度传感器能够感知和测量物体的温度变化，常用于室内恒温控制、电子设备散热监测、医疗仪器等领域。
5. 湿度传感器：湿度传感器能够感知和测量空气中的湿度变化，常用于气象监测、室内湿度控制、农业温室等领域。
以上只是敏感元件和传感器的一部分应用场景，随着科技的不断发展，它们的应用领域还在不断扩大。
常用传感器与敏感元件(磁电、压电、热电)
多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系
压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶 瓷等。
压电式传感器
图为天然石英晶体， 其结构形状为一个六角形 晶柱，两端为一对称棱锥。 在晶体学中，可以把将其 用三根互相垂直的轴表示， 其中，纵轴Z称为光轴， 通过六棱线而垂直于光铀 的X铀称为电轴，与X-X轴 和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂 直于六棱柱体的棱面)称 为机械轴。
压电式传感器
阻抗头
用来传递激振力和测定激振点的受力及加 速度响应的特殊传感器。
压电式传感器
安全气囊用加速度计
压电式传感器
4、产品
加速度计
压力变送器
力传感器
热电式传感器
三、热电式传感器
热电式传感器是基于电阻的热电效应，把被 测物体的温度转换为电量的装臵。 热电式传感器分为热电偶和热电阻传感器。
电阻反馈的电压放大器
压电式传感器
◆电阻反馈的电压放大器
q ei Ca Cc Ci
e y Ap ei
qAp Ca Cc Ci
压电式传感器
◆电容反馈的电荷放大器
q e C C C e e C
i a c i i y
f
eC e e C
压电式传感器
◆压电式周界报警系统 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分 布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范
围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以
通过信号处理系统分辨出来。 ◆交通监测 将高分子压电电缆埋 在公路上，可以判定车速、 载荷分布、车型等。
压电式传感器
◆飞机模态分析
常用传感器与敏感元件
在非电量电测系统中的作用: 敏感作用:感受并拾取被测对象的信号 变换作用:被测信号转换成易于检测和处理的电信号
测试技术基础
常用传感器
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类
位移传感器,力传感器,温度传感器等. (2)按传感器的工作原理分类
机械式,电气式,光学式,流体式等. (3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系
d d0 d
测试技术基础
常用传感器
3.1 概 述 3.2 机械传感器 3.3 电阻传感器 3.4 电容传感器 3.5 电感传感器 3.6 磁电传感器 3.7 压电传感器 3.8 磁敏传感器 3.9 传感器选用原则
常用传感器
测试技术基础
常用传感器
3.1 概 述
1. 传感器(Sensor)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。通常由敏感元件和转换元件组 成(GB766-87)。
dA/A ——导线截面积的相对变化，称为横向应变。
测试技术基础
常用传感器
对于圆形截面积的导线，若半径为r，则
dA d(r 2 ) 2r d r
dA 2r d r d r
A
r 2
2( ) r
横向应变dr/r和纵向应变dl/l之比称为泊松比，即
dr dl
rl
故
4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
测试技术基础
(4)金属应变计
金属应变计有: 1、丝式 2、箔式
优点:稳定性和温度特 性好.
缺点:灵敏度系数小.
常用传感器
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光学性能与传感特性
3、光的吸收
I I0 e ACL
其中， C为溶液的浓度， A是只与吸收物质的分子特性 有关，而与浓度无关的常数； 任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收 的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增 加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范 围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性 质。 （1）一般吸收 介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关 （2）选择吸收 介质对某些波长的光的吸收特别显著。
c n
材料
材料的折射与其结构有关。对于各向同性的均质材料，只有一个 折射率。当光通过材料时，光速不因传播方向改变而变化。当光通过 某些晶体材料时，一般会分成振动方向相互垂直、传播速度不同的两 条折射光线，即为双折射现象。这两条折射光线中，平行于入射面光 线的折射率称为常光折射率 n0 ，不随入射角大小的变化而变化，始终 为常数。另一条与之垂直的光线的折射率不遵守折射定律，随着入射 角大小而发生变化，称为非常光折射率 ne 。
光学性能与传感特性
5、材料的透射性
材料的透光性用光透过率来表征。所谓光透过率是指，光线通过 材料后剩余的光能占原来入射时能量的百分比。光的能量可以用光照 射强度x 来表示，也有采用放在一定距离外的光电管转换得到的电流强 度来表示。
在光路上分别测出插入厚度为L的材料前、后的光变电流强度I0和I。 由于光既在材料的两个表面发生折射，又在材料内有吸收损失和散 射损失，故有光透过率为：
如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的 波长愈短，被散射愈厉害。
空气状况好的晴天时，天空是蓝色的原因。
如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这 种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。如空气 中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使 天空呈灰白色的。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
光具有波粒二象性，外光电效应是光的粒子(光子)性的表现。
一束频率为 的光是一束单个粒子能量为h 的光子流，有如下爱因
斯坦方程：
h
1 2
mv02
h 为普朗克常数；m为光电子质量； 0为光电子的初速度； 为金属的逸出功。
上述理论可以作如下解释：光子是一个个能量为h 的小能包，当它
人类眼睛可以看见的光称为可见光， 其光的波长的范围约为0.40.8m，仅占 电磁波谱（10-5105 m）中的一小部分， 如图2-20所示。
图2-20 电磁波谱
光学性能与传感特性
0、关于光速
光在真空中的速度c≈300000km/s。当光从真空进入较致密的介质 材料时，其传播速度会降低。光在真空中的速度c与在介质材料 中的速度 材料之比，称为该介质材料的折射率，记作 n ，
光学性能与传感特性
1、光的反射
I
i
θ
镜面反射
漫反射
图31镜面反射和漫反射情况
根据光的反射定律。由于粗 糙表面上各点的法线方大多数物体表面是 粗糙的，由于漫反射的作用，我 们能从各个方向看到它。
光学性能与传感特性
2、光的折射
利用光学折射现象，可以实现液体浓度、成分含量的测量、 气体或者液体折射率的测量。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
外光电效应是指固体受到光线照射后从 其表面逸出电子的现象。逸出的电子称为光 电子。1887年，赫兹和霍尔瓦克斯等人发现 了这一现象。这个效应可用图2-25所示的装 置来观察。把两个金属电极安装在抽成真空 的玻璃泡中，在两极间接入直流电源和灵敏 检流计。当无光照射时，泡内阴极K与阳极 A之间的空间无载流子，故检流计G中无电 流；当有光照射阴极K时，由于有光电子从 阴极逸出，在电压作用下，漂向阳极，于是 G中便有电流。
光学性能与传感特性
3、光的吸收
一切介质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。 选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的颜色，是由 于某些波长的光透入其内一定距离后被吸收掉而引起的。例如：水 能透入红光，并逐渐吸收掉，因而水面没有对红光的反射，只反射 蓝绿光，并让蓝绿光透过相当的深度，所以水呈现蓝绿色。
I (1 R)2 e( s)L I0
（R为材料的反射系数）
光学性能与传感特性
二、光学传感特性
一些物质受到光照射后，引起其本身电性发生变化，这种光致 电变的现象称为光电效应。光电效应是光子与电子相互作用的结果， 两者之间作用后各有所变。对于光子，它或被吸收或改变频率和方 向；对于电子，必发生能量和状态的变化，从束缚于局域的状态转 变到比较自由的状态，因而导致物质电性的变化。
图36 钠蒸气的吸收光谱
光学性能与传感特性
4、光的色散与散射
材料的折射率随入射光的频率(或波长)而变化的现象，称为色散。 n c 材料
光在材料中传播时，遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向 不一致，会与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向的现象， 称为散射。诸如材料中小颗粒的透明介质、光性能不同的晶界、气 孔等因素，都会引起一部分光束被散射，从而减弱光束强度。
与固体的电子碰撞并为电子所吸收时，电子便获得了光子的能量，一部
对于相分布均匀的材料，光减弱的散射规律与吸收规律具有相
同的形式，即：
I I0esL （s为散射系数）
光学性能与传感特性
4、光的色散与散射
太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都 要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是 改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经 过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。
Contents
1
力学性能与传感特性
2
光学性能与传感特性
3
热学性能与传感特性
4
电学性能与传感特性
5
磁学性能与传感特性
6
声学性能与传感特性
光学性能与传感特性
一、材料的光学性能
光学传感技术由于其灵敏度高、抗电磁干扰、测量速度快等诸 多优点而成为当今一种先进的感测技术。
光学传感技术一般基于光学反射、折 射、透射、吸收、散射以及利用各种物理 效应和敏感材料，可实现绝大多数物理量、 化学量的检测问题。