传感器原理及典型应用

传感器（原理及典型应用）

编稿：张金虎审稿：李勇康

【学习目标】

1．知道什么是传感器，常见的传感器有哪些。

2．了解一些传感器的工作原理和实际应用。

3．了解传感器的应用模式，能够运用这一模式去理解传感器的实际运用。

4．了解传感器在生活、科技中的运用和发挥的巨大作用。

【要点梳理】

要点一、传感器

1．现代技术中，传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学量，或转化为电路的通断。把非电学量转换为电学量以后，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。

2．传感器原理

传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等，而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作。传感器原理如下图所示。

3．传感器的分类

常用传感器是利用某些物理、化学或生物效应进行工作的。根据测量目的不同，可将传感器分为物理型、化学型和生物型三类。

物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质（如电阻、电压、电容、磁场等）发生明显变化的特性制成的，如光电传感器、力学传感器等。

化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转换成为电学量的敏感元件制成的。

生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器，生物或生物物质主要是指各种酶、微生物、抗体等，分别对应酶传感器、微生物传感器、免疫传感器等等。

要点二、光敏电阻

光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻大小这个电学量，一般随光照的增强电阻值减小。

要点诠释：光敏电阻是用半导体材料制成的，硫化镉在无光时，载流子（导电电荷）极少，导电性能不好，随着光照的增强，载流子增多，导电性能变好。

要点三、热敏电阻和金属热电阻

1．热敏电阻

热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显。如图为某一热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

要点诠释：

（1）在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数（PTC）热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数（NTC）热敏电阻器。

（2）热敏电阻器的应用十分广泛，主要应用于：

①利用电阻—温度特性来测量温度、控制温度和元件、器件、电路的温度补偿。

②利用非线性特性完成稳压、限幅、开关、过流保护作用。

③利用不同媒质中热耗散特性的差异测量流量、流速、液面、热导、真空度等。

④利用热惯性作为时间延时器。

2．金属热电阻

有些金属的电阻率随温度的升高而增大，这样的金属也可以制作温度传感器，称为金属热电阻。

要点诠释：

热敏电阻或金属热电阻都能把温度这个热学量转换为电阻这个电学量，但相比而言，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较高。

要点四、电容式传感器霍尔元件

1．电容式传感器

电容器的电容C决定于极板正对面积S、板间距离d以及极板间的电介质这几个因素，如果某一物理量（如角度θ、位移x、深度h等）的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定上述物理量的变化，作这种用途的电容器称为电容式传感器。

如图甲所示是用来测定角度θ的电容式传感器。当动片和定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况。

如图乙所示是测定液面高度h的电容式传感器。在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中。导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质。液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化。知道C的变化，就可以知道h的变化情况。

如图丙所示是测定压力，的电容式传感器，待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化。知道C的变化，就可以知道F的变化情况。

如图丁所示是测定位移x 的电容式传感器。随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C 发生变化。知道C 的变化，就可以知道x 的变化情况。

2．霍尔元件

（1）．如图所示，在一个很小的矩形导体（例如砷化铟）薄片上，制作四个电极E F M N 、、、，就成为一个霍尔元件。

霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

（2）．霍尔电压H

IB U k d

=，其中k 为比例系数，称为霍尔系数，其大小与薄片的材料有关。

（3）．霍尔元件的工作原理

霍尔元件是利用霍尔效应来设计的。一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极，如图所示，沿PQ 方向通入电流，，垂直于薄片加匀强磁场B ，则在MN 间会出现电势差U ，设薄片厚度为d ，PQ 方向长度为1l ，MN 方向长度为2l ，薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N 侧电势高于M 侧，造成半导体内部出现电场。带电粒子同时受到磁场力和电场力作用，当磁场力与电场力平衡时，MN 间电势差达到恒定，此时有

2

U q qvB l ==。 根据电流的微观解释

I nqSv =，

整理后得

IB U nqd

=。 令1k nq

=，因为n 为材料单位体积内的带电粒子个数，q 为单个带电粒子的电荷量，它们均为常数，所以

IB

U k

。

d

U与B成正比，这就是霍尔元件能把磁学量转换成电学量的原因。

要点五、力传感器

1．应变式力传感器

（1）组成：由金属梁和应变片组成。

（2）工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，左梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面电阻变小。F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就越大。

2．测定压力的电容式传感器

如图所示，当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化，如果将电容器与灵敏电流表、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大，电流表有示数。

要点六、声传感器的应用——话筒

1．话筒的作用

把声音信号转换为电信号。

2．电容式话筒

（1）原理：如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。