1、传感器工作原理研究摘要： 日常生活中存在着各种各样的传感器，各种传感器的工作机理各有不同，工作环境也千差万别。随着科技的发展，传感器的功能越来越强大，性能也越来越好。为进一步了解传感器的工作机理，掌握设计测试方案、选择测试仪器及进行技术经济分析，对传感器的机理进行研究。工程测试系统包括传感器、信号调理电路、信号处理电路、数据显示与记录设备四个基本环节，传感器在工程测试中接受被测量并按一定规律将被测量转换为同种或别种量输出，掌握传感器工作机理，对工程测试极为重要。关键字： 传感器 工作机理 应用正文：1 引言传感器越来越多的被应用于人们的日常生活，电子体温计中有大家熟知的温度传感器，道路速度监控
2、区的摄像头也属于一种传感器。在工厂生产线上的传感器种类就更加庞杂，传感器应用于我们的日常生活中，使我们可以做出更好的产品。工厂里可以用传感器监控产品的质量、数量，可以检测产品的温度、湿度及各方面的测量。在我们熟知的交通工具汽车里，也遍布着各种各样的传感器，从检测轮胎的温度到监控车门是否关紧，从车速的多少到安全气囊的控制，在我们看来安全舒适的汽车里，传感器的应用之多，功能之广足以让人惊叹。当今世界，科技发展速度越来越快，人类已经进入了信息化时代，采集、处理数据越来越庞大也越来越复杂，传统的观测已经无法满足日益激烈的市场竞争，传感器的广泛应用，使对信息的采集、筛选和传输越来越高效，处理数据的速度及
3、精确度越来越高，并已经推广应用到自动应用领域。在信息化时代的我们，有必要知道传感器的工作机理，并学以致用。2 传感器的分类传感器分为参数式传感器及发电式传感器两大。一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器通常又可以测量多种物理量，这两类传感器主要元件不同又可分为不同机理的传感器。2.1 参数式传感器参数工作时其本身没有内在的能量转换，没有电流产生，常用的有电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。2.1.1 电阻式传感器电阻式传感器是将非电量变化转换为电阻变化的传感器，常用的电阻式传感器有电阻应变式、热电阻式、电位计式。电阻应变式通常有两种用法：一种是直接利用材料的应变效应或
4、压阻效应把应变转换为电阻的变化；另一种是将应变片贴在各种形式的弹性敏感元件上，被测物理量作用于敏感元件使其发生变形，贴在敏感元件上得电阻应变片再把形变转换成电阻的变化。此类传感器可用于检测力、力矩、压力、位移等多种物理量。电子称的作用机理应用了电阻式传感器，在托盘底部安装应变片，物体作用于电子称的托盘，由于增加的重力，托盘底部的应变片产生应变，传感器电路将应变测量量采集，通过显示器转换为相应的质量。电阻式温度传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的传感器，其主要用热敏半导体材料制成。电阻式温度传感器有热敏电阻式、线绕电阻式和热偶电阻式三种主要类型。这三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。
5、热敏电阻式温度传感器灵敏度高、响应特性较好，但线性差、适应温度较低电子温度计属于此类型传感器。电阻式温度传感器在汽车中，主要用于检测发动机温度、吸人气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。在对温度要求要严格的生成中，常用温度传感器监测、控制生产。电位计是带有直线或螺旋滑动触头的电阻性器件，其作用是把线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压，主要用作线位移和角位移的测量。电子游标卡尺属于此类型的传感器应用。电位计也可以测量弹簧等弹性元件的线位移或角位移，测量出相应的力或力矩。2.1.2 电容式传感器电容式传感器是将被测量的变化转换为电容变化的一类传感器，这类传感器的特点是结构简单
6、，分辨率高，工作可靠可非接触测量，并能在各种恶劣环境下工作，主要用于位移、震动、加速度、压力、液位、成分含量等方面的测量。测量位移、震动、加速度、压力的作用机理是改变电容两个极板的正对面积，也可以通过改变电容介质进入两极板的量。液位、成分含量作用机理是电容两极板中介质的变化。电容式传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅(测至 0.05m 的微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密度、厚度等。在自动检测和控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。2.1.3 电
7、感式传感器电感式传感器是利用电磁感应将被测物理量如位移、压力、震动等转换为电感线圈自感 L 或互感 M 的传感器。电感式传感器种类很多，主要有自感型、互感型和电涡流型三种。电感式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别适合用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态 CO2，氨水，PVC 粉料，灰料，油水界面等液位测量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。2.2 发电式传感器发电式传感器是指将被测量直接转换为电信号的传感器。常见的发电式传感器有压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、固态图像传感器、霍尔传感器、热电偶传感器、红外探测器。2.2.1 压
8、电式传感器压电式传感器原理是利用某些物质的压电效应，将被测量的变化转换成感生的电荷量变化实现测量。压电式传感器应用时应减小电缆噪声及减小接地回路噪声。压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。2.2.2 磁电式传感器磁电式传感器利用电磁感应原理制成。线圈与磁铁相对运动、切割恒定磁场磁力线，产生感应电动势。磁电式传感器主要用于振动测量。其中惯性式传感器不需要静止的基
9、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广泛的应用。常用地测振传感器有动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等。航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。航空发动机、各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水、气管道、桥梁、高层建筑等，其振动监测与研究都可使用磁电式传感器。2.2.3 光电式传感器光电式传感器基于光电子元件（半导体）的光电效应。每个光子具有能量，用光照射某一物体时，会发生光子与物体的能量交换，产生的电效应为
10、光电效应。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点、而且可测参数多。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，光电式传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格的产品，在机电控制、计算机、国防科技等方面。2.2.4 固态图像传感器固态图像传感器是一种固态集成元件，核心是电荷耦合器件（CCD ），电荷耦合器件由多个“金属-氧化物-半导体(MOS)”电容器件以阵列形式排列在衬底材料上组成，能存储及转移由光产生的信号电荷。固体图像传感器可用于电视摄像、机器人视觉、图像识别、快速动态测量和信息存储等方面。在航天器的姿态确定和控制系统中，固体图像传
11、感器可用作星敏感器，实现航天器相对于遥远恒星方位姿态的精确测量。在小零件的自动检测方面，经过适当的信息处理后，分辨率可达光敏元间距的 1/10（微米量级），并可实现联机监测。当零件关键尺寸与储存在检测系统中的数据相差过大时，系统能产生“失效”信号，并自动舍弃超差零件。该系统采用两个二维光敏元阵列，使两列钞票分别通过其下,并在各自的光敏元阵列上成像,从而分别输出两列图像信号，经过比较器处理后，能发现它们的不同特征,证实缺陷的存在，能用于标准信件识别分选、贴有价格标签的商品计价、文字阅读机。2.2.5 霍尔传感器霍尔传感器原理基于某些半导体材料的霍尔效应。金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时
12、，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势霍尔电压。按被检测的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。2.2.6 热电偶传感器热电偶传感器利用热电效应，将温度信号转换成电势（毫伏）信号，实现温度的测量，是一种感温元件，是一种仪表。它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号, 通过电气仪表转换成被测介质的温
13、度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势。2.2.7 红外探测器红外探测器分为热探测器、光子探测器。热探测器利用热电效应原理，热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化，测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率，可分为热敏电阻、热电偶型、气动型、热释电型。光子探测器利用光电效应原理，基于半导体材料的光电效应，利用入射光子直接与束缚电子相互作用，一般有光电、光电导及光生伏打等探测器。红外探测器主要用于检测人体运动、非法入侵并报警，它的灵敏度高，误报率低，外形小巧，美观
14、，安装方便。由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。3 总结随着现代科技技术的高速发展，人们生活水平的迅速提高，传感器技术越来越受到普遍的重视。而无论是在工业生产过程的测量与控制方面，还是在汽车电控系统方面，又或者是在现在医学领域、环境监测、军事方面、家用电器、科学研究、智能建筑等等方面，它的应用已经蔓延到国民经济的各个领域了。其发展趋势也随着科学技术的发展而不断变化。各国对传感技术在信息社会的作用有了全新的认识，认为传感器技术是信息技术的关键之一，对于新材料开发、集成化技术等方面具有重大作用。通过对机械工程测试技术的学习及对参数式传感器、发电式传感器工作机理的整理探讨，懂得了基本传感器的用法，这激发了我对学习电子技术兴趣。参考文献： 陈花玲 机械工业出版社林德杰 林均淳 许锦标 曾宪云 .电器检测技术.机械工业出版社年 芬.传感器原理.北京航空工业出版社.贾伯年，俞朴. 传感器技术东南大学出版社，1999 年
