周龙荣
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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阻，此时电流称为亮电流。暗电阻越大越好，亮电阻越小越好。实际应用时，暗电阻大约在兆欧级，亮电阻大约在几千欧以下。
CdSe（硒化镉）
当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光幅射能量又足够强，光导材料价带上额电子将被激发至导带上，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大，为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度Eg
ε=hv=hc/λ≥Eg
其中ε为入射光能量，h普朗克常量，v为光子频率，c为光速，λ为波长。
3.4超声波传感器
人类耳朵能听到的声波频率为20HZ～20KHz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20KHz的声波称为“超声波”，因其方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。如超声波清洗机，超声波加湿器，医学检查B超，彩超，超声波探伤仪等。
超声波传感器基本原理是压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）材料在外力作用下机械振荡产生声波或接受外界声波，经过换能器处理将声波转换成电量信号，振动可以产生声音，能够产生超声波的装置就是超声波传感器，称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。常用的是压电式超声波发生器，是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波传感器探头内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 超声波传感器就是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换成超声波发射出去，而在接收时，则将超声振动转换成电信号。
根据超神波发出和接受的时间差t，就能计算被测物距离及大小尺寸。
t =2h/v→ h =tv/2
其中h为传感器与被测点距离，V为声波速度。
3.5电磁传感器
电磁传感器是基于电磁感应原理，导体在磁场里做切割磁感线运动时，导体中就会产生感应电流。电磁传感器一般分为两种：磁电感应式和霍尔式，电磁感应传感器通常来测量速度、流量，具有输出信号大，抗干扰性能好，耗电量小，工作寿命长，不需外接电源，可在烟雾、油气、水气等恶劣环境中使用，当测速齿轮旋转引起的磁隙变化，在探头线圈中产生感生电动势，其幅度与转速有关，转速越高输出电压越高，输出频率与转速成正比，转速进一步增高，磁路损耗增大，输出电势已趋饱和，当转速过高时，磁路损耗加剧，电势锐减。当传感器材料和结构确定时，其中磁感应强度B与l都为常数，感应电动势仅与速度v有关。
E= B*l*v*Sinθ
φ= B*S*Cosθ
φ为磁通量，E为感应电动势，B为磁感应强度，S为接触磁场面积，l为切割磁场导体长度，v为切割磁场速度，θ为导体与磁场线夹角。
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。传感器基本组成是霍尔元件，可用多种半导体材料制作，如如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子材料等。霍尔电位差UH的基本关系：
RH =1/nq
式中RH为霍尔系数，n单位体积内载流子或自由电子的个数，q电子电量，I通过的电流，B垂直于I的磁感应强度，d导体的厚度。
4传感器应用
4.1压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，汽车、涉及水利水电、铁路交通、医用、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。最常见额是汽车胎压监测器，可以时刻监测汽车轮胎气体压力，过高或过低时报警提示，保证人们驾驶安全；重载压力传感器是传感器中一种，通常被用于交通运输，通过监测气动、轻载液压、制动压力、机油压力、传动装置、以及卡拖车的气闸等关键系统的压力、液力、流量及液位来维持重载设备的性能，液压系统中主要是来完成力的闭环控制，当控制阀芯突然移动时，在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力，此时由传感器监测压力并发出信号给处理器做出正确控制；压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内，它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力；应用于监测矿山压力；应用于促进睡眠，将压力传感器放在床垫地下，由于压力传感器具有高灵敏度，当人发生翻身、心跳以及呼吸等有关的动作时，传感器会分析这一系列信息，去推断睡眠人处于什么状态，然后通过对传感器的分析，收集传感器的信号得到心跳和呼吸节奏等睡眠的数据，最后将所有数据处理谱成一首段的曲目。
4.2热敏传感器在人们日常生活应用广泛，室温测量、空调、冰箱、电饭煲、电磁炉温度控制、汽车发动机温度监测；工业中对变压器、电动机、电机轴承、电气连接件温度进行监测控制；在计算机系统中控制计算机硬件温度；红外温度传感器应用在钢铁生产行业中，对生产过程进行温度监控，对提高生产率和产品质量起着至关重要作用，红外温度传感器可精确监视每个阶段，使钢材在整个加工过程中保持正确的冶金性能。
4.3光敏传感器在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位，主要应用灯光自动控制、电视电视屏幕自动控制、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、光控音乐盒、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域，汽车的自动远近光大灯；在物体检测、产品计数、尺寸控制、安全报警等；在火灾检测报警系统中 ，火灾探测报警器用光敏电阻做为元件检测光暗程度来判断是否发生火灾，提前做出反应保证人身财产安全。
4.4超声波传感器最常见应用是在医学领域，主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高；在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种；超声波传感器可以对集装箱状态进行探测，向集装箱内部发出声波时，就可以据此分析集装箱的状态，如满、空或半满等；超声波传感器可用于检测透明物体、液体、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不规则物体；超声波传感器可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统，配合新的技术可在潮湿环如洗瓶机、噪音环境、温度极剧烈变化环境等进行探测。
4.5霍尔传感器因其优点主要用于位移测量，力测量，角速度测量，线速度测量。电流传 感器和电压传感器；在汽车工业中，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器以开关式、模拟式和数字式传感器三种被大量使用；霍尔传感器在出租车计价器上的应用：通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，经处理计算，送给显示单元，这样便完成了里程计算；在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护；在无刷电机中采用霍尔元件组成电机以及去驱动开关晶闸管，从而通过控制电流方向完成转向，采用电子转向，电机运转平稳；基于霍尔传感器制造的等离子切割机切割质量好、精度高、安全可靠。
5结论
本世纪传感器的出现和研发是科技发展最重要的体现，其应用已经渗透在各个领域，改变着传统的控制方式，为人类在工业生产、生活电器、汽车电控、军事武器、医学诊断、智能控制、环境保护、生物工程、宇宙开发中都无法离开传感器，由此可见传感器在发展经济、推动社会进步方面的重要作用。世界各国都十分重视这一领域的发展，相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，变成人类进步的重要一步。
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论文作者:周龙荣
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/8
标签：传感器论文; 霍尔论文; 电阻论文; 温度论文; 热敏论文; 超声波论文; 半导体论文; 《防护工程》2018年第13期论文;