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范文一：传感器工作原理
传感器工作原理
压电传感器：基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，如压力、加速度等(见压电式压力传感器、加速度计)。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。配套仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。
应变传感器：应变传感器是国内外应用较广泛的一种,它是以电阻应变计为转换元件,将非电量如:力、压力、位移、加速度、扭矩等参数转换为电量。
光电传感器：将光信号转换成电信号的传感器
热电传感器：将热信号转换成电信号的传感器
电容式传感器原理
电容式传感器原理
电容式压力传感器简介
科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类，现在，压力传感器的敏感原理不仅有电容式、压阻式、金属应变式、霍尔式、振筒式等等但仍以电容式、压阻式和金属应变式传感器最为多见。
金属应变式压力传感器是一种历史较长的压力传感器，但由于它存在迟滞、蠕变及温度性能差等缺点，其应用场合受到了很大的限制。
压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器，它具有制造方便，成本低廉等特点，但由于半导体材料对温度极为敏感，所以其性能受温度影响较大，产品的一致性较差。
电容式传感器是应用最广泛的一种压力传感器，其原理十分简单。一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为：
C= ε s/d（ε 为平行平板间介质的介电常数，d 为极板的间距， s 为极板的覆盖面积）
改变其中某个参数，即可改变电容量。由于结构简单，几乎所有电容式压力传感器均采用改变间隙的方法来获得可变电容。电容式传感器的初始电容值较小，一般为几十皮法，它极易受到导线电容和电路的分布电容的影响，因而必须采用先进的电子线路才能检测出电容的微小变化。可以说，一个好的电容式传感器应该是可变电容设计和信号处理电路的完美结合
机械磅秤是利用杠杆位移原理秤量被测物体的质量，它是一种模拟测量，所以显示值误差很大。电子衡器是利用传感器测量原理，它是把外部的压力通过传感器的弹性梁变形使之贴在上面的应变片发生阻值变化，在激励电压的作用下，输出与被测物成正比的模拟的电信号，给AD电路。
电子衡器的AD电路，它把传感器送来的模拟信号进行调制、放大、滤波、取样、积分，输出稳定高效的数字信号，送给中央微处理器（CPU），由CPU控制内部的工作程序通过显示电路，显示出被测物重量值。
秤量的标定，是由国家标准量值（法定砝码）的质量，输出的数字码（BCD码）与CPU内部程序存储器所编制的程序校准码一致时，便可完成秤量标定。模拟衡器是靠标准砝码直接标定，技术含量低，容易作假（取决于标准砝码的质量）。电子衡器的秤量标定需要标准砝码，但还需要标定密码。标定密码由衡器生产厂家掌握，它是严格保密的。
电子衡器的非法标定是利用标准砝码的质量值与校准程序的校准码值的允许范围来进行的，因为校准数码值是有一定范围空间的（例如最大秤量150kg的电子秤，它的50kg内码值是在12000～18000范围内都可以标定为50kg显示值。如果标定砝码实际质量是49kg标定出的显示值是50kg，那么该电子秤显示150kg时它的实际重量是147kg。这种秤在市场贸易中就会造成什么后果，不言而喻。 这就是法制计量在国民经济中的重要性。
第一部分 电子秤的原理方框图:
程式 K/B(按键) ↑ Fx → 传感器 → OP放大 → A/D转换 → CPU → 显示驱动 → 显示屏 ↓ 记忆体 工作流程说明： 当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。该信号经放大电路放大输出到模数转换器。转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。直至显示这种结果。
第二部分 秤的分类： 1.按原理分：电子秤 机械秤 机电结合秤 2.按功能分：计数秤 计价秤 计重秤 3.按用途分：工业秤 商业秤 特种秤
第三部分 秤的种类： 1.桌面秤 指全称量在30Kg以下的电子秤 2.台秤 指全称量在30-300Kg以内的电子秤 3.地磅 指全称量在300Kg以上的电子秤 4.精密天平
第四部分 按精确度分类： I级： 特种天平 精密度≥1/10万 II级： 高精度天平 1/1万≤精密度6～80微安），光电灵敏度、响应时间（几十ns～几十μs）、结电容和正向压降等。
光电二极管的优点是线性好，响应速度快，对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低；缺点是单独使用输出电流（或电压）很小，需要加放大电路。适用于通讯及光电控制等电路。
光电二极管的检测可用万用表R×1K挡，避光测正向电阻应10KΩ～200 KΩ，反向应∞，去掉遮光物后向右偏转角越大，灵敏度越高。
光电三极管可以视为一个光电二极管和一个三极管的组合元件，由于具有放大功能，所以其暗电流、光电流和光电灵敏度比光电二极管要高得多，但结构原因使结电容加大，响应特性变坏。广泛应用于低频的光电控制电路。
半导体光电器件还有MOS结构，如扫描仪、摄象头中常用的CCD（电荷耦合器件）就是集成的光电二极管或MOS结构的阵列。
三 气敏传感器及气敏元件
教材仅要求简单的热敏电阻和光敏电阻特性实验。由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。利用SnO2金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛；下面重点介绍半导体气敏传感器及其气敏元件。
半导体气敏元件有N型和P型之分。N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型阻值随气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到有能供给电子的可燃气体（如CO等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。
目前国产的气敏元件有2种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；旁热式气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。
气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热
电压4.5～5.5V、测量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。下图为气敏元件的简单测试电路（组成传感器），电压表指针变化越大，灵敏度越高；只要加一简单电路可实现报警。常见的气敏元件还有MQ-31（专用于检测CO），QM-J1酒敏元件等。
四 力敏传感器和力敏元件
力敏传感器的种类甚多，传统的测量方法是利用弹性材料的形变和位移来表示。随着微电子技术的发展，利用半导体材料的压阻效应（即对其某一方向施加压力，其电阻率就发生变化）和良好的弹性，已经研制出体积小、重量轻、灵敏度高的力敏传感器，广泛用于压力、加速度等物理力学量的测量。
五 磁敏传感器和磁敏元件
目前磁敏元件有霍尔器件（基于霍尔效应）、磁阻器件（基于磁阻效应：外加磁场使半导体的电阻随磁场的增大而增加。）、磁敏二极管和三极管等。以磁敏元件为基础的磁敏传感器在一些电、磁学量和力学量的测量中广泛应用。
在一定意义上传感器与人的感官有对应的关系，其感知能力已远超过人的感官。例如利用目标自身红外辐射进行观察的红外成像系统（夜像仪），黑夜中可1000米发现人，2000米发现车辆；热像仪的核心部件是红外传感器。1991年海湾战争中，伊拉克的坦克配置的夜视仪探测距离仅800米，还不及美英联军的一半，黑暗中被打得惨败是必然的。目前世界各国都将传感器技术列为优先发展的高新技术的重点。为了大幅度提供传感器的性能，将不断采用新结构、新材料和新工艺，向小型化、集成化和智能的方向发展。
三、传感器的领域分类
可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。
根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 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。
有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。
常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。
1.按照其用途，传感器可分类为：
压力敏和力敏传感器 位置传感器
液面传感器 能耗传感器
速度传感器 加速度传感器
射线辐射传感器 热敏传感器
24GHz雷达传感器
2.按照其原理，传感器可分类为：
振动传感器 湿敏传感器
磁敏传感器 气敏传感器
真空度传感器 生物传感器等。
以其输出信号为标准可将传感器分为：
模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。
数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或
间接转换)。
开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：
(1)按照其所用材料的类别分为
金属、聚合物、 陶瓷、 混合物
(2)按材料的物理性质分类可分为： 导体、绝缘体、半导体、 磁性材料
(3)按材料的晶体结构分类可分为：
单晶、多晶、非晶材料
与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：
(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。
(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。
(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。
现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。
按照其制造工艺，可以将传感器区分为：
集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器
集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。
陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。
完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。 每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。
四、传感器的功能分类
传感器按照其功用分类可分为这里以天津优姆金所供应的宜科传感器为例具体介绍一下：
一、电感式传感器：
利用缠绕在铁氧体磁芯上的线圈而构成的LC振荡电路产生的一个高频交变的磁场在金属性导电物体接近磁场并到达感应区时，通过金属物体内部产生的涡流效应来达到非接触式检测。
安装模式分为：
齐平安装和非齐平安装
特殊应用型电感式传感器：特殊环境需要特殊的出阿甘器，为了适应这种环境，UMA——
ELCO还研发了能够提供特殊应用型的传感器。
二、电容式传感器
电容式传感器的感受应面由两个同轴金属电机构成，很像“打开的”电容器的电极！
三、超声波传感器
超声波传感器是利用声波介质对被检测物进行非接触式和无耗损的检测。
超声波传感器（漫反射和反射板式）周期性发出脉冲，如脉冲被物体反射，反射回来的声波会被接收并转为电信号。对反射回来的声波的检测决定于声波的强度，而强度是由物体和感应头支架的距离所决定。其工作原理是“回声延时”即声波发出和声波返回之间的时间差。此外，超声波传感器（对射式），发射器向接收器发出一束窄带声音，接收器会分析超声波信号，当遇到物体时，接收器就会有输出。
超声波传感器无论是对透明的物体还是有颜色的物体、金属物体或非金属物体以及固体、液体或粉状物体都能检测，几乎不受外界环境影响。
