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各类传感器介绍入门
2009-12-29 21:56
蛋挞
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随着社会的进步，科学技术的发展，特别是近20年来，电子技术日新月异，计算机的普及和应用把人类带到了信息时代，各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域，相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件，传感器技术是现代信息技术中主要技术之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。
人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息，感知的信息输入大脑进行分析判断（即人的思维）和处理，再指挥人作出相应的动作，这是人类认识世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通过人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人总不能利用触觉来感知超过几十甚至上千度的温度吧，而且也不可能辨别温度的微小变化，这就需要电子设备的帮助。同样，利用电子仪器特别象计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，那么计算机类似于人的大脑，而仅有大脑而没有感知外界信息的“五官”显然是不足够的，中央处理系统也还需要它们的“五官”——即传感器。
人的五管是功能非常复杂、灵敏的“传感器”，例如人的触觉是相当灵敏的，它可以感知外界物体的温度、硬度、轻重及外力的大小，还可以具有电子设备所不具备的“手感”，例如棉织物的手感，液体的粘稠感等。然而人的五官感觉大多只能对外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有许多物理量人的五官是感觉不到的，例如对磁性就不能感知。视觉可以感知可见光部分，对于频域更加宽的非可见光谱则无法感觉得到，象红外线和紫外线光谱，人类却是“视而不见”。借助温度传感器很容易感知到几百度到几千度的温度，而且要做到1℃的分辨率轻而易举。同样借助红外和紫外线传感器，便可感知到这些不可见光，所以人类才制造出了具有广泛用途的红外夜视仪和X光诊断设备，这些技术在军事、国防及医疗卫生领域有着极其重要的作用。
在工农业生产领域，工厂的自动流水生产线，全自动加工设备，许多智能化的检测仪器设备，都大量地采用了各种各样的传感器，它们在合理化地进行生产，减轻人们的劳动强度，避免有害的作业发挥了巨大的作用。在家用电器领域，象全自动洗衣机、电饭褒和微波炉都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备，都大量地使用了各种各样的传感技术。这些对改善人们的生活水平，提高生活质量和健康水平起到了重要的作用。在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器的精确制导，没有传感器是难以实现的。在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶，仪表着陆盲降系统，都需要传感器。人造卫星的遥感遥测都与传感器紧密相关。没有传感器，要实现这样的功能那是不可能的。
此外，在矿产资源、海洋开发、生命科学、生物工程等领域传感器都有着广泛的用途，传感器技术已受到各国的高度重视，并已发展成为一种专门的技术学科。
传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。传感器技术水平高低不但直接影响信息技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。目前，传感器技术已渗透到科学和国民经济的各个领域，在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方面，起着越来越大的作用。许多尖端科学和新兴技术更是需要新型传感器技术来装备，计算机的推广应用，离不开传感器，新型传感器与计算机相结合，不但使计算机的应用进入了崭新时代，也为传感器技术展现了一个更加广阔的应用领域和发展前景。
温度传感器
温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。
温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。
由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如下表所示。
| 测温传感器的种类与测温范围 | |||||||
| 测量原理 | 种类 | 测温范围（1℃） | 特征 | ||||
| 体积热膨胀 | 玻璃制水银温度计 | -20—+350 | 不需要用电 | ||||
| 玻璃制有机液体温度计 | -100—+100 | ||||||
| 双金属温度计 | 0—+300 | ||||||
| 液体压力温度计 | -200—+350 | ||||||
| 气体压力温度计 | -250—+550 | ||||||
| 电阻变化 | 铜电阻 | -50—+150 | 精度中等，价格低 | ||||
| 铂电阻 | -200—+600 | 精度高，价格贵 | |||||
| 热敏电阻 | 低温-200—0 | 精度低，灵敏度高，价格最低 | |||||
| 一般-50—+30 | |||||||
| 中温0—+700 | |||||||
| 热电效应 | 镍铬—考铜 | 0500(-200—+800) | 测量范围宽，精度高， 需要冷端补偿 | ||||
| 镍铬—镍硅 | 0800(-200—+1250) | ||||||
| 铂铑10—铂 | 200—1400(0—1700) | ||||||
| 铂铑30—铂铑 | 200—1500(100—1900) | ||||||
| P—N结结电压变化 | 半导体二极管 | -150—+150(Si) | 灵敏度高，线性度好， 二极管一类价格低 | ||||
| 晶体管特性变化 | 晶体管 | 150—+150 | |||||
| 半导体集成电路 | -40—+150 | ||||||
| 压电反应 | 石英晶体振荡器 | -100—+200 | 可作标准使用 | ||||
| 频率变化 | SAW振荡元件 | 0—+200 | |||||
| 光学变化 | 光学高温度计 | 900—+2000 | 非接触测量 | ||||
| 热辐射 | 辐射源温度传感器 | 100—+2000 | |||||
| 磁性变化 | 热铁素体 | -80—+150 | 在特定温度下变化 | ||||
| Fe-Ni-Cu合金 | 0—350 | ||||||
| 电容变化 | BaSrT2O3陶瓷 | -270—+150 | 温度与电容是倒数关系 | ||||
| 物质颜色 | 示温涂料 | 0—1300 | 检测温度不连续 | ||||
| 液晶 | 0—100 | 颜色连续变化 | |||||
| 温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度分布）。 温度传感器应用电路（一） 将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整W1，使DVM显示为0V，将PN结传感器插入沸水中（设沸水为100℃），调整W2，使DVM实现为100.0V，若沸水温度不是100℃时，可按照水银温度计上的读数调整W2，使DVM显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入0℃环境中，等平衡后看显示是否仍为0V，必要时再调整W1使之为0V，然后再插入沸水，看是否与水银温度计计数相等，经过几次反复调整即可。 |
电阻应变片力传感器
力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件，力学量可分为几何学量、运动学量及力学量三部分，其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等，运动学量是指几何学量的时间函数，如速度、加速度等。力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。根据被测力学的不同，这里我们首先要介绍的是应用最为广泛的应变式压力传感器，在以后的网页中，我们将逐步介绍其它类型的力学传感器。
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
 金属电阻应变片的内部结构如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 |  |
| 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： | ||||
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| 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） 湿度传感器
|
电磁式流量传感器
涡流流量传感器 三.涡流流量传感器的特性及使用 速度传感器 单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。 [2].光电风速传感器 电位器式位移传感器 电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。 光敏传感器 磁敏传感器 在传感器中，有一类是对磁敏感的，称为磁敏传感器（或称磁传感器），这一类传感器有干簧管（干簧管开关）、霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管和磁敏三极管等。 声学传感器 气体传感器 气体传感器，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号输出的器件。随着社会的发展和科学技术的进步，气体传感器的开发研究越来越引起人们的重视，各种气体传感器应运而生。综合气体传感器的应用情况，主要有以下几种用途： 生物传感器
一.电磁式流量传感器的工作原理及使用
导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。
图1是电磁式流量传感器的工作原理图。在励磁线圈通以励磁电压后，绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中，当平均流速为v的导电性液体流经绝缘导管时，那么在导线内径为D的管道壁上设置的一对电极中，便会产生如下式所表示的电动势e，即
式中v——液体的平均流速（m/s）
B——磁场的磁通密度（T）
D——导管的内径（m）
液体流动的容积流量
根据上式可以看出，容积流量Q与电动势e成正比。如果我们事先知道导管内径和磁场的磁通密度B，那么就可以通过对电动势的测定，求出容积的流量。
虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。
(1).没有机械可动部分。
(2).由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。
(3).能够得到与容积流量成正比的输出信号。
(4).测量结果不受流体粘度的影响。
(5).由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。
(6).测量范围宽，可以从0.005——190000m3/h。
(7).测量精度高，可达±0.5%。
使用电磁流量传感器时应注意以下几点：
[1].由于管道是绝缘体，电流在流体中流动很容易受杂波的干扰，因此必须在安装流量传感器管道的两端设置接地环，使流体接地。
[2].虽然流速对精度影响不大，为消除这种影响，应保证上流道有足够的直线长度。
[3].使用电磁流量计时，必须使管道内充满液体。最好是把管道垂直设置，让被测液体从上至下流动。
[4].测定电导率较小的液体时，由于两电极间的内部阻抗比较高，所以信号放大器要有100MΩ的输入阻抗。为保证传感器正常的工作，液体的电导率必须保证在5s/cm以上。
电磁流量传感器可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流体的检测。
一.涡流流量传感器的工作原理
当在流体中插入棒状障碍物时，在其带侧会交替产生相互反转的涡流，在流体的下游形成规则的涡列，如图4所示，这种涡列就是流体力学中的“卡门涡旋列”。
发生涡旋的频率与流体流量有如下的关系，即
式中f——涡流的频率
St——斯托哈尔数（雷诺数在某些范围内的一定值）
v——流体的平均流速
d——插入物体正对流向的宽度
A——流路的断面积
Q——流体的流量
上式说明，St在一定的范围内，涡流频率f和流量成正比，因此只要测定出涡流的频率，就可得知流体的流量这就是涡流流量传感器的工作原理。
二.涡流流量计的结构
涡流流量计的基本结构，如图5所示，流量脊由外壳、涡流发生器和频率检测元件等组成。涡流发生器的下端沿枞向自由支撑，上端固定在外壳的孔内，通过密封圈再用压板予以固定。在涡流发生器的内部装有压电元件，用来通过体内的应力变化检测出涡流的频率。图中的涡流发生器与流体接触部分的截面为梯形，这种形状能使流速与涡流的频率具有良好的线性。当涡流发生时，其内部将产生一定的应力，这种应力经压电元件检测后，用电路对得到的信号进行处理，从而得到跟涡流频率对应的脉冲频率，最终以模拟电压的形式输出。
涡流频率的检测方法有许多种，可利用加热体的冷却方法来检测涡流非生产性器周围和内部流体流动的周期变化，也可以通过个种传感器检测流体振动所产生的力的周期变化。
涡流流量传感器有以下特征：
(1).测量涡流频率的检测元件，一般都设置在涡流发生器的内部，与流体隔离，所以涡流流量传感器可以对所有的流体进行流量检测。
(2).在流体的通道上设置的涡流发生器是固定的，因此传感器没有运动部分，使传感器长期使用的可靠性得到保证。
(3).因为阻碍流体运动的只有一根涡流发生器，所以压力损失小。
(4).传感器测量流体的温度为-40——300℃，流体的最高压力可达30MPa。
(5).传感器测定流速的范围，液体最大为10m/s，气体最大为90m/s。
使用涡流流量传感器时应注意以下几点：
[1].当被测流体的流速偏低时，流体将产生不稳定涡流，此时应适当减小管道的口径以提高流速。
[2].当测定附着性流体时，如果涡流发生器上附着过多的流体，将会使测量误差增大。
[3].传感器安装时，应设置在管道振动小的位置，并固定在牢固可靠的支架上。
旋转式速度传感器的结构和特征
旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。
(1).接触式
旋转式速度传感器与运动物体直接接触，这类传感器的工作原理如图6所示。当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值，从而就能测出线速度V。
设D为滚轮直径，单位为mm，滚轮每转输出πD个脉冲，则1个脉冲代表着1mm的距离值。设在时间t内脉冲计数为n，则线速度v为：
转动脉冲传感器产生脉冲的方式由表及里光电、磁电、电感应等多种。
每个脉冲代表的距离（mm）称为脉冲当量。为了计算方便，脉冲当量常设定为距离mm的整数倍，这是正确使用传感器的关键。
接触式旋转速度传感器结构简单，使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差，滑差的存在也将影响测量的正确性。因此传感器使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大的材料，尽可能减小滑差。
(2).非接触式
旋转式速度传感器与运动物体无直接接触，非接触式测量原理很多，以下仅介绍两点，供参考。
[1].光电流速传感器
如图7所示，叶轮的叶片边缘贴有反射膜，流体流动时带动叶论旋转，页轮每转动一周光纤传输反光一次，产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数，计算出流速。使脉冲数与叶轮转速再与流速建立关系。利用标定曲线V=kn+c计算流速V。其中：k为变换系数：c为预置值，n为叶轮转速。可将叶轮的转速直接换算成流速。
图8示出，风带动风速计旋转，经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被徒轮轮番遮断形成一串光脉冲，经光电管转换成定信号，经计算可检测出风速。
非接触式旋转速度传感器寿命长，无需增加补偿电路。但脉冲当量不是距离（mm）整数倍，因此速度运算相对比较复杂。
旋转式速度传感器的性能可归纳如下：
(1).传感器的输出信号为脉冲信号，其稳定性比较好，不易受外部噪声干扰，对测量电路无特殊要求。
(2).结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。功能齐全的微机芯片，使运算变换系数易于获得，故目前速度传感器应用极为普遍。
机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器。根据传感器的信号输出形式，可以分为模拟和数字式两大类，参见图1所示。机械位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角度位移传感器。
机械位移传感器是应用最多的传感器之一，它在机械制造工业和其它工业的自动检测技术中占有很重要的地位，在很多领域也得到了广泛的应用。
第一节 电位器式传感器
电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。电位器的种类繁多，本节就工业传感器用的电位器予以介绍。
(1).线绕电位器式传感器
线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。
(2).非线绕电位器式传感器
为了克服线绕电位器存在的缺点，人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫，发展了各种非线绕电位器。
[1] 合成膜电位器
合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（100—4.7MΩ），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入—输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。
[2] 金属膜电位器
金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在瓷基体上一层薄膜制成。
金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70℃。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10—100kΩ之间。由于这些缺点限制了它的使用。
[3] 导电塑料电位器
导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许电刷接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率教高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受温度和湿度的影响，故精度不易做得很高。
[4] 导电玻璃釉电位器
导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。
(3).光电电位器式传感器
光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷，图1是这种电位器的结构图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。
光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。
第二节 电容式传感器
以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。
(1).变极距式电容传感器
图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。
变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即
式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）
A——极板面积（m2）
do——极板间距初始距离（m）
传感器的这种变化关系呈非线性，如图3所示。
当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即
电容相对变化量⊿C/Co为
由于
，在实际使用时常采用近似线性处理，即
此时产生的相对非线性误差γo为
这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。
为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为
传感器的相对非线性误差γo为
不难看出，变极距式电容传感器改成差动之后，不但非线性误差大大减小，而且灵敏度也提高了一倍。
(2).变面积式电容传感器
图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为
Co=⊿A/d
当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，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。
第一节 光电管
图1和图2分别是光电管的结构示意图和电路图。
光电管主要有以下几点特性：
(1).光电管的光谱特性
光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不便的条件下，入射光的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极使用比较广泛，图3和图4分别给出了它们的光谱特性曲线。
由光电管的光谱特性曲线可以看出，不同阴极材料制成的光电管有着不同的灵敏度较高的区域，应用时应根据所测光谱的波长选用相应的光电管。例如被测光的成分是红光，选用银氧铯阴极光电管就可以得到较高的灵敏度。
(2).光电管的伏安特性
光电管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电压UA与光电流IΦ之间的关系。光电管在一定光通量照射下，光电管阴极在单位时间内发射一定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在光电管阳极上施加电压UA，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光电流IΦ。当阳极电压升高，阳极发射的光电子指引一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子数增多，光电流IΦ也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时间内发射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，以后阳极电压升高，光电流IΦ也不会增加 。
图5给出了光电管不同光通量下的伏安特性曲线族。
(3).光电管的光电特性
光电管的光电特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不便的条件下，入射光的光通量Φ与光电流IΦ之间的关系，在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和状态条件下，入射光通量和光电流线性关系，参见图6所示。
(4).暗电流
如果将光电管置于无光的黑暗条件下，当光电管施加正常的使用电压时，光电管产生微弱的电流，此时电流称为暗电流。暗电流的产生主要是由漏电流引起的。
光电管常用在自动控制、无线电传真、有声电影及其它光电转换设备上。
表1列出了一些国产光电管的技术特性。
部分国产光电管的技术特性 型号 光谱响应范围
Ao最佳灵敏度波长
Ao最小阴极灵敏度
(uA/lm)阳极工作电压
(V)暗电流
(A)环境温度
(℃) GD-5 2000-6000> 3800-4200 30 30 3×10-11 5-35 GD-6 6000-11000> 8000±1000 10 30 8×10-11 5-35 GD-7 3000-8500> 4500 45 100 8×10-11 ≤40
干簧管开关是有一对（或三个）封装在玻璃管中的电极（触头）组成的机械开关。在磁场中，电极受磁场作用，使触头接通或断开（组成常开或常闭继电器）主要用于接近开关。
利用磁场作为媒介可以检测很多物理量，例如：位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可实现非接触测量，并且不从磁场中获取能量。在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要附加能源，因此，这一类传感器获得极为广泛的应用。
在磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机、录像机、XY记录仪、打印机、电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测转速、流量、流速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。
[1].霍尔元件
（1）.工作原理
霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。若在图1所示的金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电动势或霍尔电压）。这种现象成为霍尔效应。
霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示：
UH=RHIB/d (V)
式中 RH——霍尔常数（m3C-1）
I——控制电流（A）
B——磁感应强度（T）
d——霍尔元件的厚度（m）
令 KH=RH/d（VA-1Wb-1m2）
则得到
UH=KHIB
由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。KH称为霍尔元件的灵敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。为求得较大的灵敏度，一般采用RH大的N型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使d做得很小。
温度传感器的种类较多，我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路。
（2）.霍尔元件的主要参数
霍尔元件的主要参数为：
输入电阻（RIN）和输出电阻（Rout）
霍尔元件控制电流极间的电阻为RIN，霍尔电势极间的电阻为Rout。输入电阻与输出电阻一般为几欧姆到几百欧姆。通常输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不太多，使用时不能搞错。
额定控制电流Ic
额定控制电流Ic为使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。Ic大小与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸越小，Ic越小。一般为几mA—几十mA（尺寸大的可达数百mA）。
不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压）Uo和不等位电阻Ro
霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，其霍尔电势电极间的电势为不等位电势。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等因素有关。可以用输出的电压表示，或用空载霍尔电压UH的百分数表示，一般Uo不大于10mV或±20%UH。
不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。Uo 及Ro越小越好。
灵敏度kH
灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。
寄生直流电势UOD
在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电势极间产生的直流电势为UOD。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。
霍尔电势温度系数α
α为温度每变化1℃霍尔电势傍晚的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时，要选择α值小的元件，必要时还要家温度补偿电路。
电阻温度系数β
β为温度每变化1℃霍尔元件材料的电阻变化率（用百分比表示）。
（3）.温度补偿及不等位电势补偿
温度补偿
霍尔元件是由半导体材料制成的，与其它半导体器件一样对温度的变化是很敏感的。因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化而变化。因此，造成霍尔电势及内阻也随温度变化。
在电路上可以采用恒流源供电方法来控制电流不变，另外可按图2的外接一电阻方法进行温度补偿。并联电阻R的计算公式为R=βRIN/α，其中α、β、RIN可从霍尔元件参数表中查出。
不等位电势Uo的补偿
不等位电势Uo是一个主要的零位误差。可以把霍尔元件等效成一电桥，如图4所示。电桥的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电势电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，则电桥完全平衡，Uo=0。当两个电极不在同一等位面上时（如r3>r4），则有Uo输出。可以采用3所示的方法进行补偿，外接电阻R值应大于霍尔元件的内阻，调整W可式Uo=0。
声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用。它的种类很多，本文按其特点和频率等，将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器三节加以介绍。在分节述说前，先介绍一些声学量的基本概念和声传感器的基本性能指标的物理意义。
声波：弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、质点速度等的变化或几种变化的综合。
声场：媒质中有声波存在的区域。
声压：有声波时，媒质中的压力与静压的差值。单位为Pa。声压值是时间的函数。一般使用时，声压是有效声压的简称。声压在声场中具有空间分布。
峰值声压：瞬时声压在规定的时间内最大绝对值。
有效声压：媒点上瞬时声压在一个周期内的均方根值。
声压级：声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，单位为分贝（dB）。常用基准声压为20uPa（空气中）;1uPa（水中）。
声级：用一定的仪表特性和A，B，C计权特性测得的计权声压级。所用的仪表特性和计权特性都必须说明，否则指A声级。常用基准声压为20uPa。A，B，C计权特性分别是40，70，100方等响线的反曲线，计权特性用声级的字母表示。如A声级65dB。飞机噪声也可用D计权，其特性是40等噪线的反曲线。
声强：在某点上，一个与指定方向垂直的单位面积上在单位时间内通过的平均声能。单位为W/m2。应当注意的是，声场在指定方向n的声强等于垂直于该方向的单位面积上的平均声能通量。声波为纵波时，声强可用下式表示：
式中 p——瞬时声压，Pa。
式中 un——瞬时质点速度在方向n的分量，m/s。
式中 T——周期的整数倍，或长得不影响计算结果的时间，单位为s。
在自由场平面或球表面波的情况，在传播方向的声强是。
式中 p——有效声压，Pa。
式中 ρo——质点密度，kg.m3。
式中 c——声速，m/s。
声功率：声源在单位时间内发射出的总能量。单位负责人W。
声吸收：指声波通过媒质或遇到表面时，部分声能转换成其它形式的能（通常是热能）而使声能降低的过程。
自由声场：均匀的各向同性的非流动媒质中，边界影响可以不计的声场。
噪声：紊乱继续或统计上随机的声振荡或指不需要的声音，可引伸为在一定频段中任何不需要的干扰，如电波干扰。
噪声剂量：工作日，工作周或其它一定时间内，一切有关噪声的部分暴露指数的和。某一种噪声持续时间除以在一定时间（工作日、工作周）内该噪声级下允许的连续工作时间，称为该噪声的部分噪声暴露指数。总噪声指数代表人耳接收的噪声剂量。用积分表示为：
式中 D——总噪声暴露指数。
式中 T——计算时间，单位为s。
式中 PPA——瞬间A声级，dB。
混响时间：声音已达到稳态后停止声源，平均声能密度自原始衰变到其百万分之一（60dB）所需要的时间。
声压频率响应：声压测量传感器的输出对声压的比率作为频率的函数。该声压在传感器敏感元件的整个表面上无论相位或振幅对相等。
自由场频率响应：声场中声压测量传感器的输出与自由场声压之比作为频率的函数。该自由场声压是指无传感器存在时在传感器声中心位置的声压。
指向性：发射（或接收）某一频率的声波的声源（或声接收器）在其远场中的发射声压（或接收灵敏度）的方向特性。常用指向性图表示。指向性是声源在远场形成波束的方向特性，也是声接收器对入射声波的方向选择特性。
指向性图案：换能器在固定频率工作时，通过声中心的指定平面内其响应作为发射或入射声波方向函数，称为指向性函数。用图线表示的指向性函数，称为指向性图案。指向性图案是声源的远场声束图案的数学描述，是球坐标中方位角和俯仰角的函数。在不同频率下工作，同一换能器的指向性将随频率的提高而趋于明显。
漫射声：在给定区域内声能密度均匀的声，在区域内的任一点上所有方向的声能通量是等概率的。
随机入射响应：声压测量传感器漫射场的频率。射向传感器规定表面的声音是来自随机方向的。
有毒和可燃性气体检测
有毒和可燃性气体检测是气敏传感器最大的市场。主要应用于石油、采矿、半导体工业等工矿企业以及家庭中环境检测和控制。在石油、石化、采矿工业中，硫化氢、一氧化碳、氯气、甲烷和可燃的碳氢化合物是主要检测气体。在半导体工业中最主要是检测磷、砷和硅烷。家庭中主要是检测煤气和液化气的泄漏以及是否通风。
燃烧控制
汽车工业是气体传感器又一重要市场。采用氧传感器检测和控制发动机的空燃比，使燃烧过程最佳化。在大型工业锅炉燃烧过程中采用带有气体传感器的控制以提高燃烧效率减少废气排出，节省能源。气体传感器还可以用来检测汽车或烟囱中排出的废气量。这些废气包括二氧化碳、二氧化硫和一氧化碳。
食品和饮料加工
在食品和饮料加工过程中，二氧化硫传感器是极有用的器件。二氧化硫常用于许多食品和饮料的保存和检测，使之含有保持特定的味道和香味所需最小的二氧化硫浓度。另外，气体传感器还被用来检测葡萄酒、啤酒、高梁酒的发酵程度以保证产品均匀性和降低成本。
表1 气体传感器的主要检测气体和应用场合 分类 检测对象气体 应用场所 爆炸性气体 液化石油气、城市用煤气（发生煤气、天然煤气）
甲烷
可燃性煤气家庭
煤矿
办事处 有毒气体 一氧化碳（不完全燃烧的煤气）
硫化氢，含硫的有机物
卤素、卤化物、氨气等煤气灶等
（特殊场所）
办事处 环境气体 氧气（防止缺氧）
二氧化碳（防止缺氧）
水蒸气（调节湿度、防止结露）
大气污染（SOx、NOx等）家庭、办公室
家庭、办公室
电子设备、汽车
温室 工业气体 氧气（控制燃烧，调节空气燃料比）
一氧化碳（防止不完全燃烧）
水蒸气（食品加工）发动机、锅炉
发动机、锅炉
电炊灶 其他 呼出气体的酒精、烟等
医疗诊断
可用气体传感器进行病人状况诊断测试，如口臭检测，血液中二氧化碳和氧浓度检测等。
表1例举了气体传感器的主要检测气体和应用场合。
气体传感器的品种繁多，限于篇幅，不可能一一叙述。本篇主要介绍应用较为广泛，国内又有一定生产能力的气体传感器，它们是半导体气体传感器、电化学气体传感器、接触式气体传感器和热传导式气体传感器。有关光学类等其它气体传感器，请读者参阅其他有关书籍。
定义
生物传感器是多学科综合交叉的产物，各类新型生物传感器正在不断涌现，因而难以对它下一个确切而严格的定义。就现有的生物传感器而言，它是固定化的生物成份（酶、抗原、抗体、激素）或生物体本身（细胞、微生物、组织等）为敏感元件，与适当的能量转换器结合而成的器件。敏感元件产生与待测化学量或生物量（或浓度）相关的化学或物理信号（原始信号），然后由能量转换器转换成易于测量的电信号（次级信号）。随着各门高新技术的发展，特别是生物工程技术和电子技术的发展，生物传感器的概念将不断修正和更新。
应用
生物传感器在国民经济的各个领域有着十分广泛的应用，特别是食品、制约、化学工业中的过程检测，环境检测，临床医学检测，生命科学研究等等。测定的对象为物质中化学和生物成份的含量，如各种形式的糖类、青酶素、草酸、水杨酸、尿酸、尿素、胆固醇、胆碱、卵磷脂、肌酸酐等等。
分类
生物传感器的分类方法很多。若按生物敏感材料的类别来划分，生物传感器可分为酶传感器、免疫传感器、微生物传感器和组织传感器。我们权且把细胞传感器归入组织传感器。按能量转换器来划分，生物传感器可分为电化学生物传感器、热生物传感器、光学生物传感器、半导体生物传感器和声学生物传感器。电化学传感器主要有酶传感器，热学生物传感器主要有热敏电阻，光学生物传感器主要有光纤生物传感器，半导体生物传感器主要有酶场效应管，声学生物传感器也称质量生物传感器，主要有压电晶体生物传感器和声表面波生物传感器。图1清楚地反映了生物传感器的结构和分类。
特点
生物传感器与传统的检测手段相比有如下特点：
[1].生物传感器是由高度选择性的分子识别材料与灵敏度极高的能量转换器结合而成的，因而它具有很好的选择性和极高的灵敏度。
[2].在测试时，一般不需对样品进行处理。
[3].响应快、样品用量少，可反复多次使用。
[4].体积小，可实现连续在线、在位、在体检测。
[4].易于实现多组份的同时测定。
[5].成本远低于大型分析仪器，便于推广普及。
然而，我们在看到生物传感器优点的同时，必须注意到它的若干弱点。例如，不同酶的选择有很大差异，尿素酶有严格的专一性，葡萄糖氧化酶有高度的专一性，而乙醇氧化酶和氨基酸氧化酶分别能识别光谱醇类和氨基酸类。由于生物材料的内在特征是无法改变的，故在这种情况下必须解决如何消除干扰的问题。抗体的专一性可采用单无性抗体而得到增强。对专一性好的生物敏感材料可选用普适能量转换器与之匹配。例如对大多数生化反应来说都伴随着热效应，只要不存在干扰，可用量热换能器与之相联。抗原与抗体反应虽没有生物催化反应，若将抗原或抗体固定，抗原与抗体反应后将发生质量变化，因而可用压电晶体振荡器或声表面波器件来检测。
生物传感器的工作条件是比较苛刻的。首先，生物敏感物质只有在最佳的pH范围才有最大的活性，因此换能器的特性必须与之匹配。其次，除了少数酶能短时间承受高于100℃高温外，绝大多数生物敏感物质的工作条件局限于15-40℃的狭窄温度范围内。另外，许多生物敏感物质只能在短期内保持活性，为了延长生物传感器的寿命，往往需要特殊的条件，例如在温度为4℃的条件下贮存。
生物传感器的响应时间比单独的换能器响应时间要长得多，这是因为待测物质进入生物敏感层内，其质量传递需要较长时间，某些生化反应也需要一定时间。例如酶电极的响应时间在几秒至半分钟范围内，免疫传感器则需要15分钟左右，微生物传感器则在20-30分钟内。尽管如此，它们在实用中具有生命力是因为传统的检测方法或许更长的时间，例如传统方法检测生物耗氧量（BOD）需要五天左右，而采用生物传感器，即使20-30分钟的响应时间也可以接受。
目前商品化的生物传感器还不多。许多重要问题如长期稳定性、可靠性、一致性、批量生产工艺等有待解决。预计到21世纪初，随着上述问题的解决，生物传感器将在各种传感器站主导地位
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- 发布时间：2009-12-29 21:56
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- 修改时间：2009-12-29 21:58
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