传感器工作原理

　　传感器有哪些类型

　　一、按用途

　　压力敏和力敏传感器、位置传感器、液位传感器、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。

　　二、按原理

　　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；

　　三、按输出信号

　　1、模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号；

　　2、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）；

　　3、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）；

　　4、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。

　　四、按其制造工艺

　　1、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；

　　2、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；

　　3、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；

　　4、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。

　　五、按测量目

　　1、物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的；

　　2、化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的；

　　3、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。

　　六、按其构成

　　1、基本型传感器：是一种最基本的单个变换装置；

　　2、组合型传感器：是由不同单个变换装置组合而构成的传感器；

　　3、应用型传感器：是基本型传感器或组合型传感器与其他机构组合而构成的传感器。

　　七、按作用形式

　　1、主动型传感器又有作用型和反作用型，此种传感器对被测对象能发出一定探测信号，能检测探测信号在被测对象中所产生的变化，或者由探测信号在被测对象中产生某种效应而形成信号，检测探测信号变化方式的称为作用型，检测产生响应而形成信号方式的称为反作用型，雷达与无线电频率范围探测器是作用型实例，而光声效应分析装置与激光分析器是反作用型实例；

　　2、被动型传感器只是接收被测对象本身产生的信号，如红外辐射温度计、红外摄像装置等。

　　三种传感器工作原理

　　1、压电压力传感器

　　压电式压力传感器主要基于压电效应（Piezoelectric effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在石英上发现的。

　　当应力发生变化的时候，电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的湿度和温度都比较低的地方。磷酸二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的应用是非常广泛的。随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。

　　以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出。它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：

　　加速度和压力。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构很简单、信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。但是它也存在着某些缺点：有部分电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施，而输出电流的响应又比较差，那就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点，让仪器更好地工作。

　　2、压阻压力传感器

　　压阻压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistive effect）。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于上述压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。

　　大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。其中半导体材料中的压阻效应远大于金属。由于硅是现今集成电路的主要，以硅制作而成的压阻性元件的应用就变得非常有意义。的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻，这使得其程度因子大于金属数百倍之多。N型硅的电阻变化主要是由于其三个导带谷对的位移所造成不同迁移率的导带谷间的载子重新分布，进而使得电子在不同流动方向上的迁移率发生改变。其次是由于来自与导带谷形状的改变相关的等效质量（effective mass）的变化。在P型硅中，此现象变得更复杂，而且也导致等效质量改变及电洞转换。

　　压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA的标准输出信号。

　　为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。

　　3、电容式压力传感器

　　电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

　　单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

　　差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

　　传感器的七大应用

　　1．传感器与环境保护

　　目前，地球的大气污染、水质污浊及噪声已严重地破坏了地球的生态平衡和我们赖以生存的环境，这一现状已引起了世界各国的重视。为保护环境，利用传感器制成的各种环境监测仪器正在发挥着积极的作用。

　　2．传感器在机器人上的应用

　　目前，在劳动强度大或危险作业的场所，已逐步使用机器人取代人的工作。一些高速度、高精度的工作，由机器人来承担也是非常合适的。但这些机器人多数是用来进行加工、组装、检验等工作，屑于生产用的自动机械式的单能机器人。在这些机器人身上仅采用了检测臂的位置和角度的传感器。

　　3．传感器与家用电器

　　现代家用电器中普遍应用着传感器。传感器在电子炉灶、自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、热风取暖器、风干器、报警器、电樊斗、电风扇、游戏机、电子驱蚊器、洗衣机、洗碗机、照像机、电冰箱、彩色及平板电视机、录像机、录音机、收音机、影碟机及家庭影院等方面得到了广泛的应用。

　　4．传感器与物联网

　　物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

　　物联网（Internet of Things）指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”（Enabled）的，如贴上RFID的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通（M2M）、应用大集成（Grand Integration）、以及基于云计算的SaaS营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。简单的讲，物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制，在物联网应用中有三项关键技术其中就包括传感器技术。

　　5．传感器在医疗及人体医学上的应用

　　随着医用电子学的发展，仅凭医生的经验和感觉进行诊断的时代将会结束。现在，应用医用传感器可以对人体的表面和内部温度、血压及腔内压力、血液及呼吸流量、肿瘤、血液的分析、脉波及心音、心脑电波等进行高难度的诊断。显然，传感器对促进医疗技术的高度发展起着非常重要的作用。

　　6．传感器与遥感技术

　　卫星遥感（satellite remote sensing）是航天遥感的组成部分，以人造地球卫星作为遥感平台，主要利用卫星对地球和低层大气进行光学和电子观测。即从远离地面的不同工作平台上（如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等）通过传感器，对地球表面的电磁波（辐射）信息进行探测，并经信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测和监测的综合性技术。

　　7．传感器在军事上的应用

　　现在的战场都是信息化战场，而信息化是绝对离不开传感器的。军事专家认为：一个国家军用传感器制造技术水平的高低，决定了该国武器制造水平的高低，决定了该国武器自动化程度的高低，最终决定了该国武器性能的优劣。当今，传感器在军事上的应用极为广泛，可以说无时不用、无处不用，大到星体、两弹、飞机、舰船、坦克、火炮等装备系统，小到单兵作战武器；从参战的武器系统到后勤保障；从军事科学试验到军事装备工程；从战场作战到战略、战术指挥；从战争准备、战略决策到战争实施，遍及整个作战系统及战争的全过程，而且必将在未来的高技术战争中促使作战的时域、空域和频域更加扩大，更加影响和改变作战的方式和效率，大幅度提高武器的威力和作战指挥及战场管理能力。