第5章传感器技术

第5章传感器技术

5．1 知识要点

5.1.1传感器的类型及选用原则

1.什么叫传感器？如何分类？对其性能有何要求？

传感器是测试系统中的第一级，是能感受和拾取规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或者装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

按被测量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。 按传感器的工作机理分为：物理型、化学型和生物型或机械式、电气式、光学式、流体式等。

按传感器的构成原理分为：结构型和物性型。

按传感器的能量转换情况分为：能量控制型和能量转换型及能量传递型。

按传感器的物理原理分为：电参量式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、射线式传感器、波式传感器、半导体式传感器等。

按传感器的输出量可分为：模拟式传感器和数字式传感器。 按转换过程是否可逆分为：双向传感器、单向传感器。

对传感器性能要求为：具有快速、准确、可靠而又能经济地实现信号转换的性能，具体有:

(1)传感器的工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力。

(2)与检测系统匹配性好，转换灵敏度高：要求其输出信号与被测输入信号成确定关系(通常为线性关系)，且比值要大。

(3)精度适当，且稳定性高：传感器的静态特性与动态特性的准确度能满足要求，并长期稳定。

(4)反应速度快，工作可靠性高，滞后、漂移误差小，复现性好，有互换性。

(5)适应性和适用性强：动作能量小，对被检测对象的状态影响小，内部噪声小并且具有抗外部噪声的性能，不易受外界干扰的影响，防水及抗腐蚀等性能好，使用安全，易于维修和校准，寿命长，成本低等。

2.传感器的发展趋势是什么？

（1）采用新原理、开发新型传感器。

（2）大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求)。 （3）传感器的集成化。 （4）传感器的多功能化。 （5）传感器的智能化。

（6）研究生物感官，开发仿生传感器。 3.传感器选用原则有哪些？

（1）灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，即被测量稍有微小变

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化时，传感器即有较大的输出。但灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大。因此，对传感器往往要求有较大的信噪比。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。

（2）线性范围：为了保证测量的精确度，传感器必须在线性区域内工作。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。

（3）响应特性：传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。但实际传感器的响应总有一迟延，但迟延时间越短越好。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。

（4）稳定性：为了保证稳定性，在选用传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适的传感器类型。

（5）精确度：传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接影响。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。

（6）可靠性：为了保证传感器应用中具有高度可靠性，事前须选用设计、制造良好，使用条件适宜的传感器。

（7）其它选用原则：传感器在实际测试条件下的工作方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素，还要兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。

5.1.2电阻式、电感式、电容式传感器

1.什么叫电阻式传感器？有哪些类型？

电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按工作原理可分为变阻器式、电阻应变式两类；按结构和性能可分为：电位差计式传感器、金属电阻应变式传感器、半导体应变式传感器、压阻式传感器、热电阻传感器、湿敏电阻传感器、光敏电阻传感器等。

2.什么叫电阻应变效应和压阻效应？电阻应变片有哪几种？

金属丝的电阻（R=?L/S）与材料的电阻率（?）及其几何尺寸（长度L和截面积S）有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为金属的电阻应变效应。

半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为压阻效应。

电阻应变片是基于金属的应变效应工作的。有丝式应变片和箔式应变片及半导体应变片三种。

3.固态压阻式传感器、热电阻传感器、湿敏电阻传感器和光敏电阻传感器是根据什么效应或机理制成的？

固态压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上扩散电阻制成的，基片直接作为测量传感元件(甚至有的可包括某些电路)。扩散电阻在基片内组成电桥，当基片受力作用产生变形时，各电阻值发生变化，电桥产生相应的不平衡输出。

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热电阻传感器是利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。

湿敏电阻传感器是一种检测空气湿度(水分)的传感器。它能将湿度的变化转换成电阻的变化。有些氧化物，主要是金属氧化物(如氧化锂)，当湿度变化时，会引起其电阻的变化。

有些半导体材料(如硫化镉)，在黑暗的环境下它的电阻非常高，但当它受到光照射时，其电阻就显著减小，根据此现象制成的传感器成为光敏电阻传感器。

4.什么电感式传感器？有哪几种？

电感式传感器的敏感元件是电感线圈，其转换原理基于电磁感应原理。它把被测量的变化转换成线圈自感系数L或互感系数M的变化(在电路中表现为感抗XL的变化)而达到被测量到电参量的转换。

按照转换方式的不同可将电感传感器分为自感型(包括可变磁阻式与高频反射式)与互感型(差动变压器式与低频透射式)两种。常用的有涡流式电感传感器和差动变压器式电感传感器等。

5.什么叫电容式传感器？有哪几种？有哪些应用？

电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。电容式传感器可分为以下三大类： (1)极距变化型电容传感器。 (2)面积变化型电容传感器。 (3)介质变化型电容传感器。

电容传感器可用来测量直线位移、角位移、振动振幅。尤其适合测温、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、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。 5.1.3压电、磁电、光电、热电传感器

1.什么叫压电效应和逆压电效应？什么叫压电传感器？压电材料有哪些？有哪些特点？有哪些应用？使用中应注意哪些问题？

某些物质、如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，这种现象称为压电效应。若将这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。利用压电效应制成的传感器称为压电传感器，其压电元件是在两个工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，压电材料有：石英晶体、一系列单晶硅、多晶陶瓷、有机高分子聚合材料等。

压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用

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的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和并联连接，常用的是并联连接，可以增大输出电荷，提高灵敏度。使用时，两片压电芯片上必须有一定的预紧力，以保证压电组件在工作中始终受到压力作用，同时可消除两片压电芯片因接触不良而引起的非线性误差，保证输出信号与输入作用力间的线性关系,因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗。但实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，并给测量电路一定的电流。故压电传感器只能作动态测量。

2.什么叫磁电传感器？有哪几种类型？

磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器，也称为电动式传感器或感应式传感器。磁电式传感器可分成两大类型：动圈式(即动磁式)及可动衔铁式(即可变磁阻式)。动圈式磁电传感器可按结构分为线速度型与角速度型；可变磁阻式磁电传感器简称磁阻式磁电传感器。磁阻式磁电传感器由永久磁钢及缠绕其上的线圈组成，传感器在工作时线圈与磁钢都不动，由运动着的物体(导磁材料)改变磁路的磁阻，引起通过线圈的磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电势。

3.什么叫光电效应？有哪几种类型？什么叫光电传感器？

所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应。光线照射在某些物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射，逸出来的电子称为光电子。内光电效应是指光照射在半导体材料上，材料中处于价带的电子吸收光子能量，通过禁带跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴增多，即激发出光生电子吸收空穴对，从而使半导体材料产生电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应和光生伏特效应。半导体受到光照时会产生光生电子—空穴对，使导电性能增强；光线愈强，阻值愈低。这种光照后电阻率变化的现象称为光电导效应。当PN结两端没有外加电压时，在PN结势垒区内仍然存在着内结电场，其方向是从N区指向P区。当光照射到结区时，光照产生的电子—空穴对在结电场作用下，电子扫向N区，空穴扫向P区；电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照而产生的电动势，该现象称为光生伏特效应。

根据光电效应制成的传感器叫光电传感器。根据外光电效应制成的光电器件有光电管和光电倍增管；根据光电导效应制成的光电器件有光敏电阻和反向偏置工作的光敏二极管与三极管。根据光生伏特效应制成的光电器件有光电池。

4.什么叫热电效应？什么叫热电传感器？

两种不同的金属导体A和B组成一个闭合回路时，若两个结合点的温度不同，则在回路中就有电流产生，这种现象称热电效应。热电式传感器是一种将温度变化转换为电量的装置，它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。 5.1.4磁敏、气敏传感器

1.什么叫霍尔效应、霍尔电势和霍尔元件？霍尔元件采用何种材料？由什么组成？霍尔元件能够测量哪些物理参数？霍尔元件的不等位电势的概念是什么？温度补偿的方法有哪几种？

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金属或半导体薄片置于磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势。基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

霍尔元件可测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等。

霍尔组件的不等位电势是霍尔组件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时，两输出电极之间的空载电势，可用输出的电压表示。

温度补偿方法有分流电阻法和电桥补偿法

2.什么是磁阻效应？什么叫磁敏传感器？

当一载流导体置于磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻值会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应，磁阻效应与材料性质、几何形状有关。利用磁阻效应制成的磁敏元件称为磁敏电阻或磁敏传感器。常见的磁敏电阻有单晶型、薄膜型和共晶型三种，常用的磁敏元件有磁敏二极管和磁敏三极管。

3.什么是气敏传感器？有哪些类型？

气敏传感器是一种将检测到的气体成份和浓度转换为电信号的传感器。主要类型如表5-1所示。

表5-1 气敏传感器类型

敏感气体种类的气敏传感器 气敏传感器 敏感气体量的真空度气敏传感器 检测气体成分的气体成分传感器 半导体气敏传感器 固体电解质气敏传感器 高频成分传感器 光学成分传感器 5.1.5固态图像传感器

1.试述固态图像传感器（CCD）的基本结构。

CCD传感器由MOS电容组成，金属和Si衬底是电容器两极,SiO2为介质。在N型或P型硅衬底上生成一层厚度约120nm的二氧化硅层，然后在二氧化硅层上依一定次序沉积金属电极，形成MOS电容器阵列，最后加上输入和输出端便构成了CCD器件。

2.试述固态图像传感器（CCD）的工作原理。

CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即电荷的产生、存储和转移。首先由光学系统将被测物体成象在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多象素点，

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