常用传感器原理

传感器定义

        传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。


常用的传感器及其相应的原理

（1）温度传感器


                                                                              

温度传感器

        温度传感器是应用最广,用量最多的一种传感器。其主要形式有:

①温度开关传感器

        它是利用磁铁的温度特性做成的,近几年出售的产品是由磁铁与叠簧接点元件相组合,构成通用温度开关,其可靠性比原来有较大提高。它可用于过热保护开关,在异常过热时切断电路。另一种温度开关传感器,它是利用液体和气体热膨胀原理做成。具体结构是:在细小的金属管中封入膨胀系数大的物质,在它的一端装上伸缩软管。当金属管的温度发生变化,则软管相应移动,使开关能够接通与断开,它的主要缺点是体积比较大。

②热敏电阻

        其特点是:根据设备要求不同,其形状和检测范围也不同,典型阻抗为(25℃)50Ω至1MΩ;线性化网络时灵敏度为0.7%/℃;灵敏度在普通温度传感器中为最高,近年来的发展情况是检测温度从低温到高温的各种热敏电阻材料已研制出来,更有利于它的最佳使用。今后热敏电阻的响应速度以及大型高温用恒温发热适用化方面的问题仍待继续研究。

③热电偶

        热电偶早就作为高精度的温度测定传感器用于计量仪器。在家电领域,热电偶也用来检查煤气设备是否点火。由于这种传感器可利用在失火、断线、短路及发生异常情况时。自动使开关闭合,从而构成安全系统。近年来,已出现集成温度传感器,如AD590电流型集成温度传感器,特别适用于远距离温度测量。

（2）压力传感器

压力传感器

        传统的压力器以机械结构型的器件为主。它利用弹性元件的形变或液柱高度差来指示压力,其缺点是尺寸大,体积重并且不能提供电量输出。随着半导体技术的发展,有了半导体压力传感器,它是利用晶体中的应力变化引起晶体管的电流增益或反向漏电流的相应变化而制成的压力传感器,这种传感也称压结型压力传感器;由于封装工艺上有着缺陷,而且易因压力过大产生不可逆变化而失效,逐渐被更为稳定的压阻型器件代替,压阻型器件主要利用半导体的电阻率随应力变化的性质制成的,它目前的应用最为广泛。它主要由电源稳压电路、带温度补偿的压敏电阻、电桥和运算放大器构成。其精度一般在1%F.S左右,温漂在0.03%F.S/℃下。但压阻型器件也有一些缺点,如本征灵敏度低和封装困难,因此,人们近几年来又研究了电容式电力传感器,并已制成单块集成器件。

（3）气体传感器

气体传感器应用

        气体传感器分为两类:一类是利用氧化物半导体对气体敏感的特性制成的;另一类是利用接触燃烧而发生温度变化的特性制成的,二者各有所长。近几年,气体传感器尽管取得了很大改进,但存在不稳定的因素。尤其对于检测气体的选择性不好,对于酒精与香烟燃烧的烟雾不需检测的气体产生敏感而误报警。另外,两类传感器往往都必须加热到200—300℃才能工作。此外,其成本较高。

（4）湿度传感器

湿度传感器

        湿度传感器实用的例子不多,但很有存在的必要。作为实用化的例子,有根据存料电阻值变化检测干燥度的湿度传感器,有根据特殊树脂的电阻值变化来检测磁带录像机磁头的水汽湿度传感器。另外还研制了采用对湿度容易敏感的陶瓷制作的湿度传感器。湿度传感器存在的问题是,至今还没有一种包括整个湿度范围的万能湿度传感器。对于干燥、水汽及二者之间的范围,必须采用彼此完成不同的传感器。湿度传感器研制的难处在于:检测部位往往是裸露的,传感器表面易受环境影响,从而难以保证其可靠性。

（5）光电传感器

光电传感器应用

       光电传感器,由于反应快、精度好、无接触测量,因此在军事、工业控制和民用电器中的应用十分广泛。它有真空光电管、半导体光电管和 70 年代发展起来的集成光电器件。特别是集成光电器件的发展应用引人注目。例如:CCD器件(电荷耦合器件)即能实现电极下电荷有控制的转移的器件,第一个可供工业电视使用的面型电荷合像传感器产品有100×100个分辨单位。

        随后器件的分辨单元的规模越来越大,目前已达到民用电视的要求,国内也已有512×320位面型CCD摄像传感器产品出售,用它已构成象素512×320位的黑白电视摄像机。它的光谱灵敏范围为450—10600.A,最低照度可达到10-1～10-2勒克斯,整机功耗仅9W。在工业上,用它可构成轻便而长寿命的工业电视,同时为遥控,遥测(卫星摄像)提供了有力的工具。

       近年来又发展了光敏元件为光电二极管的高灵敏度CCD图像传感器。美国微系统公司已将32×32位的光敏元件陈列和AD转换以及四位微处理器集成在一起,构成智能传感器,以作为机器人的视觉传感。它可以区分人和小动物,作交通控制用时,又可以区分车和人。