浅谈传感器的工作原理及应用综述

胡雪梅 冯中元 靳蝉瑜

摘 要：传感器的定义是：“能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，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。”

关键词：传感器;原理;应用

一、 传感器及其工作原理

（一）什么是传感器

1. 传感器的定义

英文名称：transducer/sensor

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，通常有敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，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。

“传感器”在新韦式大词典中的定义为：“从一个系统接受功率，通过以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。

根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器-transducer”来称谓“传感器-sensor”。

2. 功能

常将传感器的功能与人类五大感觉器官相比拟：

光敏传感器——视觉

声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉

化学传感器——味觉

压敏、温敏、流体传感器——触觉

①物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应;

②化学类：基于化学反应的原理。

③生物类：基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

（二）常见的元件

1. 光敏电阻

光敏电阻又称为光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速见效的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下做漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

2. 热敏电阻和金属热电阻

除了光照以外，温度也能明显的影响金属导体和半导体材料的导电性能。

金属的电阻率随温度升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的。与金属不同，有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成，它的电阻随温度的变化非常明显。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。

二、 传感器的应用

传感器输出的电信号相当于微弱，难以带动执行机构去控制动作，因此要把这个电信号放大。如果需要远距离传送，可能还要把它转换成其他信号来抵御外界干扰。

从传感器获得信号后，可以用指针式电表或液晶板等显示测量的数据;也可以用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门，开通或关闭电动机等动作;还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。

（一）常见传感器的应用

1. 力传感器的应用——电子秤

我们经常见到的电子秤，小的用来称量食物的重量，大的可以称量汽车、火车的重量。它所使用的测力装置是力传感器。常用的一种力传感器是由金属梁和应变片组成。应变片是一种敏感元件，现在多用半导体材料制成。

2. 温度传感器的应用——电熨斗

电熨斗在达到设定温度后就不再升温，当温度降低时又会继续加热，使它总与设定温度相差不多。在熨烫不同的织物时，设定温度可以不同。进行这样的控制，靠的是温度传感器。

3. 光传感器的应用——火灾报警器

许多会议室和宾馆房间的天花板上都装有火灾报警器。

有一种火灾报警器是利用烟雾对光的散射来工作的。带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电二极管和不透明的挡板。平时，光电三极管收不到LED发出的光，呈高电阻状态。烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三级板上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。

（二）各种传感器及其原理

1. 電阻式传感器

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。

2. 电阻应变式传感器

传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高、横向效应小等优点。

3. 热电阻传感器

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制作，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

4. 智能传感器

智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的。是一个相对独立的智能单元，它的出现对原理硬件性能苛刻要求有所减轻，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。

作者简介：

胡雪梅，冯中元，靳蝉瑜，重庆市，重庆交通大学。