淺談傳感器的工作原理及應用綜述

胡雪梅 馮中元 靳蟬瑜

摘?要：傳感器的定義是：“能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。”

關鍵詞：傳感器;原理;應用

一、 傳感器及其工作原理

（一）什么是傳感器

1. 傳感器的定義

英文名稱：transducer/sensor

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量件并按照一定規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常有敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

“傳感器”在新韋式大詞典中的定義為：“從一個系統接受功率，通過以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。

根據這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器-transducer”來稱謂“傳感器-sensor”。

2. 功能

常將傳感器的功能與人類五大感覺器官相比擬：

光敏傳感器——視覺

聲敏傳感器——聽覺

氣敏傳感器——嗅覺

化學傳感器——味覺

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺

①物理類：基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應;

②化學類：基于化學反應的原理。

③生物類：基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

（二）常見的元件

1. 光敏電阻

光敏電阻又稱為光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速見效的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下做漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。

2. 熱敏電阻和金屬熱電阻

除了光照以外，溫度也能明顯的影響金屬導體和半導體材料的導電性能。

金屬的電阻率隨溫度升高而增大。用金屬絲可以制作溫度傳感器，稱為熱電阻。常用的一種熱電阻是用鉑制作的。與金屬不同，有些半導體在溫度上升時導電能力增強，因此可以用半導體材料制作熱敏電阻。有一種熱敏電阻是用氧化錳等金屬氧化物燒結而成，它的電阻隨溫度的變化非常明顯。與熱敏電阻相比，金屬熱電阻的化學穩定性好，測溫范圍大，但靈敏度較差。

二、 傳感器的應用

傳感器輸出的電信號相當于微弱，難以帶動執行機構去控制動作，因此要把這個電信號放大。如果需要遠距離傳送，可能還要把它轉換成其他信號來抵御外界干擾。

從傳感器獲得信號后，可以用指針式電表或液晶板等顯示測量的數據;也可以用來驅動繼電器或其他元件，來執行諸如打開管道的閥門，開通或關閉電動機等動作;還可以由計算機對獲得的數據進行處理，發出更復雜的指令。

（一）常見傳感器的應用

1. 力傳感器的應用——電子秤

我們經常見到的電子秤，小的用來稱量食物的重量，大的可以稱量汽車、火車的重量。它所使用的測力裝置是力傳感器。常用的一種力傳感器是由金屬梁和應變片組成。應變片是一種敏感元件，現在多用半導體材料制成。

2. 溫度傳感器的應用——電熨斗

電熨斗在達到設定溫度后就不再升溫，當溫度降低時又會繼續加熱，使它總與設定溫度相差不多。在熨燙不同的織物時，設定溫度可以不同。進行這樣的控制，靠的是溫度傳感器。

3. 光傳感器的應用——火災報警器

許多會議室和賓館房間的天花板上都裝有火災報警器。

有一種火災報警器是利用煙霧對光的散射來工作的。帶孔的罩子內裝有發光二極管LED、光電二極管和不透明的擋板。平時，光電三極管收不到LED發出的光，呈高電阻狀態。煙霧進入罩內后對光有散射作用，使部分光線照射到光電三級板上，其電阻變小。與傳感器連接的電路檢測出這種變化，就會發出警報。

（二）各種傳感器及其原理

1. 電阻式傳感器

電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

2. 電阻應變式傳感器

傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高、橫向效應小等優點。

3. 熱電阻傳感器

熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制作，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。

4. 智能傳感器

智能傳感器的功能是通過模擬人的感官和大腦的協調動作，結合長期以來測試技術的研究和實際經驗而提出來的。是一個相對獨立的智能單元，它的出現對原理硬件性能苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高。

作者簡介：

胡雪梅，馮中元，靳蟬瑜，重慶市，重慶交通大學。