工程机械传感器

测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。

　　测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数检测等必不可少的手段，它起着类似人的感觉器官的作用。通过测试可以揭示事物的内在联系和发展规律，从而去利用它和改造它，推动科学技术的发展。科学技术的发展历史表明，科学上很多新的发现和突破都是以测试为基础的。同时，其它领域科学技术的发展和进步又为测试提供了新的方法和装备，促进了测试技术的发展。

在工程技术领域中，工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能实验等，都离不开测试技术。在工程技术中广泛应用的自动控制技术也和测试技术有着密切的关系，测试装置是自动控制系统中的感觉器官和信息来源，对确保自动化系统的正常运行起着重要作用。

　　测试技术几乎涉及任何一项工程领域，无论是生物、海洋、气象、地质、通信以及机械、电子等工程，都离不开测试与信息处理。在日常生活中，随处可见测试技术应用的例子。例如，空调、电冰箱中的温度测量和压缩机起/停控制装置，洗衣机中的液位测量和洗衣电机起/停控制装置等。
　
　　简单的测试系统可以只有一个模块，如下图所示的玻璃管温度计。它直接将被测对象温度的变化转化为温度计液面示值，这中间没有电量的转换和分析处理电路，很简单，但测量精度底，同时也很难实现测量自动化。

3.1.1 传感器的作用

用机械代替体力劳动是第一次产业革命，在那次革命中，火车、汽车取代了人力车，各种动力机械取代了繁重的体力劳动。而用机械和电子装置来代替部分脑力劳动，可以说是第二次或第三次产业革命，这也是当前科学技术发展的重要课题之一。在这一课题中，传感器的研究是一个不可忽视的内容。

　　　人通过感官来接收外界的信号，并将所接收的信号送人大脑，进行分析处理后获取有用的信息。对现有的或者正在发展中的机械电子装置来说，电子计算机(即常称电脑)相当于人的大脑，而相应于人的感官部分的装置就是传感器。所以说，传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。在自动控制领域中，自动化程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的正常发挥起着决定性的作用。
　　　传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。

3.1.2 传感器的组成

传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。　　

一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。
　   随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。

3.1.3 传感器的分类

传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。

　 
　　传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法。

(1)按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。

　
(2)按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式等。
　
(3)按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。　
　　所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。
　　所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。
　
(4)按传感器与被测量之间的关系来分类，可分为能量转换型和能量控制型。能量转换型传感器 (或称无源传感器)，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。
　
(5)另外，按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种，前者的输出量为连续变化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用，数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。

3.1.4 传感器的发展动向

当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。

(1)用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的能识别气体的“电子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。 

　
(2)传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程度要求也就越高。因此，当今在传感器制造上很重视发展微机械加工技术。微机械加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术，各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械分断技术。 
　
(3)发展智能型传感器。智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器的发展方向。

　　实践证明，传感器技术与计算机技术在现代科学技术的发展中有着密切的关系。目前，计算机在很多方面已具有大脑的思维功能，甚至在有些方面的功能己超过了大脑。与此相比，传感器就显得比较落后。也就是说，现代科学技术在某些方面因电子计算机技术与传感器技术未能取得协调发展而面临着许多问题。正因为如此，世界上许多国家都在努力研究各种新型传感器，改进传统的传感器。开发和利用各种新型传感器已成为当前发展科学技术的重要课题。

　
　　基于上述开发新型传感器的紧迫性，目前国际上凡出现一种新材料、新元件或新工艺，就会很快地应用于传感器，并研制出一种新的传感器。例如，半导体材料与工艺的发展，出现了一批能测很多参数的半导体传感器；大规模集成电路的设计成功，发展了有测量、运算、补偿功能的智能传感器；生物技术的发展，出现了利用生物功能的生物传感器。这说明各个学科技术的发展，促进了传感器技术的不断发展；而各种新型传感器的问世，又不断为各个部门的科学技术服务，促使现代科学技术进步。它们是相互依存、相互促进的。 

在我国近20年来，传感器虽然有了较快的发展，有不少传感器走上市场，但大多数只能用于测量常用的参数、常用的量程、中等的精度，远远满足不了四个现代化建设的要求。而与国际水平相比，我国的传感器不论在品种、数量、质量等方面，都有较大的差距。为此，努力开发各种新型传感器，以满足我国四化建设的需要，是摆在我国科技工作者面前的紧迫任务。

3.2.1 变阻器式传感器

(1) 变阻器式传感器工作原理 

阻器式传感器也称电位器式传感器，其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。根据式

式中——电位器的电阻灵敏度。
　　相应电刷位移x的电压输出U0为

式中——电位器的电压灵敏度。

　　当电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度l而变化。常用电位器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如下图所示。

(2) 变阻式传感器的优缺点

变阻式传感器的优点是：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。它的缺点是：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。

(3) 变阻式传感器的应用

变阻式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。

3.2.2 电阻应变式传感器

(1) 应变式传感器的工作原理

电阻应变式传感器简称电阻应变计，它是用高电阻率的细金属丝，绕成如下图所示的栅状敏感元件1，用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间，敏感元件两端焊上较粗的引线3。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，则敏感元件将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与构件的变形保持一定的线性关系，进而通过相应的二次仪表系统即可测得构件的变形。通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等机械参数。

金属电阻应变片的工作原理，是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。

式中R——金属丝的电阻值，Ω；

　　ρ——金属丝的电阻率，mm2/m；
　　L——金属丝的长度，m；
　　S——金属丝的截面积，mm2。
　　

　 　如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。将式(3.2-1)微分，整理可得

K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。由式(3.2-9)可以看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数。

通常金属电阻丝的K0=1.7～3.6。

(2) 应变计的主要参数  

1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。
2）电阻值：应变计的原始电阻值。
3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。
4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

(3) 金属电阻应变片

　　金属电阻应变片分为丝式、箔式两种。金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。

金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见下图。

(4) 电阻应变式传感器应用 

　
　　电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面。

1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。

2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。应变片的典型应用见下图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。

3.2.3 固态压阻式传感器

(1) 工作原理

　　半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用式(3.2-8)来表达。对于金属材料来说，比较小，但对于半导体材料，，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由引起的，即

例如半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011Pa，则K0=πLE＝50～100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。

　　最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。

　(2) 压阻式传感器的特点

　　压阻式传感器优点是：①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；②分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；③测量元件

的有效面积可做得很小，故频率响应高；④可测量低频加速度和直线加速度。其最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。
　(3) 固态压阻式传感器的应用

　　固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。
　　利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图所示。悬臂梁3由于加速度而产生位移，该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化，检测出电阻变化即可检测出加速度大小。在100Hz左右的带宽中，可检测（0.001～50）g（9.8m/s2)的加速度。 

下图是一个采用单晶硅做成的悬臂梁式弹性元件，采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。

3.3 电感式传感器

3.3.1 可变磁阻式电感传感器

可变磁阻式传感器的结构原理如图所示，它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大小与电流成正比，即

上式表明，自感L与空气隙δ成反比，而与空气隙导磁截面积S0成正比。当固定S0不变，变化δ时，L 与δ呈非线性（双曲线）关系，如上图所示。此时，传感器的灵敏度为 

如将δ固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系如下图所示

几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。

3.3.2 涡流式电感传感器

(1) 涡流式传感器原理

涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。

涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。

(2) 高频反射式涡流传感器

如上图所示，高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

(3) 低频透射式涡流传感器

低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。

4) 涡流式传感器的应用

3.3.3 差动变压器式电感传感器

互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输

入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。

差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如下图所示。传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，e1>e2，ey>0；当活动衔铁向下移时，e1<e2，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如下图所示。

差动变压器式传感器具有精度高（达0.lμm量级），线圈变化范围大(可扩大到±l00mm，视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量。

3.4 电容式传感器

电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。实际上,它本身（或和被测物）就是一个可变电容器。

3.4.1 电容式传感器变换原理

以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

式中ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；

。。S——极板的遮盖面积，m2；

。。ε——极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；

。。δ——两平行极板间的距离，m。

。。上式表明，当被测量δ、S或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。

3.4.2 极距变化型电容传感器

3.4.3 面积变化型电容传感器

改变极板间覆盖面积的电容式传感器，常用的有角位移型和线位移型两种。

3.4.4 介质变化型电容传感器

变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。

3.4.5电容传感器测量电路

将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路，它们的种类很多，目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路等。

3.5 压电式传感器

压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。

3.5.1 压电效应

某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到

原来的状态，这种现象称为压电效应。相反，如果将这些物质 (物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 (物体）产生机械变形的现象，称为逆压电效应或电致伸缩效应。具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。

。。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。下图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。

如果从石英晶体中切下一个平行六面体(如下图所示）并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有几种不同的效应。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力(一般利用压力)产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。

最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。

3.6 磁电式传感器

3.6.1 磁电式传感器变换原理

磁感应电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为10～1000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。

根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小决定于穿过线圈的磁通量Φ的变化率，即

磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

。。按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式，即动圈式传感器和磁阻式传感器。

3.6.2 动圈式传感器

下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度ω表示，则所产生的感应电动势e为

式中l——每匝线圈的平均长度；
。。B——线圈所在磁场的磁感应强度；
。。S——每匝线圈的平均截面积 。

。。在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或ω)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。

3.6.3 磁阻式传感器

磁阻式传感器又称为变磁通式传感器或变气隙式传感器，常用来测量旋转物体的角速度。其结构原理如下图所示。图a为开路变磁通式传感器，线圈和磁铁静止不动，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。图b为闭合磁路变磁通式传感器结构示意图，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。

变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。

3.7 半导体元件传感器

3.7.1 磁电转换元件传感器

霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。

(1) 霍尔效应 

　　金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，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。

假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如上图所示，在薄片左右两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子(电子)将沿着于电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发

生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。霍尔电势可用下式表示

式中RH——霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；

。。kH——灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小；

。。d —薄片厚度。

。 
。。如果磁场和薄片法线有α角，那么

(2) 霍尔元件

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。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，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。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。

下图是一种霍尔效应位移传感器工作原理。将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。

3.7.2 光电转换元件传感器

(1) 光电效应及分类

　　光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。
　 (2) 外光电效应

　　在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。根据爱因斯坦的假设,一个光子的能量只给一个电子,因此,如果要使一个电子从物质表面逸出,光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0,这时逸出表面的电子就具有动能Ek 

式中m——电子质量；
。。v0——电子逸出时的初速度；

。。h——普朗克常数,h=0.626×10-34(J·s)；

。。γ——光的频率。

。 

。。由上式可见，光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。由于不同材料具有不同的逸出功,因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”，其波长为:，其中，c为光在空气中的速度，λk为波长，λk=c/γ。该波长称为临界波长。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件,有光电管、光电倍增管等。

下图为光电倍增管工作原理图。K为光电阴极,A为光电阳极,在二者之间又加入D1、D2、D3，…等若干个光电倍增极(又称二次发射极),这些倍增极涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏物质。在工作时,这些电极的电位是逐级增高的,当光线照射到光电阴极后,它产生的光电子受第一级倍增极D1正电位作用,加速并打在这个倍增极上,产生二次发射；由第一倍增极D1产生的二次发射电子,在更高电位的D2极作用下,又将加速入射到电极D2上,在D2极上又将产生二次发射…这样逐级前进,一直到达阳极A为止。由上述的工作过程可见,光电流是逐级递增的,因此光电倍增管具有很高的灵敏度。
。　

(3) 内光电效应

受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。　

1)光电导效应

光电导效应是指半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。
。。

。。①光敏电阻(光导管)：光敏电阻是一种电阻元件,具有灵敏度高,体积小,重量轻,光谱响应范围宽,机械强度高,耐冲击和振动,寿命长等优点。下图为光敏电阻的工作原理图。在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时,光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度的光子激发,由价带越过禁带而跃迁到导带,使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。光敏电阻常用的半导体材料有硫化镉(CdS，ΔEg=2.4eV和硒化镉(CdSe，ΔEg=1.8eV)。

。。②光敏二极管和光敏三极管：光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的,其差别只是光照在半导体结上而已。

2)光生伏特效应

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的,属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光电池常用的材料,也可以使用锗。

(4)光电传感器的应用

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。
。。 
。。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。下图表明了四种形式的工作方式。

下面举一实例，说明光敏器件的具体应用。直射式光电转速传感器的结构见下图。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即n=f/N

3.7.3 热敏电阻传感器

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。一般称为半导体热敏电阻，或简称热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。根据半导体理论，在一定的温度范围内，热敏电阻在温度T时的电阻为

式中R0——为温度T0时的电阻值，一般T0取为25℃；
。。R为温度T时的电阻；
。。β为材料的特性系数，一般温度范围在2000～4500K内，取β≈3400K。
。。。由式可知，测出热敏电阻的阻值后，就可以确定被测物体的温度。半导体热敏电阻与金属热电阻比较，有如下优点。
。。 (1)电阻温度系数大，灵敏度高，可测量微小的温度变化值。例如，可以测出0.001～0.005℃的温度变化。
。。(2)体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时间可短到毫秒级。
。。 (3)元件本身的电阻值可达3～700kΩ，当远距离测量时，导线电阻的影响可不考虑。
。。 (4)在-50～350℃的温度范围内，具有较好的稳定性。

。。典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。下图中曲线上所标的是其室温下的电阻值。

3.7.4  气敏电阻传感器

(1) 气敏传感器及其分类 

气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。在现代社会的生产和生活中，会接触到各种各样的气体，需要进行检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制、煤矿瓦斯浓度的检测与报警、环境污染情况的监测、煤气泄漏、火灾报警、燃烧情况的检测与控制等。

气敏传感器的种类较多，主要包括敏感气体种类的气敏传感器、敏感气体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。前者主要有半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光学成分传感器。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点，应用很广，因此。本节将着重介绍半导体气敏传感器。

(2) 半导体气敏传感器工作原理 

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。半导体气敏传感器大体上可分为两类：电阻式和非电阻式。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、苯以及天然气、沼气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种

特性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。下图所示为典型气敏元件的阻值-浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。

(3) 应用

气敏传感器广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对O2、CO等气体的测量。生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。。。

3.8 其它类型传感器

3.8.1 热辐射检测传感器

(1) 热辐射原理

人眼能感觉到的光(可见光)是波长为0.38～0.75μm的电磁波。可见光是由光照度来定义的，即人眼受光刺激的程度，但紫外线、红外线等作为电磁波来处理时是以物理上的能量的大小来表示的。只是由于可见光人眼能直接感受，所以很早以前就作为一门学科进行研究，其实同为电磁波的可见光并没有特别之处。绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅考虑黑体(black body)也称全辐射体(full radiator)的辐射能和波长的关系，即辐射辉度L(λ，T)。根据普朗克辐射定律有以下表达式

用辐射温度计测量温度时，是先测出分光辐射辉度的大小再换算成温度。此时选择什么样的波长成为关键。光探测器对不同的波长有不同的灵敏度，因此探测器的选择也很重要。

测量高温物体的温度时，因分光辐射辉度大，用短波长探测器就够了，故常用硅光电二极管（silicon photodiode)。硅光探测器(silicon cell)输出电流和光强度之间的线性非常好，而且长期稳定性好，其特性几乎不受周围温度改变的影响。随着所测温度的降低，需使用敏感长波长的探测器，如Ge，InAs，Pbs，InSb，HgCdTe等半导体检测器、热电元件、热敏电阻和辐射热测量计等热电型

探测器，具有代表性的探测器对波长的依赖关系如下图所示。半导体检测器的灵敏度对波长的依赖关系强，而热电型探测器对波长的依赖性较弱。

3.8.2 超声波检测传感器

(1) 声学基础知识 

1)声波及其分类

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。

(1)次声波：振动频率低于l6Hz的机械波。
(2)声波：振动频率在16～2×104Hz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。
(3)超声波：高于2×1O4Hz的机械波。
(4)微波：频率在3×1O8～3×1O11Hz之间的机械波。

(2) 超声波及其物理性质

1）超声波的波型

。。由于声波在介质中施力方向与声波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同，通常有以下几种。。。 
。。(l)纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波，纵波能在固体、液体和气体中传播。
。。(2)横波：质点振动方向与波的传播方向相垂直的波称为横波，横波只能在固体中传播。
。。(3)表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形，其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。
 2）超声波的物理性质

。。超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在钢材中甚至可穿透10m米以上。。。 
。。超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在

反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。。。 
。。超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其它声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。。。 
。。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射 (或漫射)及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。

 (3) 超声波传感器及应用

。。以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。

1）压电式超声波传感器

压电式超声波传感器的结构如下图所示，主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体，由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在

压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。

2）磁滞式超声波传感器

磁滞式超声波传感器的结构如下图所示，主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是：把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是：当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。

3)超声波传感器的应用

利用超声波反射、折射、衰减等物理性质，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离以及探伤等参数的测量。所以，超声波传感器已广泛地应用于工业、农业、轻工业以及医疗等各技术领域。
　　下图所示为用超声波传感器(或称超声波探头)测厚的工作原理，主控制器控制发射电路，按一定频率发射出脉冲信号，此信号经过放大后，一方面加于示波器上，另一方面激励探头，发出超声波，至试件底面反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入示波器，在示波器荧光屏上可以直接观察到发射脉冲和接收脉冲信号，根据横轴上的标记信号，可以测出从发射到接收的时间间隔t,如果已知超声波在试件中的传播速度c，那么试件厚度h很容易求得,即h=ct/2。

3.8.3 声发射检测传感器

材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。声发射也称应力波发射。除极少数材料外，金属和非金属材料在特定条件下都有声发射产生。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。

3.8.4 光纤传感器

(1) 光纤传感器简介

光纤自20世纪60年代问世以来，就在传递图像和检测技术等方面得到了应用。利用光导纤维作为传感器的研究始于20世纪70年代中期。由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。

光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。 
。。信号的转换环节，将被测参数转换成为便于传输的光信号。
。。信号的传输环节，利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。
。。信号的接收与处理环节，将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。

。。光纤传感器分为物性型(或称功能型)与结构型 (或称非功能型)两类。
 

(2) 物性型光纤传感器及其应用

物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应，即光纤在外界环境因素(如温度、压力、电场、磁场等)改变时，其传光特性 (如相位与光强)会发生变化的现象。因此，如果能测出通过光纤的光相位、光强变化，就可以知道被测物理量的变化。这类传感器又被称为敏感元件型或功能型光纤传感器，下图所示为施加均衡压力和施加点压力的两种光纤压力传感器形式。图a所示为光纤在均衡压力作用下，由于光弹性效应而引起光纤折射率、形状和尺寸的变化，从而导致光纤传播光的相位变化和偏振面旋转；图b所示为光纤在点压力作用下，引起光纤局部变形，使光纤由于折射率不连续变化导致传播光散乱而增加损耗，从而引起光振幅变化。

下图为光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、光电二极管及测量电路所组成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光的相位发生变化，光纤的发射光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比，这就是光纤传感器测流速的工作原理。

光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特别适应:

在高压、电磁感应噪音条件下的测试；

在危险和环境恶劣条件下的测试；

在机器设备内部的狭小间隙中的测试；

在远距离的传输中的测试。