仪电知识|《探索传感器的奥秘：工作原理与种类详解》

概述

传感器（英文名称：transducer/sensor）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、记录和控制等要求的检测装置。

一、传感器概述

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并按规律将其转换成电信号或其他所需形式的信息输出。它具有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化等特点，是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器就如同人类感官的延伸，能够敏锐地捕捉外界的各种变化。随着科技的不断进步，传感器的发展也日益蓬勃，在各个领域都发挥着至关重要的作用。

（一）传感器的定义

传感器是一种能够感知和探测外界信号、物理条件或化学组成的物理设备或生物器官。它们通过敏感元件和转换元件的组合，能够感受到被测量的属性或环境变化，并按照一定的规律将感知到的信息转换成可用的信号输出，通常是电信号或其他形式的信号。

（二）传感器的主要特点

微型化：随着微电子机械系统（MEMS）技术的进步，传感器的体积和尺寸得到显著减小，可以制造成微型或纳米级别的器件。这使得微驱动器、微传感器以及微电路等装置得以集成于微型尺寸的器件中，推动了纳米技术在各个领域的应用与发展。

数字化：现代传感器的输出信号采用数字形式表示，这种数字化的形式使得数据处理、传输和存储更加便捷，同时也提高了数据的准确性和可靠性。例如科学家构建的 “电子舌” 装置，将呈味物质在人舌中的味觉感受转化为具体的数字化结果，实现味觉评价的自动化和客观化。

智能化：现代传感器不仅具备智能能力，能够进行数据处理、决策和反馈，还具有学习和适应环境的能力，显著提升了传感器的智能化水平。

多功能化：传感器具备多种不同的测量或检测功能，能够适应不同的应用需求，极大增强了传感器的灵活性和多样性。但目前大多数传感器在宽检测范围和高灵敏度之间很难取得平衡，同时也面临实现多功能化（如散热、加热等）的挑战。

系统化：传感器具备与其他设备、系统或平台连接和集成的能力，形成完整的感知与控制系统，实现更高级的功能和应用。数据收集系统在其中扮演重要角色，作为数据收集站，通常借助微机设备进行系统化控制。

网络化：传感器具备通过网络进行通信和数据传输的能力，尤其是无线传感器，通过节点之间形成网络化布局，借助节点内的多种传感器对环境进行综合分析。这使得传感器能够实现远程监测、控制和协同操作，提高了传感器的远程和分布式应用能力。

（三）传感器的基本构成

从结构上来讲，电子传感器由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源等 4 个部分组成。

敏感元件：这是传感器的核心部件，它直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号。

转换元件：在传感器中将敏感元件获得的物理量或信号转换成电信号或数字信号，便于传输和处理。智能化传感器的实现离不开各式各样的特定传感器及其相应的转换元件的配合和运作。

变换电路：负责对转换元件输出的电信号进行放大和调制，以确保信号能够被准确地测量和处理。对于电压型输出信号的传感器，通常无需变换电路，但抗干扰能力相对较差。而对于电压内阻传感器，其工作原理是通过变换电路将测量器件内部电阻和电压的变化转化成电信号输出。

辅助电源：为传感器提供所需的电能，确保传感器正常工作。

二、传感器工作原理

1. 通用工作原理

当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的 mV 级应变信号通过仪表放大器放大成 1.5v±1v 的强信号，再通过 V/F 转换器变换成频率信号，通过信号环形变压器从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。

2. 具体类型传感器工作原理

温度传感器：基于热敏元件，当温度变化时，热敏元件电阻值相应变化，通过测量电阻值变化推算温度。常见的温度传感器有热敏电阻传感器、电热偶传感器、红外温度传感器等。热敏电阻传感器的电阻值会随着温度的变化而改变，通常在有限的温度范围内可实现较高的精度；电热偶传感器利用两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势 —— 热电动势；红外温度传感器是利用物体内部热运动向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于 0.75～100μm 的红外线的原理制作而成的。

湿度传感器：采用电容式原理，由两个电极和吸湿材料组成，当空气中水分含量变化时，吸湿材料湿度改变，进而电容值变化，通过测量电容值计算湿度。湿度传感器主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上复盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

压力传感器：一般采用压力敏感元件，如薄膜传感器或应变片等，受力时形状或尺寸发生微小变化，通过测量变化获得压力信息。压力传感器的种类有很多，如压阻式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电式压力传感器等。压阻式压力传感器电阻应变片是主要组成部分之一，金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应；陶瓷压力传感器基于压阻效应，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号；扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应，被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，利用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号；蓝宝石压力传感器利用应变电阻式工作原理，采用硅 - 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性；压电式压力传感器的工作原理是压电效应，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

光照传感器：基于光敏二极管或光电二极管的光电效应，光照射到光敏元件上时，其电阻或电流会有相应变化，通过测量这种变化获得光照强度信息。光照传感器常见的光敏元件包括光敏电阻、光敏二极管和光敏电池等。以光敏电阻为例，当环境光照射到其表面时，半导体材料内的电子受到激发，导致电阻值随光照强度的变化而变化：光照增强，电阻值降低；光照减弱，电阻值增加。信号处理电路则负责接收来自光敏元件的电信号，并对其进行放大、滤波和校准，最终输出与光照强度相对应的电压或电流值。

加速度传感器：采用微机械系统（MEMS）技术，利用微小机械结构基于质量加速度原理工作，发生加速度或震动时，传感器中的微小质量发生位移，通过测量位移或反馈信号计算加速度。

磁力传感器：基于霍尔效应或磁阻效应工作，霍尔传感器通过测量磁场对霍尔元件引起的霍尔电压变化获得磁场强度信息，磁阻传感器通过测量磁场对磁敏电阻引起的电阻变化获得磁场强度信息。

三、传感器种类

1. 按输入量分类

物理传感器：物理传感器将物理量转换成电信号，涵盖声学、光学、磁学等多个领域。例如手机中的麦克风就是一种声学传感器，它将声音这种物理量转化为电信号，从而实现声音的放大和传输。光学传感器在生活中的应用也十分广泛，如相机中的图像传感器，能够捕捉光线并将其转化为数字图像信号。磁学传感器则常用于电子设备中，如硬盘中的磁头，通过检测磁场变化来读取和写入数据。

化学传感器：化学传感器将化学量转换成电信号，常见的有气敏、湿度、PH 值传感器等。气敏传感器可以检测空气中的特定气体浓度，如一氧化碳、甲烷等，在家庭安全和工业生产中起到重要的监测作用。湿度传感器则广泛应用于气象观测、环境监测和智能家居等领域，通过测量空气中的水分含量来调节室内湿度。PH 值传感器主要用于水质检测和化学实验中，能够准确测量溶液的酸碱度。

生物传感器：生物传感器利用生物分子或组织检测和测量生物量或化学量，如酶、免疫、DNA 传感器等。酶传感器在生物医学领域中有着重要的应用，例如用于检测血糖水平的血糖仪，就是利用酶传感器对血液中的葡萄糖进行定量分析。免疫传感器则可以检测特定的生物标志物，如肿瘤标志物、病毒抗体等，为疾病的早期诊断提供重要依据。DNA 传感器则可以快速检测特定的基因序列，在基因诊断和遗传疾病研究中发挥着重要作用。

2. 按工作原理分类

电阻式传感器：电阻式传感器利用电阻值变化检测物理量或化学量，常见的有热敏、光敏、湿敏电阻等。热敏电阻传感器的电阻值会随着温度的变化而改变，在温度测量中应用广泛。光敏电阻传感器则对光线敏感，其电阻值随光照强度的变化而变化，常用于自动照明控制等领域。湿敏电阻传感器通过检测空气中的湿度变化来改变自身电阻值，可用于环境监测和湿度控制。

电容式传感器：电容式传感器利用电容原理检测物理量或化学量，如差分电容式压力传感器等。这种传感器的敏感元件通常由两块金属板组成，当被测量的变化引起两块金属板之间的距离或相对面积变化时，传感器的电容值也会发生变化。例如，在压力测量中，当压力作用于电容式压力传感器的金属板时，金属板之间的距离发生变化，从而导致电容值改变，通过测量电容值的变化可以推算出压力大小。

电感式传感器：电感式传感器利用电磁感应原理检测物理量或化学量，如涡流式位移传感器等。这种传感器的敏感元件通常由线圈和铁芯组成，当被测量的变化引起线圈中磁通量变化时，传感器的电感值也会发生变化。涡流式位移传感器可以非接触地测量金属物体的位移，广泛应用于机械制造和自动化控制领域。  

压电式传感器：压电式传感器利用压电效应检测物理量或化学量，如石英晶体压力传感器等。当被测量的变化引起敏感元件的变形时，压电材料内部会产生电荷或电压。石英晶体压力传感器具有高精度和高稳定性，常用于工业自动化和精密测量领域。

光电式传感器：光电式传感器利用光电效应检测物理量或化学量，如光敏电阻等。当光照射到光敏元件上时，其电阻或电流会有相应变化。光敏电阻在光照强度测量、光控开关等方面有着广泛的应用。

3. 按输出信号分类

模拟输出传感器：模拟输出传感器输出连续变化的模拟信号，如模拟电压或电流信号。这种传感器通常具有较高的测量精度和线性度，适用于连续监测和控制系统。例如，在工业自动化中，模拟温度传感器可以实时监测生产过程中的温度变化，并将温度信号以模拟电压的形式输出给控制系统，以便对生产过程进行精确控制。

数字输出传感器：数字输出传感器输出数字信号，如脉冲信号或串行数据信号。这种传感器通常具有较高的分辨率和可靠性，适用于需要高精度测量的场合。例如，数字式温度传感器可以将温度测量结果以数字信号的形式输出，便于计算机进行处理和存储。数字输出传感器在智能家居、智能仪表等领域得到了广泛的应用。

四、不同种类传感器的特点

1. 电阻式传感器

电阻式传感器将物理量转换为电阻值，主要有电阻应变式、压阻式、热电阻等类型。电阻式传感器分类多样，按其工作原理可分为电阻应变式传感器、电位计式传感器、热电阻式传感器、半导体热能电阻传感器等。其结构由电阻元件及电刷两个基本部分组成，电刷相对于电阻元件的运动形式多样，可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。普通电阻传感器朝向高精度、使用方便快捷、省力方向发展，适用于制作各种传感器，主要用于测力、压力、加速度、位移、扭矩等。随着优良的酚醛胶、环氧一酚醛胶以及聚酞亚胺胶等材料的相继问世，性能更完善的电阻传感器前景广阔。

2. 称重传感器

称重传感器能够将重力转变为电信号，是电子衡器的关键部件，电阻应变式称重传感器应用广泛。称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置，结构较简单，准确度高，适用面广，且能够在相对较差的环境下使用，在衡器中得到了广泛运用。其测量方式采用电阻应变式惠斯通原理，应变片固定在传感器弹性体上，传感器受力后导致弹性体产生形变，贴在传感器上的弹形体应变片随之产生形变，电阻值发生变化，对于每只称重传感器，至少 4 个应变片被连接在一起组成一个惠斯通电桥，当传感器受力导致应变片电阻发生变化时，电桥不平衡，在激励电压不变的情况下，输出信号的大小与传感器受力成正比。

3. 压阻式传感器

根据半导体材料的压阻效应制成，以硅片为敏感材料的硅压阻传感器应用普遍。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经扩散电阻而制成的器件，其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

4. 激光传感器

优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强。激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成，是新型测量仪表。工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号，利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量，常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。

5. 霍尔传感器

根据霍尔效应制作，广泛应用于工业自动化、检测技术及信息处理等方面。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，输出模拟量；开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，输出数字量。霍尔传感器以其独特的性能和广泛的应用领域，为工业、汽车、消费电子乃至医疗等多个行业注入了强大的动力。

6. 生物传感器

是交叉学科产物，用生物活性材料与物理化学换能器结合，是生物技术的先进检测方法。生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

7. 温度传感器

感受温度并转换成可用输出信号，按测量方式分为接触式和非接触式，按材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，一般测量精度较高；非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，可用于测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

五、传感器的发展前景

传感器技术不断发展，其应用范围日益广泛，在智能化、医疗、农业等领域前景广阔，推动着科技和工程的进步，同时也促进了无人驾驶、人工智能和机器人技术的创新。

在智能化领域，随着传感器技术的微型化、智能化、多功能化、数字化、网络化等趋势的不断发展，传感器在智能家居、智能城市等方面的应用将更加广泛。例如，通过各种传感器可以实现家庭环境的自动监测和控制，提高生活的舒适度和便利性。在智能城市建设中，传感器可以用于交通流量监测、环境监测、能源管理等方面，提高城市的运行效率和可持续性。

在医疗领域，传感器的发展前景同样十分广阔。随着人们对健康的关注度不断提高，医疗传感器的需求也在不断增加。例如，可穿戴式医疗传感器可以实时监测人体的生理参数，如心率、血压、血糖等，为医生提供更加准确的诊断依据。同时，医疗传感器在疾病检测、治疗效果监测等方面也发挥着重要作用。未来，随着生物兼容性传感器的发展，传感器将更加安全、可靠地应用于人体，为医疗诊断和治疗提供更强大的支持。

在农业领域，传感器技术的应用也越来越受到关注。通过土壤传感器、气象传感器、作物传感器等，可以实时监测土壤水分、养分含量、气象条件、作物生长情况等，为农民提供科学的种植决策依据，提高农业生产的效率和质量。例如，一体式超声波传感器可以用于土壤水分监测、作物生长监测和病虫害预警等方面，实现农业智能化管理。此外，随着智慧农业的发展，传感器技术将与物联网、大数据、人工智能等技术相结合，为农业生产提供更加精准、高效的解决方案。

在无人驾驶、人工智能和机器人技术领域，传感器更是不可或缺的关键部件。例如，在自动驾驶汽车中，激光传感器、毫米波雷达、摄像头等传感器可以实时感知车辆周围的环境，为自动驾驶系统提供准确的环境信息，确保车辆的安全行驶。在人工智能领域，传感器为人工智能系统提供了感知外界环境、收集数据的能力，推动了人工智能技术的进步。在机器人技术中，传感器可以使机器人更加准确地感知周围环境，实现更加智能的操作和决策。