傳感器技術是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、機械、仿生學和材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性和新技術密集型前沿技術，是現代新技術革命和信息社會的重要基礎，是自動檢測和自動控制技術*的重要組成部分。目前，傳感器技術已成為我國國民*的支柱產業的一部分。傳感器在工業部門的應用普及率己被社會作為衡量一個智能化、數字化、網絡化的重要標志。

      傳感器技術是新技術革命和信息社會的重要技術基礎，是現代科技的開路先鋒，也是當代科學技術發展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業的三大支柱。如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸，當集成電路、計算機技術飛速發展時，人們才逐步認識信息攝取裝置&mash;&mash;傳感器沒有跟上信息技術的發展而驚呼&lquo;大腦發達、五官不靈&rquo;。從八十年代起，逐步在范圍內掀起了一股&lquo;傳感器熱&rquo;。 美國早在80年代就聲稱已進入傳感器時代，則把傳感器技術列為技術之創立。工商界人士聲稱&lquo;支配了傳感器技術就能夠支配新時代&rquo;。技術發達對開發傳感器技術部十分重視。美、日、英、法、德和獨聯體等國都把傳感器技術列為重點開發關鍵技術。美國長期和繁榮至關重要的22項技術中有６項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美國武器系統勢至關重要的關鍵技術，其中８項為無源傳感器。美國*2000年舉出15項有助于提21世紀*能力關鍵技術，傳感器技術名列。對開發和利用傳感器技術相當重視并列為重點發展６大核心技術。科學技術廳制定的90年代重點科研項目中有70個重點課題，其中有18項是與傳感器技術密切相關。美國早在80年代初就成立了技術小組（BTG），幫助組織和*各大公司與企事業部門的傳感器技術開發工作。 

      美國*將傳感器技術視為今年20項關鍵技術，把傳感器技術與計算機、通信、激光半導體、超導并列為６大核心枝術，德國視軍yong傳感器為先發展技術，英、法等國對傳感器的開發投資逐年升級，原蘇聯軍事航天計劃中的第五條列有傳感器技術。

      正是由于各國普遍重視和投入開發，傳感器發展十分迅速，在近十幾年來其產量及需求年增長率均在10％以上。目前上從事傳感器研制單位已增到5000余家。美國、歐洲、俄羅斯各自從事傳感器研究和廠家1000余家，有800余家。

1.電阻傳感器

      ① 電阻式傳感器介紹
      電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉化成電阻值的變化，再經過轉換電路變成電量輸出。根據傳感器組成材料變化或傳感器原理變化，產生了各種各樣的電阻式傳感器，主要包括應變式傳感器及壓阻式傳感器。

      電阻傳感器可以測量力、壓力、位移、應變、加速度和溫度等非電量參數。電阻式傳感器結構簡單，，靈敏度較，有的還可用于動態測量。

     ② 常見應變片材料

      ③ 應用注意事項 
      (1) 應變極限 隨應變加大，應變器件輸出的非線性加大，一般將誤差達到10%時對應的應變，作為應變器件的應變極限。 
      (2) 機械滯后 敏感柵、底基及膠粘層承受機械應變后，一般都會存在殘余變形，造成應變器件的機械滯后。 
      (3) 零漂和蠕變 在恒定溫度，無機械應變時，應變器件阻值隨時間變化的特性，稱為零漂；在恒定溫度、恒定應變時，應變器件阻值隨時間變化的特性，稱為蠕變。 
      (4) 零漂和蠕變的原因 應變器件制造過程中產生的內應力；在一定溫度和載荷條件下電阻絲材料、膠粘劑和底基內部結構的變化。 
      (5) 絕緣電阻 粘在試件上的應變器件的引出線與試件之間的電阻通常絕緣電阻為50-100M，在長時間測量時要求大于100M，甚至達到10G。 
      (6) zui大工作電流 應變器件正常工作允許通過的zui大電流。通常靜態測量時為 25 mA，動態測量時為 75-100mA。工作電流過大會導致應變器件過熱、靈敏度變化、零漂和蠕變增加，甚至燒毀。 
      (7) 溫度影響 由溫度變化導致的應變器件電阻變化與由應變引起的電阻變化往往有同等數量級，須用適當電路進行溫度補償。

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2.電感傳感器

① 電感式傳感器介紹
      電感式傳感器利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、 振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化, 再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出。
      電感式傳感器有結構簡單, 工作, 測量精度, 零點穩定, 輸出功率較大等一系列點, 其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應, 不適用于速動態測量。
      電感式傳感器種類很多，常見的有自感式傳感器，互感式傳感器和電渦流式傳感器三種。


② 電感式傳感器的應用 
      電感傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制, 在工業自動控制系統中被采用。它主要用于測量微位移，凡是能轉換成位移量變化的參數，如壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進行測量。其應用范圍主要包括：可測量彎曲和偏移；可測量振蕩的振幅度；可控制尺寸的穩定性；可控制定位；可控制對中心率或偏心率。 
      電感傳感器還可用作磁敏速度開關、齒輪齡條測速等，該類傳感器應用于紡織、化纖、機床、機械、冶金、機車汽車等行業的鏈輪齒速度檢測，鏈 輸送帶的速度和距離檢測，齒輪齡計數轉速表及汽車防護系統的控制等。另外該類傳感器還可用在給料管系統中小物體檢測、物體噴出控制、斷線監測、小零件區 分、厚度檢測和位置控制等。

③ 三種常用電感傳感器
2.1 變磁阻式傳感器
      M. Faraay 電磁感應定律(1831年)：當一個線圈中電流i變化時，該電liu產生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產生感應電勢e，這種現象稱之為自感。產生的感應電勢稱為自感電勢。
      變磁阻式傳感器的結構如圖3.1所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為&elta;，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度&elta;發生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

      特點：變磁阻式傳感器有很的靈敏度，這樣對待測信號的放大倍數要求。但是受氣隙&elta;寬度的影響，該類傳感器的測量范圍很小。

2.2 差動變壓器式傳感器
      把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。 
差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。變隙式傳感器的結構原理如圖3.2所示。

      圖3.2中r1a與L1a , r1b與L1b , r2a與L2a , r2b與L2b，分別為W1a , W1b , W2a, W2b繞阻的直流電阻與電感。

2.3 電渦流式傳感器
      金屬導體置于變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流像水中旋渦一樣在導體轉圈，這種現象稱為渦流效應。電渦流式傳感器結構示意圖如圖3.3所示。
      根據法拉第定律，當傳感器線圈通以正弦交變電流I1時，線圈周圍空間必然產生正弦交變磁場H1，使置于此磁場中的金屬導體中感應電渦流I2，I2又產生新的交變磁場H2。

④ 電感式傳感器的缺點
      電感式傳感器的主要點是： 
      (1) 結構簡單，；
      (2) 靈敏度，zui分辨力達0.1μm ；
      (3) 測量度，輸出線性度可達±0.1% ；
      (4) 輸出功率較大，在某些情況下可不經放大，直接接二次儀表。 
      其缺點是：
      (1) 傳感器本身的頻率響應不，不適于速動態測量；
      (2) 對激磁電源的頻率和幅度的穩定度要求較;
      (3) 傳感器分辨力與測量范圍有關，測量范圍大，分辨力，反之則。

⑤ 使用注意事項
      (1) 方案選擇 
      在選擇方案之前應先弄清給定的技術指標，如示值范圍、示值誤差、分辨力、重復性誤差、時漂、溫漂、使用環境等。
      (2) 鐵心材料的選擇
      鐵心材料選擇的主要依據是要有較的導磁系數，較的飽和磁感應強度和較小的磁滯損耗，剩磁 和矯頑磁力 都要小。另外，還要求電阻率大，居里點溫度，磁，便于加工等。常用導磁材料有鐵氧體、鐵鎳合金、硅鋼片和純鐵。
      (3) 電源頻率的選擇
      提電源頻率有下列點：能提線圈的因數；靈敏度有一定的提；適當提頻率還有利于放大器的設計。但是，過的電源頻率也會帶來缺點，如鐵心渦流損耗增加；導線的集膚效應等會使靈敏度減；增加寄生電容（包括線圈匝間電容）以及外界干擾的影響。

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3.熱電傳感器
① 熱電式傳感器介紹
      熱電式傳感器是一種將溫度變化轉換為電量的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來進行測量的。例如將溫度變化轉換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、導磁率等的變化，再通過適當的測量電路達到檢測溫度的目的。按照測溫方法的不同，熱電式傳感器分為接觸式和非接觸式兩大類。 

② 熱電式傳感器應用
      熱電傳感器主要應用于對溫度的檢測，應用于冶金，鍛造，化工，電子，環境監測，溫控等領域。 

③ 熱電式傳感器分類
3.1 接觸式熱電傳感器
3.1.1 熱電偶溫度傳感器
      熱電偶溫度傳感器的工作原理基于材料的熱電效應：兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，在該回路中就會產生電動勢。如圖1所示

      熱偶式傳感器的影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關，兩熱電極相同時，總電動勢為0，兩接點溫度相同時，總電動勢為0。對于已選定的熱電偶，當參考端溫度t0恒定時，e(t0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度t成單值函數關系，即 ：

      可見，只要測出e（T,T0）的大小，就能被測溫度t，這就是利用熱電偶測溫的原理。表1為常用的電偶材料搭配及性能指標。

      熱電偶式傳感器的缺點:體積大，靈敏度。 
      熱電偶式傳感器的點:壽命長，能力好，測溫范圍寬。

3.1.2 熱電阻溫度傳感器
      熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。目前zui常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。典型的熱阻式傳感器如圖2所示。表2給出了銅熱電阻的分度表。

      熱電阻式溫度傳感器的點:電阻溫度系數大，靈敏度；電阻率，熱慣性小；結構簡單。
      熱電阻式溫度傳感器的缺點:阻值與溫度變化呈非線性；穩定性和互換性差。

3.2 非接觸式電熱傳感器
      非接觸式測溫方法是應用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關,當選擇合適的接收檢測裝置時,便可測得被測對象發出的熱輻射能量并且轉換成可測量和顯示的各種信號,實現溫度的測量。這類測溫方法的溫度傳感器主要有光電溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖溫傳感器等。測量范圍600&mash;6000度。 紅外輻射溫度傳感器如圖3所示。

④ 應用中注意事項
      選擇溫度傳感器比選擇其它類型的傳感器所需要考慮的內容更多。先，必須選擇傳感器的結構，使敏感元件的規定的測量時間之內達到所測流體或被測表面的溫度。溫度傳感器的輸出僅僅是敏感元件的溫度。實際上，要確保傳感器指示的溫度即為所測對象的溫度，常常是很困難的。 在大多數情況下，對溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個方面的問題：
      (1) 被測對象的溫度是否需記錄、和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送。
      (2) 測溫范圍的大小和精度要求。
      (3) 測溫元件大小是否適當。
      (4) 在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應測溫要求。
      (5) 被測對象的環境條件對測溫元件是否有損害。
      (6) 如保，使用是否方便。 

      溫度傳感器的選擇主要是根據測量范圍。當測量范圍預計在總量程之內，可選用鉑電阻傳感器。較窄的量程通常要求傳感器必須有相當的基本電阻，以便獲得足夠大的電阻變化。熱敏電阻所提供的足夠大的電阻變化使得這些敏感元件非常適用于窄的測量范圍。如果測量范圍相當大時，熱電偶更適用。將冰點也包括在此范圍內，因為熱電偶的分度表是以此溫度為基準的。已知范圍內的傳感器線性也可作為選擇傳感器的附加條件。

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4.諧振傳感器

① 諧振傳感器介紹
      諧振式傳感器是直接將被測量的變化轉換為物體諧振特性變化的裝置，其工作原理基于諧振技術，利用諧振子的振動頻率、相位和幅值作為敏感參數，達到對壓力，位移，密度等被測參數的測量。

      以機械式諧振傳感器為例，振子的諧振頻率 可近似用下式表示：

      式中：──振子材料的剛度；──振子的等效振動。可見，振子的諧振頻率與其剛度和等效振動有關。設其初始諧振頻率為，當振子受力或其中的介質等發生變化時，振子的等效剛度或等效振動會發生變化，從而使其諧振頻率發生變化。
      要使振子產生振動，就要外加激振力(激振元件)，要測量振子的振動頻率則需要拾振元件。由激振元件激發振子振動，由拾振元件檢測振子的振動頻率，另外將此信號經放大后輸送到激振元件中形成閉環系統，以維持振子持續振動。圖1給出了諧振傳感器的基本結構圖：

      圖1中，由ERD組成的電&mash;機&mash;電諧振子環節，是諧振式傳感器的核心；由ERDA組成的閉環自激環節，是構成諧振式傳感器的條件；由RDO(C)組成的信號檢測、輸出環節，是實現檢測被測量的手段。

② 諧振式傳感器的應用
      諧振式傳感器因輸出為頻率信號而有精度、分辨率、能力、適于長距離傳輸、能直接與數字設備相連接的點；又因無活動部件而有穩定性和性，并可能制造出精度極的傳感器(目前可以做到精度超過萬分)。它的缺點是，要求材料較，加工工藝復雜，所以周期長，成本較；另外，其輸出頻率與被測量往往是非線性關系，需進行線性化處理才能良好的精度。
      由于諧振式傳感器有許多點，已迅速發展成為一個新的傳感器家族，可用于多種參數的測量，例如壓力、位移、加速度、扭矩、密度、液位等。諧振式傳感器主要用于航空、航天、計量、氣象、地質、石油等行業中。
      
③ 諧振式傳感器的類型及缺點
      諧振式傳感器的種類很多，大體分為兩類：一類是基于機械諧振結構諧振式傳感器；另一類是MOS環振式諧振傳感器。其中機械式諧振式傳感器應用zui廣。機械式諧振傳感器的振子可以有不同的結構形式，圖2所示為常見的a 張絲狀、b 膜片狀、c 筒狀、 梁狀等，相應的有振動弦式、振動膜式、振動筒式、振動梁式等諧振傳感器之分。通常振子的材料采用諸如鐵鎳恒an合金等有恒an性模量的所謂恒模材料。但這種材料較易受外界磁場和周圍環境溫度的影響。石英晶體在一般應力下有很好的重復性和zui小的遲滯，其諧振子的因素Q值極，并且不受環境溫度影響，性能長期穩定，因此采用石英晶體作為振子可制成性能更加良的壓電式諧振傳感器。其振子通常采用振膜或振梁形狀，但按振子上下表面形狀它又分為e 扁平形、f 平凸形和g 雙凸形三種，如圖2所示。表1給出了各種類型機械式諧振傳感器的缺點及應用領域。

④ 諧振式傳感器的設計要點
      諧振式傳感器的振子是把被測量的變化轉換為頻率變化的關鍵元件，它對傳感器的精度、靈敏度和穩定性等有很大影響，因此對它的設計要求較，主要可從下述幾個方面進行考慮。
(1) 減小非線性
      諧振式傳感器的特性曲線幾乎都是非線性的。選擇合適的工作點和zuijia工作頻段對減小非線性非常重要。為獲得較的測量精度，必須在轉換電路中進行非線性校正。
(2) 提靈敏度
      可通過適當選擇下面振子有關參數來提靈敏度：密度、an性模量、泊松比等材料物理特性參數；厚度、半徑、長度等結構參數；初始諧振頻率，預加載荷等。壓電式諧振傳感器采取圍壓加載方式時，其靈敏度zui。
(3) 提穩定性
      先，應選擇強度、參數穩定的振子材料，如石英晶體，琴鋼絲，鐵鎳橫an合金等；其次，應選擇Q值較大的振子，Q值越大，諧振頻率的穩定性越，傳感器的工作也越穩定，抗外界干擾的能力越強，其重復性也就越好；再次，要盡量提材料的an性極限，在zui大載荷下，材料an性變形為材料an性極限的1/3～1/2以下；zui后，結構上作成一體的，否則振子與其它部分的連接必須有很強的抗滑能力。
(4) 減小溫度誤差
      由于構成傳感器的材料受溫度影響，均將產生溫度變形，造成輸出信號的不穩定。為減小溫度的影響，可采取下面措施：采用零溫度系數的材料，或溫度系數恒定的材料，而且其an性模量受溫度影響小；采用線路補償；采取恒溫措施；傳感器設計成封閉系統，使傳感器機械結構自身達到熱補償；對因溫度變化而影響振子諧振頻率變化的傳感器部分，通過選取適當的尺寸和溫度系數，保持脹縮平衡。
      
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5.壓電傳感器

① 壓電效應與壓電傳感器
      某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應，或稱為電致伸縮現象。
      依據電介質壓電效應研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器,它是利用某些物質的壓電效應將被測量轉換為電量的一種傳感器。

② 壓電傳感器的應用
      壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等參量的測量中。
      壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、輪船、橋梁、和建筑的振動和沖擊測量中已經了的應用，特別是航空宇航領域中更有它的特殊地位。



      壓電式壓力傳感器既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。它可以用于發動機內部燃燒壓力與真空度的測量，以及軍事工業中槍炮子an在槍膛中擊發瞬間的膛壓變化和炮口的沖擊壓力的測量。此外，壓力式傳感器還應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓力傳感器制成的。

③ 常用敏感材料對比
      (1) 壓電陶瓷
      壓電陶瓷是一種有壓電性能的陶瓷材料，它是由若干不同的氧化物，諸如氧化鋁、氧化鋇、氧化鈦、氧化鈉等，按照比例配合，經過成型、溫固相反應、燒結，zui后合成制造出來的。它有一種奇異的壓電效應特性，即當受到微小外力作用時，能夠把機械能轉化為電能，當加上交變電壓時，又會把電能變成機械能。
      (2) 細晶粒壓電陶瓷
      以往的壓電陶瓷是由幾微米至幾十微米的多疇晶粒組成的多晶材料,當把粒徑減小至亞微米級時,可以改進材料的加工性,使基片可以做得更薄,提陣列頻率,降換能器陣列的損耗,提器件的機械強度,減小多層器件每層的厚度。減小粒徑許多好處,但同時也帶來了降壓電效應的影響。為了克服這種影響,人們更改了傳統的摻雜工藝,使細晶粒壓電陶瓷壓電效應增加到與粗晶粒壓電陶瓷相當的水平。近年來,人們用細晶粒壓電陶瓷進行了切割研磨研究,并制作出了一些頻換能器、微制動器及薄型蜂鳴器（瓷片20-30um厚）,證明了細晶粒壓電陶瓷的越性。隨著納米技術的發展,細晶粒壓電陶瓷材料研究和應用開發仍是近期的熱點。
      (3) 壓電性特異的多元單晶壓電體
      傳統的壓電陶瓷較其它類型的壓電材料壓電效應要強,從而了應用。但作為大應力,能換能材料,傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。于是近幾年來,人們為了研究出有更異壓電性的新壓電材料,做了大量工作,現已發現并研制出了Pb(A1/3B2/3)PbTiO3單晶（A=Zn2+,Mg2+）。這類單晶的33zui可達2600pc/N(壓電陶瓷33zui大為850pc/N),k33可達0.95（壓電陶瓷K33zui達0.8）,其應變大于1.7%,幾乎比壓電陶瓷應變一個數量級。儲能密度達130J/kg,而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。現在美國、、俄羅斯和中國已開始進行這類材料的工藝研究,它的批量的成功必將帶來壓電材料應用的飛速發展。

④ 應用中的注意事項
      (1) 正確安裝。壓力傳感器直接與待測量的實體接觸，安裝是否合適對其性能有較大影響；
      (2) 保持清潔。雖然壓電陶瓷比較，但仍然需要保持壓電材料的清潔，以提使用壽命，減小測量誤差；
      (3) 。通常壓電傳感器檢測的檢測電流很微弱，因此在調理電路的設計上需要充分考慮措施及濾波功能。

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6.磁電傳感器

① 磁電式傳感器介紹
      磁電式傳感器利用電磁感應效應，霍爾效應，或磁阻效應等電磁現象，把被測物理量的變化轉變為感應電動勢的變化，實現速度，位移等參數測量。按電磁轉換機理的不同，磁電式傳感器可分為磁電感應式傳感器，霍爾式傳感器，和磁阻效應傳感器等，用于建筑，工業等領域中振動，速度，加速度，轉速，轉角，磁場參數等的測量。



② 各種磁電式傳感器的原理與應用 
2.1 磁電感應式傳感器
(1) 磁電感應式傳感器的特點
      磁電感應式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉變為感應電動勢，是一種機-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，，輸出阻抗小，又有一定的頻率響應范圍(一般為10～1000Hz)，適用于振動、轉速、扭矩等測量。其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準，它直接安裝在振動體上進行測量，因而在地面振動測量及機載振動監視系統中獲得了的應用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。

(2) 磁電感應式傳感器的工作原理，分類與應用

工作原理：根據電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線，線圈內產生感應電動勢e。e的大小與穿過線圈的磁通Φ變化率有關。按工作原理不同，磁電感應式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻式傳感器。
      恒定磁通式磁電感應式傳感器按運動部件的不同可分為動圈式和動鐵式。動圈式磁電傳感器的中線圈是運動部件，基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度，如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速；動鐵式磁電感應式傳感器的運動部件是鐵芯，可用于各種振動和加速度的測量。

      變磁通式磁電感應傳感器中，線圈和磁鐵都靜止不動， 轉動物體引起磁阻、磁通變化，常用來測量旋轉物體的角速度。如動畫所示，線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪1（導磁材料制成）每轉過一個齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈3產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪1上齒輪的齒數和轉速的乘積。變磁通式傳感器對環境條件要求不，能在-150～＋90℃的溫度下工作，不影響測量精度，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較，約為50Hz，上限可達100Hz。 

2.2 霍爾式傳感器
(1) 霍爾傳感器的特點 
      霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應原理而將被測量轉換成電動勢輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止狀態下，有感受磁場的能力，并且有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬（從直流到微波）、動態范圍大（輸出電勢變化范圍可達1000:1）、壽命長等特點，因此獲得了應用。
(2) 霍爾傳感器原理
      金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。

      霍爾傳感器利用霍爾效應實現對物理量的檢測，按被檢測對象的性質可將它們的應用分為直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。
(3) 霍爾傳感器的應用
       維持I、q 不變，則EH=f（B），這方面的應用有測量磁場強度的斯計、測量轉速的霍爾轉速表、磁性產品計數器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測量原理的霍爾式加速度計、微壓力計等;
      維持I、B不變，則EH=f（q），這方面的應用有角位移測量儀等。
      維持q 不變，則EH=f（IB），即傳感器的輸出EH與I、B的乘積成正比，這方面的應用有模擬乘法器、霍爾式功率計等。

(4) 霍爾傳感器的選用注意事項 
      1．磁場測量。如果要求被測磁場精度較，如于±0.5％，那么通常選用砷化鎵霍爾元件，其靈敏度，約為5&mash;10mv/100mT.溫度誤差可 忽略不計，且材料性能好，可以做的體積較小。在被測磁場精度較，體積要求不。如精度于±0.5％時，選用硅和鍺雹爾元件。
      2．電流測量。大部分霍爾元件可以用于電流測量，要求精度較時．選用砷化鎵霍爾元件，精度不時，可選用砷化鎵、硅、鍺等霍爾元件。
      3．轉速和脈沖測量。測量轉速和脈沖時，通常是選用集成霍爾開關和銻化銦霍爾元件。如在錄像機和攝像機中采用了銻銦霍爾元件電機的電刷，提了使用壽命。
      4．信號的運算和測量。通常利用霍爾電勢與控制電流、被測磁場成正比，并與被測磁場同霍爾元件表面的夾角成正弦關系的特性，制造函數發生器。利用霍爾元件輸出與控制電流和被測磁場乘積成正比的特性。制造功率表、電度表等。
      5．拉力和壓力測量。選用霍爾件制成的傳感器較其它材料制成的陣感器靈敏度和線性度更jia。

2.3 磁阻效應傳感器 
      磁阻元件類似霍爾元件，但它的工作原理是利用半導體材料的磁阻效應(或稱斯效應)。磁阻效應與霍爾效應的區別在于感應電動勢相對于電流的方向，霍爾電勢是垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。

      上圖是一種測量位移的磁阻效應傳感器。將磁阻元件置于磁場中，當它相對于磁場發生位移時，元件內阻R1、R2發生變化，如果將它們接于電橋，則其輸出電壓比例于電阻的變化。
      磁阻效應與材料性質及幾何形狀有關，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。
      磁阻元件可用于位移、力、加速度、磁場等參數的測量。

③ 產品圖片

7.光電傳感器

① 光電傳感器介紹
      光電傳感器（光電開關）是一種小型電子設備，它可以檢測出其接收到的光強的變化，通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制。它先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。在一般情況下，光電傳感器由三部分構成：發送器、接收器和檢測電路。其結構如圖1所示： 

      發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。接收器包括光電二極管、光電三極管、光電池等。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等；在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號并應用該信號。



② 光電傳感器分類
      光電傳感器通常可分為對射型和反射型兩類。
      (1) 對射型光電傳感器。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為對射分離式光電開關，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器產生響應并輸出一個開關控制信號。
      (2) 反射型光電開關。反射型光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內，利用反射原理完成光電控制作用。一種情況下，發光器發出的光被反光板反射回來被收光器收到，一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號；另一種情況下，發光器發出的光并不被的反光板反射，但當光路上有檢測物通過時，光在檢測物表面反射回來并被接收器接收從而產生一個開關信號。

③ 光電元件
      光電元件是光電傳感器中zui重要的部件，常見的有真空光電元件和半導體光電元件兩大類。它們的工作原理都基于不同形式的光電效應：
      (1) 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現象稱為外光電效應，基于外光電效應的光電元件有光電管,光電倍增管等。
      (2) 在光線作用下能使物體的電阻率改變的現象稱為內光電效應，基于內光電效應的光電元件有光敏電阻，光敏晶體管等。
      (3) 在光線作用下物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏應，基于光生伏應的光電元件有光電池等。

3.1 外光電效應器件
3.1.1 光電管 
(1) 原理 
      光電管是利用外光電效應制成的光電元件。光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結構相似，如圖2。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的*。 

(2) 主要性能 
      光電管器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應時間、峰值探測率和溫度特性來描述。 
1. 光電管的伏安特性 
      在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如3圖所示。它是應用光電傳感器參數的主要依據。 

2. 光電管的光照特性 
      通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關系為光電管的光照特性。其特性曲線如4圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。 

3. 光電管光譜特性 
      由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率于紅限頻，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發射的光電子的數量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區域的光，應選用不同材料的光電陰極。 

3.1.2 光電倍增管 
(1) 原理 
      當入射光很微弱時，普通光電管產生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大，圖5為光電倍增管內部結構示意圖。

      光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹的襯底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；陽極是zui后用來收集電子的，收集到的電子數是陰極發射電子數的倍。即光電倍增管的放大倍數可達幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產生很大的光電流。 

(2) 主要特性 
1. 倍增系數M 
      倍增系數M等于n個倍增電極的二次電子發射系數&elta;的乘積。M與所加電壓有關，在之間，穩定性為1％左右，此時要求加速電壓穩定性要在0.1％以內。 
2. 光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 
      一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產生的平均電子數叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的zui大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越，靈敏度越；但極間電壓也不能太，太反而會使陽極電流不穩。另外，由于光電倍增管的靈敏度很，所以不能受強光照射，否則將會損壞。 
3. 暗電流和本底脈沖 
      一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發射所致或場致發射造成的，這種暗電流通常可以用補償電路。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在*蔽光情況下，出現的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發，被激發的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流有脈沖形式。 
4. 光電倍增管的光譜特性 
      光譜特性反應了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數關系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內，這個關系是線性的，即入射光通量小于lm時，有較好的線性關系。光通量大，開始出現非線性，如圖6所示。 

3.2 內光電效應器件 
      利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件，常見的有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管等。 
3.2.1 光敏電阻 
      光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。其點是靈敏度，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足有需要外部電源，有電流時會發熱。 
3.2.2 光電池 
      光電池是利用光生伏應把光直接轉變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏應制成的，是發電式有源元件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現電動勢。 
3.2.3 光敏二極管和光敏三極管 
      光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個PN結。它和光電池相比，重要的不同點是結面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結構分，有同質結與異質結之分。其中zui典型的是同質結硅光電二極管。國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。

④ 光電傳感器的應用
      光電檢測方法有精度、反應、非接觸等點,傳感器的結構簡單,形式靈活多樣,體積小。近年來,隨著光電技術的發展,光電傳感器已成為系列產品,其品種及產量日益增加,在各種輕工自動機上獲得的應用。典型案例如下： 
(1) 煙塵濁度監測儀 
      防止工業煙塵污染是環保的重要任務。為了工業煙塵污染，先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光的光減少，因而光輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。 
(2) 光電轉速傳感器 
      在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。 
(3) 光電池
      光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不*相同。由于光電池工作時不需要外加電壓，光電轉換效率，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲等，它已地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。 

⑤ 光電傳感器應用中的注意事項
      (1) 模擬式光電傳感器的輸出量為連續變化的光電流，因此在應用中要求光電器件的光照特性呈單值線性，光源的光照要求保持均勻穩定。
      (2) 開關式光電傳感器的輸出信號對應于光電信號&lquo;有&rquo;、&lquo;無&rquo;受到光照兩種狀態，即輸出特性是斷續變化的開關信號。在應用中這類傳感器要求光電元件靈敏度，而對元件的光照特性要求不。 
      (3) CCD傳感器在分時使用CCD器件時，應注意在轉移電荷期間應避免受到光照，以免因多次感光而破壞原有圖像。
      (4) 光電隔離器在使用時要使發光元件與接受元件的工作波長相匹配，備較的靈敏度。體選用如下：LED-光敏三極管形式常用于信號隔離，頻率在100kHz一下；LED－復合管或達林頓管的形式常用在功率負載的直接驅動等場合；LED－光控晶閘管形式常用在大功率的隔離驅動場合。 

⑥ 產品圖片

8.光纖傳感器

① 光纖傳感器的基本原理
      光纖傳感器通過光導纖維把輸入變量轉換成調制的光信號。光纖傳感器的測量原理有兩種。
      (1) 物性型光纖傳感器原理
      物性型光纖傳感器是利用光纖對環境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調制的光信號。其工作原理基于光纖的光調制效應，即光纖在外界環境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強，會發生變化的現象。因此，如果能測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化。這類傳感器又被稱為敏感元件型或功能型光纖傳感器。
      激光器的點光源光束擴散為平行波，經分光器分為兩路，一為基準光路，另一為測量光路。外界參數（溫度、壓力、振動等）引起光纖長度的變化和相位的光相位變化，從而產生不同數量的干涉條紋，對它的模向移動進行計數，就可測量溫度或壓力等。
 

圖1 物性型光纖傳感器工作原理示意圖

      (2) 結構型光纖傳感器原理
      結構型光纖傳感器是由光檢測元件（敏感元件）與光纖傳輸回路及測量電路所組成的測量系統。其中光纖僅作為光的傳播媒質，所以又稱為傳光型或非功能型光纖傳感器。

      (3) 拾光型光纖傳感器原理
      用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

      
② 光纖傳感器的點
      與傳統的各類傳感器相比，光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質，有光纖及光學測量的特點，有一系列的點。
      (1) 電絕緣性能好。
      (2) 抗電磁干擾能力強。
      (3) 非侵入性。
      (4) 靈敏度。
      (5) 容易實現對被測信號的遠距離監控。
      (6) ，防爆。
      (7) 光路有可撓曲性，便于與計算機聯接。
      (8) 結構簡單，體積小，重量輕，耗電少等。
      光纖傳感器在軍事、航空、醫學、環境監測、土木工程、電子系統等很多領域都有的應用，尤其適用于以下特殊環境：
      (1) 在壓、電磁感應噪音條件下的測試； 
      (2) 在危險和環境惡劣條件下的測試； 
      (3) 在機器設備內部的狹小間隙中的測試； 
      (4) 在遠距離的傳輸中的測試。
      
③ 光纖傳感器的分類和可測量的物理量
      按所利用的不同的光學現象，光纖傳感器可分為干涉型和非干涉型，可通過相位，頻率，強度和偏振調制等方式實現對不同物理量的測量，體內容如表1所示。

表1 光纖傳感器的分類和測量的物理量

注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

④ 各種光纖傳感器的應用領域及缺點
      表2給出了各種光纖傳感器的作用機理，應用領域以及缺點。

表2 光纖傳感器的作用機理和應用領域

⑤ 應用注意事項
5.1 光纖      
      常見的光纖有階躍型和梯度型多模光纖及單模光纖，選用光纖必須考慮以下因素：
(1) 光纖的數值孔徑NA
      從提光源與光纖之間耦合效率的角度來看，要求用大的NA，但是NA越大，光纖的模色散越嚴重，傳輸信息的容量就越小。但是大多數光纖傳感器來講，不存在信息容量的問題，光纖以zui大孔徑為宜，一般要求是：0.2≤NA<0.4。
(2) 光纖傳輸損耗
      傳輸損耗是光纖的zui重要的光學特性，很大程度上決定了遠距離光纖通信中繼站的跨越，但是光纖傳感器系統中，大部分距離都比較短，長者不足4M，短的只有幾毫米。特別是作為敏感元件的特殊光纖，可放寬傳輸損耗的要求，一般損耗<10B/km的光纖均可采用。
(3) 色散
      色散是影響光纖信息容量的重要參量，如前所講，可放寬這方面的要求。
(4) 光纖的強度
      對傳感器而言，都毫無例外的都要求較強的強度。
5.2 光源
(1) 白熾光源
      白熾光源的輻射近似為黑體輻射。其點是：廉，容易獲得，使用方便，但在傳感器中使用，由于輻射密度比較小，故只能與光纖束和粗芯階躍光纖配合使用。缺點是穩定性比較差，壽命短。
(2) 激光器
      相干性光源，容易實現單模工作，線性非常窄；輻射密度比較，與單模光纖耦合效率；噪聲比較小。
(3) 固體激光器
      現在主要用固態銣離子激光器等，點是體積小，堅固、率、輻射密度。光譜均勻而且比較窄，缺點是相干性和頻率穩定性不如激光器。
(4) 半導體激光器
      是光纖傳感器的重要光源，主要LED，點是體積小巧、堅固、壽命長、性、輻射密度適中、電源簡單。
      光源很多，對光源的基本要求是一致的，必須使有適當特性的、功率足夠大的光達到，以確保檢測系統有足夠大的信噪比，遵循原則為：選擇輻射足夠強的光源，要求在敏感元件的工作波長上有zui大的輻射功率；光源必須與光纖匹配，以獲得的耦合率；光源的穩定性要好，能在長期的室溫下工作。
5.3 光電探測器
      光電探測器是光電檢測中*的器件，把光信號轉變為電信號。選擇準則：在工作波段內靈敏度要；有引入的噪聲一定要小，因此要選用暗電流、漏電流和并聯電導盡可能小的器件；性、穩定性好；尺寸小、便于組裝、容易與光纖耦合；偏壓或偏流不宜過；廉。

⑥ 產品圖片

9.氣敏傳感器

① 氣敏傳感器介紹
      氣敏傳感器可用于對的定性或定量檢測。氣敏材料與接觸后會發生化學或物理相互作用，導致其某些特性參數的改變，包括，電參數，光學參數等。氣敏傳感器利用這些材料作為氣敏元件，把被測種類或濃度的變化轉化成傳感器輸出信號的變化，從而實現檢測目的。 

      
② 氣敏傳感器的應用
      氣敏傳感器主要用于對各種目標的定性或定量檢測，在環境監測，食品監察，工業排放監控，呼氣疾病診斷等領域有著的應用。
      
③ 氣敏傳感器分類
      根據氣敏元件的不同，傳感器可分為半導體傳感器，紅外吸收式氣敏傳感器，接觸燃燒式氣敏傳感器以及利用電極和電解液對進行檢測的電化學傳感器等。

3.1 半導體氣敏傳感器
      半導體氣敏傳感器的敏感元件大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料，可分為電阻式和非電阻式兩種，如表1所示。當被測在半導體表面吸附后，使半導體敏感材料的電學特性(例如電導率)發生變化，通過測量其變化，就可以實現對的檢測。對半導體氣敏傳感器，目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。 

      點：成本，反應，靈敏度，濕度影響小。
      缺點：必須溫工作，對選擇性差。

3.2 光學氣敏傳感器
      光學氣敏傳感器可以工作在紅外波段和紫外&mash;可見光波段。
      大多數分子的振動和轉動光譜都在紅外波段。當入射紅外輻射的頻率與分子的振動轉動特征頻率相同時，紅外輻射就會被分子所吸收，引起輻射強度的衰減。典型的紅外吸收式氣敏傳感器結構如圖1所示。紅外光源產生的紅外光入射到測量槽，照射到某種被測時，根據種類不同，將對不同波長的紅外光有不同的吸收特性，同種不同濃度對紅外光的吸收量也不同。因此，通過測量到達光敏元件的紅外光的強度，根據紅外光源的波長和光敏元件輸出的電信號就可以知道被測的種類和濃度。

      某些材料和特定接觸反應后其在紫外&mash;可見光波段的吸收光譜會發生變化，比如甲基紅在酸性氣氛中會發生變色。用此類材料作為敏感元件可以在紫外&mash;可見光波段實現對的檢測。
      光學氣敏傳感器精度、選擇性好，氣敏度范圍寬，是鋼鐵，石化，化肥，機械等工業部門流程控制的重要監測手段；在環境污染成分檢測和醫學研究等方面也都有許多成功的應用。其缺點是偏，使用和維護難度較大。

3.3 接觸燃燒式氣敏傳感器
      典型的接觸式燃燒式氣敏傳感器結構與電路原理圖如圖2所示。氧化催化劑中埋設有白金等金屬線，工作時金屬圈中通電流使溫度保持在300～600℃，當可燃接觸傳感器表面時會發生燃燒，所產生的熱量使金屬絲進一步溫度升，致使電阻值增大，導致電橋失衡產生輸出。不同種類不同濃度的可燃燃燒產生的熱量不同，對應不同的電路輸出。

      接觸燃燒式氣敏傳感器一般用于石油化工、造船廠、礦山及隧道等場合，以檢測石油類可燃燒性的存放情況和防止危險事故發生。
      點：對選擇性好，線性好，受溫度、濕度影響下，響應。
      缺點：對濃度的可燃性的敏感度，敏感元件受到催化劑的侵害后其特性銳減，金屬絲易斷。 

3.4 電化學氣敏傳感器
      電化學傳感器通過與被測發生反應并產生與濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。先通過微小的毛管型開孔與傳感器發生反應，然后是憎水屏障，zui終到達傳感電極表面發生反應，以形成充分的電信號，通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定濃度。
      電化學氣敏傳感器主要用于相對封閉環境中有毒有害的檢測，比如礦井、居室、工作間等地對CO，H2S和甲醛等的監測和。
      點：選擇性好，反應迅速，靈敏度，可實時連續檢測。
      缺點：易受環境影響，較。

3.5 各種氣敏傳感器的反應機理和缺點綜述

④ 典型應用
      (1) 家用器
      (2) 有害辨別
      (3) 可燃性濃度檢測
      (4) 礦燈瓦斯器
      (5) 煙霧器
      (6) 酒精檢測器

⑤ 產品圖片

10.電容傳感器

① 電容式傳感器概述
      電容式傳感器是將被測非電量的變化轉化為電容量的一種傳感器。有結構簡單、分辨力、可非接觸測量，并能在溫、輻射和強烈震動等惡劣條件下工作等點。
      隨著集成電路技術和計算機技術的發展，有利于電容式傳感器的揚長避短，是一種很有發展前途的傳感器。



② 基本工作原理
      電容傳感器的基本公式 ： 

      ε：電容極板間介質的介電常數，ε=ε0&miot;εr，ε0為真空介電常數，εr為極板間介質相對介電常數；

      A：兩平行板所覆蓋的面積；：兩平行板之間的距離。

      ü&elta;、A或ε發生變化時，都會引起電容的變化。

      ü固定三個參量中的兩個，可以做成三種類型的電容傳感器：變極距型、變面積型和變介電常數型。

③ 電容式傳感器的結構類型

      變極距(&elta;）型: (a)、(e) 
      變面積型(A)型: (b)、(c)、()、(f)、(g) （h） 
      變介電常數(ε )型: (i)～(l) 

(1) 變極距型電容傳感器

(2) 變面積型電容傳感器
      角位移：極板2的軸由被測物體帶動而旋轉一個角位移θ度時，兩極板的遮蓋面積A&arr;→電容量&arr;。
      板狀線位移：極板2可以左右移動。極板1固定不動。
      筒形：外圓筒不動，內圓筒在外圓筒內作上、下直線運動。

(3) 變介電常數型電容傳感器
      因為各種介質的相對介電常數不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質時，電容器的電容量也就不同。這種傳感器可用來測量物位或液位，也可測量位移。

④ 電容式傳感器的應用
      電容式傳感器不但用于位移、振動、角度、加速度等機械量的測量，而且還逐步地擴大到用于壓力、差壓、液位、物位或成份含量等方面的測量。

⑤ 應用中的注意事項
      (1) 克服寄生電容的影響
      電容式傳感器由于受結構與尺寸的限制，其電容量都很小(pF到幾十pF)，屬于小功率、阻抗器件，因此極易外界干擾，尤其是受大于它幾倍、幾十倍的、且有隨機性的電纜寄生電容的干擾，它與傳感器電容相并聯，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。消滅寄生電容影響，是電容式傳感器實用的關鍵。
      (2) 克服邊緣效應的影響
      實際上當極板厚度h與極距&elta;之比相對較大時，邊緣效
應的影響就不能忽略；邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降，而且產生非線性。
      (3) 克服靜電引力的影響
      電容式傳感器兩極板間因存在靜電場，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數、極間距離有關。通常這種靜電引力很小，但在采用推動力很小的an性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測量誤差。
      (4) 溫度影響
      環境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對被測輸入量的單值函數關系，從而引入溫度干擾誤差。溫度影響主要包括溫度對結構尺寸和對介質的影響兩方面。

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11.濕度傳感器

水分子親和力型濕度傳感器，是利用水分子有較大的偶極矩，因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內部的特性（成為水分子親和力）制成的濕度傳感器，其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構成不同類型的濕度傳感器。
      非水分子親和力型濕度傳感器，主要的測量原理有：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度；利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播，水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度有關以此來測定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

① 濕度傳感器介紹
      濕度包括的濕度和固體的濕度。的濕度是指大氣中水蒸氣的含量，度量方法有濕度，即每立方米在標況下（0℃，1大氣壓）所含有的水蒸氣的重量,即水蒸氣密度；相對濕度，即一定體積中實際含有的水蒸氣分壓與相同溫度下該所能包含的zui大水蒸氣分壓之比；或含濕量，即每㎏干空氣中所含水蒸氣的。其中相對濕度是zui常用的。固體的濕度是物質中所含水分的數，即物質中所含水分的與其總之比。 
利用水分子有較大的偶極矩，因而易于吸附在固體表面并滲透到固體內部的特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型濕度傳感器，其測量原理在于感濕材料吸濕或脫濕過程改變其自身的性能從而構成不同類型的濕度傳感器；把與水分子親和力無關的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器，其主要的測量原理有：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度；利用微波在含水蒸汽的空氣中傳播，水蒸汽吸收微波使其產生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度有關以此來測定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。

② 濕度傳感器的應用 
      任何行業的工作都離不開空氣,而空氣的濕度又與工作、生活、有直接,使濕度的監測與控制越來越顯得重要。濕度傳感器的應用主要有如下幾個方面:
      (1) 氣候監測 天氣測量和預報對工農業、軍事及人民生活和科學實驗等方面都有重要意義,因而濕度傳感器是*的測濕設備,如樹脂膨散式濕度傳感器已用于氣象氣球測濕儀器上。 
      (2) 溫室養殖 現代農林畜牧各產業都有相當數量的溫室，溫室的濕度控制與溫度控制同樣重要，把濕度控制在農作物、樹木、畜禽等生長適宜的范圍,是減少病蟲害、提產量的條件。 
      (3) 工業　在紡織、電子、機器、陶瓷工業等部門,空氣濕度直接影響產品的和產量,必須有效地進行監測調控。 
      (4) 物品儲藏　各種物品對環境均有一定的適應性。濕度過過均會使物品喪失原有性能。如在濕度地區，電子產品在倉庫的損害嚴重，非金屬零件會發霉變質，金屬零件會腐蝕生銹。 
      (5) 儀器的使用保護　許多儀器、設備對工作環境要求較。環境濕度必須控制在一定范圍內,以它們的正常工作,提工作效率及性。如程控交換機工作濕度在55 % ±10 %較好。溫度過會影響絕緣性能,過易產生靜電,影響正常工作。

③ 濕度傳感器的分類與特點
      根據敏感方案是否基于水分子的極性吸附特性，可以把濕度傳感器分為水分子親和力型和非水分子親和力型。根據濕敏材料的不同可以對水分子親和力型濕度傳感器進一步分類；根據測量原理的不同可以對非水分子親和力型濕度傳感器進一步分類，如表1所示。 

3.1 水分子親和力型濕度傳感器 
      根據使用材料的不同，水分子親和力型濕度傳感器分為以下四類

      (1) 電解質型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產生離子導電，隨濕度升而電阻減小。
      (2) 陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。 
      (3) 分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機分子感濕膜。有機分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。
      (4) 單晶半導體型：所用材料主要是硅單晶，利用半導體工藝制成。制成二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。其特點是易于和半導體電路集成在一起。

      一種典型的水分子親和力型濕度傳感器&mash;&mash;氯化鋰電阻濕度傳感器介紹： 
      氯化鋰是一種在大氣中不分解、不揮發，也不變質而有穩定的離子型無機鹽類。其吸濕量與空氣相對濕度成一定函數關系，隨著空氣相對濕度的增減變化，氯化鋰吸濕量也隨之變化。當氯化鋰溶液吸收水汽后，使導電的離子數增加，因此導致電阻的降；反之，則使電阻增加。這種將空氣相對濕度轉換為其電阻值的測量方法稱為吸濕法濕度測量。氯化鋰電阻濕度計的傳感器就是根據這一原理工作的。其結構和阻&mash;濕特性分別如圖2，圖3所示。

      氯化鋰傳感器的測濕范圍與所涂氯化鋰濃度及其它成分有關。采用某一濃度制作的元件在其感濕范圍內，其電阻值隨周圍空氣相對濕度的變化符合指數關系。當濕度于其感濕范圍時，其阻值迅速增加，趨于大；而當于該范圍時，其阻值變得非常小，乃至趨于零。每一傳感器的測量范圍較窄，故應按照測量范圍的要求，選用相應的量程。為擴大測量范圍，可采用多片組合傳感器。組合式氯化鋰濕度傳感器的結構和阻-濕特性如圖4，圖5所示。 

3.2 非水分子親和力型濕度傳感器 
      利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度，可以制成熱敏電阻式濕度傳感器；利用微波或超聲波在含水蒸汽的空氣中傳播時，傳輸損耗的能量與環境空氣中的濕度的相關性來測定濕度，可以制成微波或超聲波濕度傳感器；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度，可以制成紅外吸收式濕度傳感器。一種典型的紅外吸收式濕度傳感器的結構和工作原理如圖1所示。

④ 濕度傳感器的特性參數

　　濕度傳感器的特性參數主要有：濕度量程、靈敏度、溫度系數、響應時間、濕滯回差、感濕特征量-相對濕度特性曲線等。  
　　(1) 濕度量程：它是指濕度傳感器能夠較測量的環境濕度的zui大范圍。由于各種濕度傳感器所使用的材料及依據的工作原理不同，其特性并不都能適用于0～*RH的整個相對濕度范圍。 
　　(2) 感濕特征量-相對濕度特性曲線： 濕度傳感器的輸出變量稱為其感濕特征量， 如電阻、電容等。 濕度傳感器的感濕特征量隨環境濕度的變化曲線， 稱為傳感器的感濕特征量-環境濕度特性曲線， 簡稱為感濕特性曲線。 性能良好的濕度敏感器件的感濕特性曲線， 應有寬的線性范圍和適中的靈敏度。 
　　(3) 靈敏度：濕度傳感器的靈敏度即其感濕特性曲線的斜率。大多數濕度敏感器件的感濕特性曲線是非線性的， 因此尚無統一的表示方法。 較普遍采用的方法是用器件在不同環境濕度下的感濕特征量之比來表示。 
　　(4) 濕度溫度系數： 它定義為在器件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環境相對濕度隨環境溫度的變化率， 即

　　因此，環境溫度將造成測濕誤差。 例如，α=0.3％RH/℃時， 環境的溫度變化20℃，將引起6％RH的測濕誤差。 

　　(5) 響應時間： 它表示當環境濕度發生變化時， 傳感器完成吸濕或脫濕以及動態平衡過程所需時間的特性參數。 響應時間用時間常數τ來定義， 即感濕特征量由起始值變化到終止值的0.632倍所需的時間。可見， 響應時間是與環境相對濕度的起、止值密切相關。 
　　(6) 濕滯回線和濕滯回差：一個濕度傳感器在吸濕和脫濕兩種情況下的感濕特性曲線不相重復，一般可形成為一回線，這種特性稱為濕滯特性； 其曲線稱為濕滯回線。

⑤ 常見測濕度的方法比較 

⑥ 濕敏傳感器的應用注意事項

(1) 電源選擇
　　濕敏電阻必須工作于交流回路中，若用直流供電，會引起多孔陶瓷表面結構改變，濕敏特性變劣。采用交流電源頻率過，將由于元件的附加容抗而影響測濕靈敏度和準確性， 因此應以不產生正、負離子積聚為原則， 使電源頻率盡可能。對離子導電型濕敏元件，電源頻率應大于50 Hz，一般以1000 Hz為宜。對電子導電型，電源頻率應于50 Hz。
(2) 線性化
　　一般濕敏元件的特性均為非線性， 為便于測量， 應將其線性化。 
(3) 溫度補償
　　通常氧化物半導體陶瓷濕敏電阻濕度溫度系數為0.1～0.3，故在測濕精度要求的情況下必須進行溫度補償。 
(4) 測濕范圍
　　電阻式濕敏元件在溫度超過95％RH時， 濕敏膜因濕潤溶解， 厚度會發生變化， 若反復結露與潮解， 特性會變壞而不能復原。 電容式傳感器在80％RH以上濕及100％RH以上結露或潮解狀態下， 也難以檢測。 另外， 切勿將濕敏電容直接浸入水中或長期用于結露狀態， 也不要用手摸或嘴吹其表面。

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12.生物傳感器

① 生物傳感器介紹
      生物傳感器（Biosensor）是利用某些生物活性物質所有的度選擇性，來識別待測生物化學物質的一類傳感器。它的結構一般是在基礎傳感器(電化學裝置)上再耦合一個生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測溶液隔開。當待測溶液中的成分透過半透膜有選擇地附著于敏感物質時，形成復合體，隨之進行生化和電化學反應，產生普通電化學裝置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通過電化學裝置轉換為電信號。
      生物傳感器是目前zui受到人們重視傳感器。生物傳感器能對許多過去難于測定的生化物質進行定量分析。已經在實踐中開始應用的生物傳感器都是固定化酶電極，包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乙醇等多種。

② 生物傳感器的應用



③ 生物傳感器分類與特點

酶傳感器是由酶催化劑和電化學器件構成的。由于酶是蛋白質組成的生物催化劑，能催化許多生物化學反應，生物細胞的復雜代謝就是由于成千上萬的酶控制的。酶的催化效率極，而且有度專一性，即能對待測生物量（底物）進行選擇性催化，并且有化學放大作用。因此利用酶的特性可以制造出靈敏度、選擇性好的傳感器。
微生物傳感器用微生物作為分子識別元件。與酶相比，微生物更、耐久性也好。
傳感器的基本原理是反應。 利用抗體能識別抗原結合的功能的生物傳感器稱為傳感器。
生物組織傳感器是以活的動植物組織細胞切片作為識別元件，并與相應的變換元件構成的傳感器。生物組織傳感器有如下一些特點：
      (1) 生物組織含有豐富的酶類，這些酶在適宜的自然環境中，可以相當穩定的酶活性，許多組織傳感器工作壽命比相應的酶傳感器壽命長很多；
      (2) 在所需要的酶難以提純時，直接利用生物組織可以足夠的酶活性；
      (3) 組織識別元件制作簡便，一般不需要采用固定化技術。
半導體生物傳感器是由生物分子識別器件（生物敏感膜）與半導體器件結合構成的傳感器。目前常用的半導體傳感器是半導體光電二極管、場效應管（FET）等。半導體生物傳感器的特點有：
      (1) 構造簡單，便于批量，成本；
      (2) 它屬于固態傳感器，機械性能好，抗震性能好，壽命長；
      (3) 輸出阻抗，便于與后續電路匹配；
      (4) 可在同一芯片上集成多種傳感器，可實現多功能、多參數與計算機的基礎。

④ 生物活性材料固定化技術
      使用生物活性材料作為生物敏感膜，必須研究如何使生物活性材料固定在載體（或稱基質）上，這種結合技術稱為固定化技術。在研制傳感器時，關鍵是把生物活性材料與載體固定化成為生物敏感膜。固定化生物敏感膜應該有的特點：
      (1) 對被測物質選擇性好，專一性好
      (2)
      (3) 可以反復使用，長期保持其活性
      (4) 使用方便

⑤ 未來生物傳感器的特點
      (1) 功能多樣化
      未來的生物傳感器將進一步涉及醫療banjian、疾病診斷、食品檢測、環境監測、發酵工業的各個領域。目前, 生物傳感器研究中的重要內容就是研究能生物視覺、聽覺和觸覺等感覺器官的生物傳感器,即仿生傳感器。
      (2) 微型化
      隨著微加工技術和納米技術的進步，生物傳感器將不斷地微型化，各種便攜式生物傳感器的出現使人們在家中進行疾病診斷，在上直接檢測食品成為可能。
      (3) 智能化和集成化
      未來的生物傳感器必定與計算機緊密結合，自動采集數據、處理數據，更科學、地提供結果，實現采樣、進樣、結果一條龍,形成檢測的自動化系統。同時, 芯片技術將越來越多地進入傳感器領域,實現檢測系統的集成化、。

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