其它類型傳感器

其他類型的傳感器1.磁電式傳感器2.磁敏式傳感器3.氣敏傳感器4.光電傳感器5.光纖傳感器6.超聲波傳感器7.生物傳感器1.磁電式傳感器工作原理:電磁感應(yīng)原理磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的一種傳感器。

當(dāng)穿過線圈的磁通Φ發(fā)生變化時,線圈中感應(yīng)產(chǎn)生電動勢為

感應(yīng)電動勢e取決于線圈匝數(shù)W和磁通Φ變化率,而磁通Φ又與磁場強(qiáng)度、磁路磁阻以及線圈相對于磁場的運(yùn)動速度有關(guān)。磁電式傳感器可分為動圈式、動鐵式和磁阻式三類。

動圈式磁電式傳感器分為線速度型與角速度型，一般包括兩個部分：

1.磁路系統(tǒng)。固定部分

2.線圈。運(yùn)動部分線速度型角速度型W：線圈匝數(shù)B：磁感應(yīng)強(qiáng)度L：單匝線圈有效長度V：線圈與磁場相對速度Θ：線圈運(yùn)動與磁場方向夾角k：結(jié)構(gòu)系數(shù)A：單匝線圈的截面積Ω：角速度開磁路變磁通式：線圈、磁鐵靜止不動，測量齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)體上，隨被測體一起轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動一個齒，齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次，磁通也就變化一次，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其變化頻率等于被測轉(zhuǎn)速與測量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，但輸出信號較小，且因高速軸上加裝齒輪較危險而不宜測量高轉(zhuǎn)速的場合。磁電式傳感器等效電路當(dāng)測量電路接入磁電傳感器電路時，磁電傳感器的輸出電壓UL為式中：

RL——測量電路輸入電阻；

Z0——線圈等效阻抗；

Cc——電纜分布電容。磁電式傳感器輸出功率大，且性能穩(wěn)定，具有一定的工作帶寬（10～1000Hz），可用來測速度、轉(zhuǎn)速、振動、偏心量等。2.磁敏式傳感器工作原理:將磁場變化轉(zhuǎn)換成電量輸出。霍耳磁敏傳感器磁敏電阻磁敏二極管和磁敏三極管一、霍耳磁敏傳感器

（一）霍耳效應(yīng)

通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效應(yīng)原理圖VH半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)cdab（二）霍耳磁敏傳感器工作原理設(shè)霍耳片的長度為l，寬度為w，厚度為d。在霍爾片的x方向上通過控制電流I，設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動，則在z軸垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力，使得霍爾片y軸上產(chǎn)生電位差

kH：霍爾系數(shù)B：磁感應(yīng)強(qiáng)度α：電流與磁場方向夾角H圖2.6-4霍耳器件符號AAABBBCCCDDD電流端子A、B為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻RL；霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍耳輸出端接負(fù)載RL,RL一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHRLVBIcEIH霍耳器件的基本電路R實際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。

~,利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。霍耳開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。典型應(yīng)用霍耳開關(guān)集成傳感器3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路（a）外型

霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

二、磁敏電阻

是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）

磁阻效應(yīng)

若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化。當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。（二）磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探礦等。3.氣敏式傳感器工作原理:利用材料的物理和化學(xué)性質(zhì)受氣體作用后發(fā)生變化的原理。可用于氣體檢漏、氣體濃度檢測、氣體成分檢測、事故報警、機(jī)器嗅覺等。半導(dǎo)體氣敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是SnO2薄膜元件。它是利用加熱條件下SnO2薄膜電阻隨接觸的可燃性氣體濃度增加而下降，實現(xiàn)對可燃性氣體檢測。繼而又發(fā)現(xiàn)在SnO2燒結(jié)體中添加Pt或pd等貴重金屬可提高靈敏度。1968年誕生了商品半導(dǎo)體氣敏元件，其后，其它材料的半導(dǎo)體氣敏元件也相繼投放市場。

種類敏感氣體種類的氣敏傳感器敏感氣體量的真空度氣敏傳感器檢測氣體成分的氣體成分傳感器

分類電阻式非電阻式

氣敏電阻：可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。

氣敏電阻主要有可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類。一、還原性氣體傳感器所謂還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

MQN型氣敏半導(dǎo)體器件是由塑料底座、電極引線、不銹鋼網(wǎng)罩、氣敏燒結(jié)體以及包裹在燒結(jié)體中的兩組鉑絲組成。一組鉑絲為工作電極，另一組（下圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼工作電極。氣敏電阻工作時必須加熱到200300℃，其目的是加速被測氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。

酒精測試儀家庭用煤氣報警器甲烷傳感器一氧化碳傳感器二、氧氣濃度氣體傳感器半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測量轉(zhuǎn)換電路氧濃度傳感器汽車尾氣分析半導(dǎo)體氣敏元件按用途的應(yīng)用分類（1）檢漏儀或稱探測器它是利用氣敏元件的氣敏特性，將其作為電路中氣-電轉(zhuǎn)換元件，配以相應(yīng)的電路、指示儀表或聲光顯示部分而組成的氣體探測儀器。這類儀器通常都要求有高靈敏度。

（2）報警器這類儀器是對泄漏氣體達(dá)到危險限值時自動進(jìn)行報警的儀器。

（3）自動控制儀器它是利用氣敏元件的氣敏特性實現(xiàn)電氣設(shè)備自動控制儀器。如電子灶烹調(diào)自動控制，換氣扇自動換氣控制等。

（4）測試儀器它是利用氣敏元件對不同氣體濃度關(guān)系來測量、確定氣體種類和濃度。這種應(yīng)用氣敏元件的性能要求較高，測試部分也要配以高精度測量電路。

4.光電式傳感器工作原理:光電效應(yīng)光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1、外光電效應(yīng)

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。2、內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。（2）

光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。

1、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。2、光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)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。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。光電池的示意圖+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN3、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(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)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。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。光電轉(zhuǎn)速傳感器2312

31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖

圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。測速也可以采用反射式：只要用白紙畫上黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可。其測量電路與透射式相同門窗防盜控制自動扶梯自動啟停其他應(yīng)用——對射式光電開關(guān)汽車通過檢測汽車噴涂控制鑒別不同高度物體高度判別缺件剔除料位控制對射式光電開關(guān)圍墻監(jiān)護(hù)警戒庫房衛(wèi)士安全警戒斜度檢測擴(kuò)散反射式光電開關(guān)裂縫檢測鏡面反射式光電開關(guān)透明玻璃瓶檢測長度控制限距式光電開關(guān)產(chǎn)品計數(shù)液位檢測氣流量監(jiān)測檢測有無蓋限距式光電開關(guān)料徑控制行程控制轉(zhuǎn)速監(jiān)測超速或滯速判別光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(ChargeTransferDevice),最常用的是電荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。光固態(tài)圖象傳感器1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)

CCD是由若干個電荷耦合單元組成。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。

當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。

2.讀出移位寄存器。讀出移位過程是電荷定向轉(zhuǎn)移過程。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。P1，P2，P3組成耦合單元，分別施加脈沖波Φ1Φ2Φ3。P1P1P2P2P3P3tP1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3Ф(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30圖7-20工件尺寸測量系統(tǒng)

尺寸測量CCD應(yīng)用舉例圖7-21鈔票檢查系統(tǒng)原理圖物體缺陷檢測光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物。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(zhì)。光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點。

①電絕緣性能好。

②抗電磁干擾能力強(qiáng)。

③非侵入性。

④高靈敏度。

⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量5.光纖傳感器

光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來測量它所受環(huán)境的變化，即用被測量的變化調(diào)制波導(dǎo)中的光波，使光纖中的光波參量隨被測量而變化，從而得到被測信號大小。光的全反射實驗一、光纖導(dǎo)波光學(xué)基礎(chǔ)

（一）光纖的導(dǎo)波原理光纖由導(dǎo)光的纖芯、包層、套層構(gòu)成。光纖傳光的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。圖7-25光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理

二、光纖傳感器光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通訊技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。在光通訊系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。在實際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)、波長（顏色）等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感技術(shù)。光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型或物性型光纖傳感器。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號，所以又稱為傳光型或結(jié)構(gòu)型光纖傳感器。光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器和波長（顏色）調(diào)制光纖傳感器。光纖傳感器按被測對象不同又可分為光纖溫度傳感器，光纖壓力、振動傳感器，光纖位移傳感器，光纖角速度傳感器，光纖應(yīng)變、彎曲傳感器，光纖速度、流速傳感器，光纖加速度傳感器，光纖磁場傳感器，光纖電壓、電流傳感器，光纖電磁場傳感器，光纖光譜傳感器，光纖放射線傳感器，光纖圖像傳感器等。傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓、溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度