傳感器及其工作原理

一、認識傳感器
1.傳感器
（1）定義：傳感器是指這樣一類元件：它能夠感受諸如力、溫度、光、聲、化學成分等物理量，并能把它們按照一定的規律轉換為便于傳送和處理的另一個物理量（通常是電壓、電流等電學量），或轉換為電路的通斷.
?生活中的實例  傳感器及其工作原理

（2）基本特性：把非電學量轉換為電學量，可以方便地進行測量、傳輸、處理和控制等.
2.傳感器的工作原理：傳感器通過敏感元件感受的通常是非電學量，而它利用轉換元件輸出的通常是電學量，如電壓、電流、電荷量等.傳感器及其工作原理
傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路和輔助電源四部分組成，其工作原理如圖所示.

敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號；轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號；轉換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制；轉換元件和轉換電路一般還需要輔助電源供電.
?敏感原件干簧管的結構及原理

如圖所示，它由用玻璃管封入兩個軟磁性材料制成的彈片組成.當磁鐵靠近干簧管時，兩個彈片被磁化而接通，所以干簧管能起到開關的作用，操縱開關的是磁場這只看不見的“手”.干簧管是一種能夠感知磁場的傳感器，廣泛用于電工設備和電子設備中.傳感器及其工作原理
3.傳感器的特點
微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化它是實現自動檢測和自動控制的首要環節.傳感器的存在和發展，讓物體有了“觸覺”“味覺”和“嗅覺”等，讓物體慢慢“活”了起來.
4.傳感器的分類
（1）按照其用途可分為：壓力傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器、雷達傳感器等.
（2）按照其原理可分為：振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等.
（3）按其輸出信號可分為：模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號；
數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號（包括直接和間接轉換）；
膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號（包括直接和間接轉換）；
開關傳感器—當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號.
（4）按照其測量目的可分為：物理型傳感器、化學型傳感器、生物型傳感器.
?幾種傳感器中的敏感元件

二、對敏感元件的認識
1、光敏電阻：是一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器.
（1）特性：當用不同的光照射光敏電阻時會得到不同的電阻，由實驗數據可知一般光照強度越強，電阻越小.
（2）本質：一般構成光敏電阻的物質為半導體材料，當無光照時載流子極少，導電性能不好；隨著光照的增強，載流子增多，導電性能變強，電阻就會減小.
（3）作用：把光照強弱這個光學量轉換為電阻這個電學量，就如同人的眼睛一樣，可以感知光線的強弱，應用光敏電阻可制成光電計數器.
?街旁路燈和江海里的航標都要求在夜晚亮、白天熄，利用半導體的電學特性制成了自動點亮、熄滅的裝置，實現了自動控制，這是利用半導體的光敏性.
2.熱敏電阻和金屬熱電阻
（1）熱敏電阻
①由半導體材料制成，利用溫度變化使半導體的導電性能發生變化的電子元件一般熱敏電阻的阻值隨溫度的升高而減小.
②分類：熱敏電阻是敏感元件的一類，按照溫度系數不同分為正溫度系數熱敏電阻（PTC）、負溫度系數熱敏電阻（NTC）和臨界溫度熱敏電阻（CTR）.正溫度系數熱敏電阻隨溫度升高電阻增大；負溫度系數熱敏電阻隨溫度升高電阻減小（這是*常見到的熱敏電阻，如邊欄圖R-T圖象中的熱敏電阻）；臨界溫度熱敏電阻具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加急劇減小，具有很大的負溫度系數.它們的電阻率隨溫度的變化如邊欄圖中ρ-t圖象所示.
?金屬熱電阻與熱敏電阻的R-T特性曲線

?各種熱敏電阻的電阻率隨溫度的變化情況

（2）金屬熱電阻：金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，利用這一特性，金屬絲也可以制作成熱敏傳感器，稱為熱電阻一般的金屬熱電阻的靈敏度較差.
（3）氧化錳熱敏電阻和金屬熱電阻的對比  傳感器及其工作原理

三、霍爾元件
1、霍爾元件：如圖所示，在一個很小的矩形半導體（例如砷化銦）薄片上、制作四個電極E、F、M、N，它就成了一個霍爾元件.
2、霍爾電壓
（1）表達式：如圖所示，E、F間通入恒定電流I，同時外加與薄片垂直的磁感應強度為B的磁場，則MN間出現霍爾電壓UH，UH＝kIB/d.
（2）原理：以載流子是自由電子為例，霍爾電壓的推導如下：根據左手定則，讓磁感線垂直穿過手心，四指指向電子運動的反方向（即電流方向），
拇指指向即電子受洛倫茲力的方向，電子在洛倫茲力作用下發生偏轉，并在左右兩側表面積累，則左側表面積累負電荷，右側表面就積累等量的正電荷，即右側表面的電勢高，這樣就會形成電場，當電子所受電場力與洛倫茲力平衡時，左、右兩側的電壓達到穩定.
?霍爾元件的分類
霍爾元件可分為兩類：一類是金屬霍爾元件，其載流子是自由電子；另一類是半導體霍爾元件，其載流子是空穴（可以認為是帶正電的粒子）.
設M、N左右兩板距離為h，E、F上下兩板距離為d，則eE場=eU/h＝evB，又知導體中電流I＝nevS＝nev·hd，聯立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍爾元件本身材料決定的，我們把kIB/d稱為霍爾系數，用k表示，這樣就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.   傳感器及其工作原理
3、霍爾電勢高低的判斷
由左手定則判斷帶電粒子的受力方向，從而得出帶電粒子的偏轉方向，正電荷聚集的面為高電勢面，負電荷聚集的面為低電勢面.
?霍爾電勢判斷要點
在判斷霍爾電勢的高低時，一定要注意載流子是正電荷還是負電荷.無論載流子是正電荷還是負電荷，四指指的都是電流方向，即正電荷定向移動的方向，負電荷定向移動的反方向（電流方向一定時，無論載流子是正電荷還是負電荷，載流子受力方向均相同）.
4.霍爾元件的作用
一個霍爾元件的厚度d、霍爾系數k為定值，若保持電流I恒定，則霍爾電壓U就與磁感應強度B成正比，因此，霍爾元件能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量，故霍爾元件又稱磁敏元件.

?霍爾傳感器技術在汽車工業中有著廣泛的應用，包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統。為了滿足不同系統的需要，霍爾傳感器有開關式、模擬式和數字式三種形式.

   北崎國際貿易（北京）有限公司，華北總經銷日本各類高精尖傳感器，歡迎咨詢北崎國際市場部