12常用传感器工作原理及测量电路
常见传感器及工作原理
常见传感器及工作原理传感器是现代科技中不可或缺的一部分，它们负责将物理量转换成电信号或其他可以被处理的形式，从而实现对环境变化的感知和监测。
以下是一些常见传感器及其工作原理的介绍。
1. 温度传感器温度传感器是用来测量环境温度的设备。
它们可以基于不同的工作原理来实现。
其中一种常见的工作原理是热敏电阻。
热敏电阻的电阻值随温度的变化而变化，通过测量电阻值的变化来确定温度。
还有一种常见的工作原理是热电偶。
热电偶利用两种不同金属的热电效应产生电势差，通过测量电势差来确定温度。
2. 湿度传感器湿度传感器用于测量环境的湿度水分含量。
一种常见的湿度传感器是电容式湿度传感器。
它利用物质在不同湿度下的电容变化来测量湿度。
当空气中的湿度增加时，电容值也会增加。
另一种常见的湿度传感器是电阻式湿度传感器。
它利用湿度对电阻值的影响来测量湿度。
3. 光照传感器光照传感器用于测量环境中的光照强度。
一种常见的光照传感器是光敏电阻。
光敏电阻的电阻值随光照强度的变化而变化，通过测量电阻值的变化来确定光照强度。
另一种常见的光照传感器是光电二极管。
光电二极管利用光的能量来产生电流，通过测量电流的变化来确定光照强度。
4. 气体传感器气体传感器用于检测环境中的气体浓度。
一种常见的气体传感器是电化学传感器。
电化学传感器利用气体与电极之间的化学反应来测量气体浓度。
不同的气体会引起不同的化学反应，从而产生不同的电流信号。
另一种常见的气体传感器是光学传感器。
光学传感器利用气体对特定波长的光的吸收程度来测量气体浓度。
5. 压力传感器压力传感器用于测量环境中的压力变化。
一种常见的压力传感器是压阻式传感器。
压阻式传感器利用压力对电阻值的影响来测量压力变化。
当受到压力时，电阻值会发生变化。
另一种常见的压力传感器是压电传感器。
压电传感器利用压力对压电材料的形变产生电荷来测量压力变化。
以上是一些常见传感器及其工作原理的简介。
传感器的应用范围非常广泛，从工业生产到家庭生活都离不开它们。
各类传感器的工作原理
各类传感器的工作原理传感器是一种能够检测和感知周围环境，并将其转化为可用信号的装置。
传感器在各个领域中起着极为重要的作用，从智能手机中的加速度传感器到汽车中的车速传感器，从医疗设备中的心率传感器到环境监测中的温度传感器，都体现了传感器在现代生活中的广泛应用。
下面将介绍几种常见的传感器及其工作原理。
1.光电传感器：光电传感器是基于光电效应的原理工作的。
光电效应是指当光照射到物体表面时，光中的能量被物体吸收，电子被激发而从原子中跃迁，产生电流。
光电传感器利用光电效应将光信号转化为电信号，可以用于测量光的强度、距离或光的频率等。
2.压力传感器：压力传感器是利用压力作用在压敏电阻或压电材料上变化的阻值或电荷来测量压力的。
当外力施加在压阻上时，导电粒子（电子或离子）运动受到阻碍，阻值发生变化，通过测量电阻的变化来确定压力的大小。
3.温度传感器：温度传感器利用材料在温度变化时导电性或热传导性的变化原理来测量温度。
常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶和温度敏感电容等。
热敏电阻是利用材料的电阻随温度的变化而变化；热电偶则是利用两种不同材料的接触产生热电势差，通过测量热电势差来计算温度；温度敏感电容则是通过测量电容的变化来确定温度。
4.加速度传感器：加速度传感器是利用物体在加速或减速时所产生的惯性力来测量加速度的。
常用的加速度传感器有电容式加速度传感器和压电式加速度传感器。
电容式加速度传感器通过测量电容的变化来确定加速度；压电式加速度传感器则是利用压电效应和加速度之间的关系来测量加速度。
5.湿度传感器：湿度传感器是利用材料的吸湿性或湿度对电阻、电容或电抗等性能的影响来测量湿度的。
常用的湿度传感器有湿度敏感电阻、湿度敏感电容和湿度敏感电感等。
湿度敏感电阻通过测量电阻的变化来计算湿度；湿度敏感电容则是通过测量电容的变化来确定湿度。
总之，传感器的工作原理各异，但都是基于其中一种物理效应或电学特性的变化来实现对周围环境的感知和检测。
传感器的工作原理输出特性差动整流电路和相敏检波电路PPT课件
变隙差动变压器电感式传感器的等 效电路
第34页/共81页
当r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b时，如果不考虑铁芯与衔铁中
的磁阻影响，可得变隙式差动变压器输出电压Uo的表达
式，即
Uo
b a b a
N2 N1
Ui
分析：当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δ0， 则Uo=0。但是 如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正） 时，则有δa=δ0-Δδ， δb=δ0+Δδ，代入上式可得
0 A0 2 A2
（4-4）
则式（4-3）可写为
Rm
2 0 A0
（4-5）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L N 2 N 20 A0
Rm
2
（4-6）
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L N 2 N 20 A0
Rm
2
上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁
路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因 此变磁阻电感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器
II
（4-1）
根据磁路欧姆定律： IN
Rm
（4-2）
式中, Rm为磁路总磁阻。
气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损， 则磁路总磁阻为
Rm
L1
1 A1
L2
2 A2
2 0 A0
（4-3）
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通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
2 0 A0
l1
1 A1
2
l2
电感测微仪是用于测量微小尺寸变化很普遍的一种工具，常用于测量 位移、零件的尺寸等，也用于产品的分选和自动检测。
1.2 常用传感器工作原理及测量电路
三 电感式传感器工作原理
1 自感式传感器
线圈自感 L N 2 / li / i Si 2 / 0S
l i ——各段导磁体的长度； U i——各段导磁体的磁导率；
S i ——各段导磁体的截面积；δ ——空气隙的厚度；
U0 ——真空磁导率;
S ——空气隙截面积
L f ,S
L f1 变气隙型传感器
差动式电感传感器
• 为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。
• 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式优点：
1、线性好；
2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍；
3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；
2C
交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。
变压器电桥电路
➢电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电 桥 ➢它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，差动传感器的两差 动电容或差动电感分别接在另两个臂
设其阻抗分别为Z1和Z2， (由于被测量使传感器的阻抗发生变化)
Z1 Z Z
Z2 Z Z
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面 聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。
常用的压电材料
• 石英晶体 • 水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、
磷酸二氢钾等）
• 铌酸锂晶体 • 压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅
系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）
4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能 够相互抵消而减小。
2 差动变压器传感器（互感）
常用传感器及测量转换电路
2.1.5 温度补偿
在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图25温度
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常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌 合金等。
2.金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.003~0.01mm
电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各 种需要的形状。 3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或
真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0. 1 m以
图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔， 使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变， 补偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一 般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。
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2.1电阻应变式传感器
3.加速度传感器 加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图2-9所示。
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2.2 热电阻传感器
但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出 了热电阻的主要技术性能。
2.2.2热敏电阻
热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一 般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系 数热敏电阻( PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类 热敏电阻的电阻率P与温度t的变化曲线如图2-10所示。从 图中可以看出这些曲线都呈非线性。
2.3.1 热电偶传感器的工作原理
1.热电势效应 将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温
简述传感器工作原理
简述传感器工作原理
传感器是一种能够感知周围环境并将其转化为可量化的电信号的设备。
它们的工作原理基于不同的物理原理，但都遵循一个基本的过程：感知环境变化→产生电信号→将信号转化为可读取的信息。
其中，光、声、温度、压力和加速度等常见的传感器类型具有如下工作原理：
1. 光传感器（光电二极管）：利用光敏材料的光电效应，当光线照射到材料上时，产生电荷，进而形成电流或电压信号。
2. 声传感器（麦克风）：利用压电效应或电容效应，当声波振荡使得压电材料或电容器发生变化时，产生相应的电信号。
3. 温度传感器（热敏电阻）：热敏电阻材料随温度的变化而改变电阻值，进而测量温度的变化。
4. 压力传感器（应变片）：采用应变片的物理特性，当受到外力压迫时，形变导致电阻或电压的变化，进而测量压力的变化。
5. 加速度传感器（微机电系统）：利用微机电系统技术，通过检测传感器产生的微小振动或形变来测量加速度。
除了以上几种传感器，还有许多其他类型的传感器，如湿度传感器、气体传感器、磁力传感器等，它们的工作原理也各不相同。
传感器的电信号输出可以是模拟信号或数字信号，根据需要，可以通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，进一步提供给电子设备进行处理和分析。
通过传感器的工作，我们能够获得环境的各种参数和信号，为物联网、智能化设备和其他应用领域提供了必要的数据。
常见传感器的工作原理及应用—-高中物理选择性必修第二册
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。(
)
(1)明确光敏电阻的电阻特性;
(1)分析为什么会出现电压。
解析:霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。
常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的,称为应变式力传感器。
电阻丝的电阻率随温度发生了变化
答案:×
(4)霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转化为电压这个电学量。
除了金属电阻应变片外,常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片,它的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
电阻丝的电阻率随温度发生了变化
(3)霍尔电压与组成霍尔元件的材料无关。
二、金属热电阻和热敏电阻
(2)试推导UH的表达式。
(1)明确光敏电阻的电阻特性;
(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。
解析:霍尔电压与组成霍尔元件的材料有关。
阳光直接照射时,电阻值变得更小。
(2)实验结论:光敏电阻的阻值随光照强度的增强而明显减小。
探究一
探究二
探究三
随堂检测
知识归纳
光敏电阻的特点及工作原理
(1)当半导体材料受到光照或者温度升高时,会有更多的电子获得能
量成为自由电子,同时也形成更多的空穴,于是导电能力明显增强。
(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照
2.常见传感器的工作原理及应用
学习目标
1.通过实验,了解常见传感器
的工作原理,会利用传感器
制作简单的自动装置。
2. 认 识 简 单 的 自 动 控 制 电
路。
思维导图
必备知识
自我检测
一、光敏电阻
1.光敏电阻是用硫化镉做成的,光照强度不同时电阻不同,光敏电阻
是光传感器中常见的光敏元件。
传感器工作原理
传感器工作原理标题：传感器工作原理引言概述：传感器是一种能够将物理量或化学量转换为电信号的设备，广泛应用于工业控制、环境监测、医疗诊断等领域。
传感器的工作原理是其能够感知外部环境的变化，并将这些变化转换为电信号输出。
本文将详细介绍传感器的工作原理。
一、传感器的感知原理1.1 传感器的感知原理是基于物理量或化学量与传感器内部元件之间的相互作用。
1.2 传感器通过感知外部环境的变化，如温度、压力、湿度等，来实现对物理量或化学量的测量。
1.3 传感器的感知原理主要包括电阻式、电容式、电感式、光电式等多种类型。
二、传感器的转换原理2.1 传感器将感知到的物理量或化学量转换为电信号的过程称为转换原理。
2.2 传感器通过内部的电路和元件将感知到的信号转换为电压、电流或频率等形式的输出信号。
2.3 转换原理的实现主要依靠传感器内部的信号处理电路和转换器。
三、传感器的输出原理3.1 传感器输出的电信号可以是模拟信号或数字信号。
3.2 模拟信号是连续变化的信号，通常通过模拟电路进行处理。
3.3 数字信号是离散的信号，通常通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号输出。
四、传感器的应用原理4.1 传感器的应用原理是将传感器输出的信号应用于各种控制系统或监测系统中。
4.2 传感器可以通过信号输出来实现对环境的监测、对设备的控制等功能。
4.3 传感器的应用原理是实现自动化控制、智能监测等技术的基础。
五、传感器的性能原理5.1 传感器的性能原理包括灵敏度、精度、分辨率、响应时间等指标。
5.2 传感器的性能原理直接影响到传感器的测量准确性和稳定性。
5.3 传感器的性能原理是评价传感器质量和性能优劣的重要标准。
结论：传感器的工作原理是通过感知、转换、输出、应用和性能等多个方面的原理相互作用，实现对外部环境的监测和控制。
了解传感器的工作原理对于正确选择和使用传感器具有重要意义，也有助于提高传感器的性能和应用效果。
希望本文对读者对传感器的工作原理有所帮助。
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d
)
1 d 2
d
若△d/d<<1时，则上式可简化为
非线性关系
d C C0 C0 d
最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性
2. 变面积型电容传感器
当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为
C
C
C0
0 r
(a x)b d
△C与△x间呈线性关系
成。工作时衔铁与被测物体连
接，被测物体的L位 N移2 将引起空 气隙的长度发生变Rm化。由于气
隙磁阻的变化，导致了线圈电
L N2 Rm
感量的变化。
线圈电感：
N2 L
Rm
特点：灵敏度高，非线性误差较大，
制作装配比较困难。
N为线圈匝数，Rm为磁路总磁阻。
变面积型电感传感器
气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量
4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能 够相互抵消而减小。
2 差动变压器传感器（互感）
互感式传感器本身是其互感系数可变的变 压器，当一次侧线圈接入激励电压后，二次 侧线圈将产生感应电压输出，互感变化时， 输出电压将作相应变化。一般，这种传感器 的二次侧线圈有两个，接线方式又是差动的 ，故常称之为差动变压器式传感器。
的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵 敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。
螺管型电感传感器
衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化， 线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线
圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。
电容式角位移传感器
当θ=0时
C0
0 r s0
d0
当θ≠0时
C
0r s0 (1
d0
)
C0
C0
传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系
3. 变介电常数型电容式传感器
电容式液位传感器
初始电容
C0
2H
D
ln
d
电容与液位的关系为：
C
2 1 h D
2 (H D
S ε
变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l)
1. 变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d
C0
0r s
d
d
C
C0
C
0 r s
d d
C0 d
1 d
C0 (1
压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面 聚集电荷，电荷量相等，极性相反，相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。
常用的压电材料
• 石英晶体 • 水溶性压电材料（酒石酸钾钠、硫酸锂、
磷酸二氢钾等）
• 铌酸锂晶体 • 压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅
系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷）
差动式电感传感器
• 为了改善线性在实际中大都采用差动式， 采
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。
• 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电
气参数和几何尺寸完全相同。
差动式优点：
1、线性好；
2、灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时， 输出信号大一倍；
3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响，由于能够相互抵消而减小；
• 压电半导体 • 高分子压电材料
石英晶体的压电效应
• 是二氧化硅单晶，属于六角晶系。
石英晶体优点：
• 它的介电常数和压电常数的温度稳定性
很好；
• 工作温度范围很宽； • 机械强度高，可承受108Pa的压力； • 在冲击作用下，漂移也很小； • 弹性系数较大。
可用于测量大量程的力和加速度
两个次级绕组的同名端则反向串联。
图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线
差动变压器的结构类型
（3）差动变压器应用
力和力矩的测量 微小位移的测量 压力测量 加速度传感器
四 压电式传感器工作原理
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产 生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
压电效应：某些晶体在一定方向受到外力作用 时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷 ；当外力作用除去时，又恢 复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极 性也随着改变，这种现象称为压电效应。
1、长度L发生变化——电位器式传感器；
2、截面积长度L发生变化——电阻应变
片传感器；
3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导 性光检测器等。
电位器式传感器
➢通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长
度变化，从而改变电阻值大小，进而再 将这种变化值转换成电压或电流的变化 值。
➢电位器式传感器 分为直线位移型、 角位移型和非线性 型等，如图所示。
h)
2H D
2h(1 ) D
C0
2h(1 ) D
ln
ln
ln
ln
ln
d
d
d
d
d
4 电容式传感器的应用
(1) 电容式差压传感器 (2) 电容式加速度传感器 (3) 电容式振动位移传感器
三 电感式传感器工作原理
1 自感式传感器
线圈自感 L N 2 / li / i Si 2 / 0S
第一章 传感器及其应用
—常用传感器工作原理和测量电路—
一 电阻式传感器工作原理
❖电阻式传感器测量原理:
被测的非电量
ΔR
电量输出
❖其基本原理为：设有一根长度为L，截面
积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电
阻值R可用下式表示：
R l
A
三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ， 如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变 化，构成不同电阻传感器：
l i ——各段导磁体的长度； U i——各段导磁体的磁导率；
S i ——各段导磁体的截面积；δ ——空气隙的厚度；
U0 ——真空磁导率;
S ——空气隙截面积
L f ,S
L f1 变气隙型传感器
L f2 S 变截面型传感器
变间隙式电感传感器
传感器由线圈、铁心和衔铁组
• 电位器式传感器一般采用电阻分压电路，
将电参量R 转换为电压输出给后续电路，
如图所示。当触头移动时，输出电压为：
uo
L
ui R 1 x
x RL L
二 电容式传感器工作原理
C S r0S
dd
δ
S ——极板相对覆盖面积； d ——极板间距离； εr——相对介电常数； ε0——真空介电常数，； ε ——电容极板间介质的介电常数。