常用传感器及其应用特点分析

1.温度传感器

（1）定义 是把温度转换为电量的一种传感器。工程上应用最多的温度传感器就是热电偶温度传感器，其结构形式如图5-2-3所示。

图5-2-3 热电偶及其结构

（2）热电偶的原理及类型

1）原理。热电偶的工作原理是基于热电效应（图5-2-4），就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T₀不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象，也称为塞贝克效应。

几个概念

图5-2-4 热电偶工作原理

热电极：闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极。

热电偶：闭合回路中的导体或半导体A、B的组合，称为热电偶。

工作端：两个结点中温度高的一端。

自由端：两个结点中温度低的一端。

热电动势：热电效应产生的电动势。热电动势=两导体的接触电动势+单一导体的温差电动势。

接触电动势：两种材料由于自由电子密度不同在结点处形成电子扩散而形成的电动势，与材料、温度有关。

温差电动势：同一种材料两端温度不同，电子由高温端向低温端扩散而形成的电动势，与材料、温度有关。

2）热电偶类型

①标准热电偶。广泛使用的热电偶都是标准热电偶，其制作标准、热电动势与温度的关系以及允许误差都是严格按照国家标准规定的。同时，与其配套的显示仪表也是按照国家标准制作完成的。

国家标准对热电偶规制了8种类型（也称热电偶的分度号），分别为S、B、E、K、R、J、T、N。其中S、R、B属于贵金属热电偶，N、K、E、J、T属于廉金属热电偶。

②非标准热电偶。一般没有统一的分度号，应用不是非常的广泛，适合个别工业单位使用，具有一定的特殊性。

（3）热电偶的特性及分类

1）按分度号分类。

2）按固定装置形式分类。热电偶的固定方式主要有6种：无固定装置式、螺纹式、固定法兰式、活动法兰式、活动法兰角尺式和锥形保护管式。

3）按装配及结构方式分类。根据热电偶的结构方式可分为：可拆卸式热电偶、隔爆式热电偶、铠装热电偶和压弹簧固定式热电偶等特殊用途的热电偶。

（4）热电偶的冷端温度补偿 由工作原理可知，热电偶产生热电动势的大小不仅与热端温度有关，而且与冷端温度有关。为了使热电动势只是热端温度的单值函数，必须使冷端温度不变。在实际使用中，由于冷端暴露在空气中，往往又距离工作端（热端）比较近，很难做到冷端温度保持恒定不变，为此常采用一些措施消除冷端温度的影响，见表5-2-5。

2.压力传感器

（1）定义 压力传感器，是指以膜片装置（金属膜片、橡胶膜片等）为媒介，用感压元件对气体和液体的压力进行测量，并转换成电气信号输出的设备。

（2）原理及类型 压力传感器是工程应用中最常用的一种传感器。常用的压力传感器有压阻式压力传感器和压电式压力传感器，其工作原理各不相同。

表5-2-5 传感器的补偿

图5-2-5 应变式压力传感器

1）压阻式压力传感器。

①应变片式压力传感器：如图5-2-5所示，电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是：吸附在基体材料上的应变电阻随机械形变而产生阻值变化，俗称为电阻应变效应。

②陶瓷压力传感器：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，厚膜电阻印制在陶瓷膜片的背面，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、高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0、3.0、3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。

③扩散硅压力传感器：扩散硅压力传感器的工作原理也是基于压阻效应。利用压阻效应，被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），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。

④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。利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件无p-n漂移。

各种压阻式压力传感器如图5-2-6所示。

图5-2-6 各种压阻式压力传感器

2）压电式压力传感器。

压电式压力传感器是基于某些晶体材料的压电效应，实现压力到电量的转换。压电式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能得到保存。压电式压力传感器如图5-2-7所示。

图5-2-7 压电式压力传感器

压电效应：某些晶体材料，如石英、钛酸钡等，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化现象，表面有电荷出现，形成电场；当机械力去除后，又恢复到不带电状态。这种现象称为压电效应。

（3）压力传感器的相关概念

1）绝对压力：以绝对真空作为基准所表示的压力。

2）相对压力：以当地环境的大气压力作为基准所表示的压力，也称表压。绝对压力=相对压力+大气压力。

3）差压：被测两个压力的差值。

（4）压力传感器的接线方法

1）两线制：一根线连接电源正极，另一根线也就是信号线经过仪器连接到电源负极。

2）三线制：是在两线制基础上加了一根线，这根线直接连接到电源的负极，如图5-2-8a所示。

3）四线制：两个电源输入端，另外两个是信号输出端，如图5-2-8b所示。

图5-2-8 压力传感器的接线

图5-2-9 光电传感器的工作原理

3.光电传感器

（1）定义 光电传感器是一种从发射器发射可视光线、红外线等的“光”，并通过检测物体反射的光，或遮光量的变化，从而获取输出信号的仪器。

（2）原理和主要类型 由发射器的发光元件发光，并由接收器的受光元件接收光，如图5-2-9所示。

1）反射型：发光元件和受光元件内置于1个传感器放大器内，接收来自检测物的反射光。

2）透过型：发射器与接收器分离。如果检测物体进入发射器与接收器之间，则发射器的光将被遮挡。

3）回归反射型：发光元件和受光元件内置于1个传感器放大器内。接收来自检测物的反射光。由反光板反射来自发光元件的光，并由受光元件接收光。如果检测物体到来，则被遮光。

（3）光电传感器的特性

1）非接触检测。可不接触检测物体，不会损伤检测物体，而且传感器本身也不会损伤，使用寿命更长且无须维护。

2）几乎所有物体均可检测。根据物体的表面反射或遮光量进行检测，因此可检测几乎所有物体（玻璃、金属、塑料、木材、液体等）。

3）检测距离较长。光电传感器一般为大功率，可进行长距离检测。

（4）光电传感器的分类 光电传感器的分类见表5-2-6。

表5-2-6 光电传感器的分类

（续）

4.位移传感器

（1）定义 位移传感器又称为线性传感器，是把各种位移量（或尺寸）转换成电信号的传感器。位移传感器可以测量物体的移动量、转动量、变形量，零部件的位置、厚度、尺寸、距离等。

（2）原理及类型

1）长度及线位移检测。

①电位器式位移传感器。电位器（电位计）式位移传感器可将直线位移、角位移和容易转变为位移的物理量的变化转换成与其有确定关系的电阻值的变化，属于接触型的电阻式传感器，如图5-2-10所示。

图5-2-10 电位器式位移传感器

电位器式位移传感器按运动形式分为直线式和旋转式；按电阻元件分为绕线式和非绕线式；按结构分为滑线式、半导体式、骨架式和分段电阻式等。

②电感式位移传感器。这种传感器能将输入的物理量转换为电感（自感或互感）的变化，再由测量电路转换为标准的电信号输出，一般用于小量程、高精度的位移测量。根据具体结构和工作原理可以分为变磁阻式、差动变压器式和电涡流式，如图5-2-11所示。

③光栅式位移传感器。光栅是利用光的透射、衍射现象工作的光电检测元件，其工作原理是莫尔条纹。测量中常用的光栅称为计量光栅，用于测量位移、速度、加速度、振幅等物理量。计量光栅按形状及用途不同，可分为长光栅和圆光栅，如图5-2-12所示。长光栅又称光栅尺，用于长度或直线位移的测量；圆光栅又称光栅盘，用于角位移的测量。光栅式位移传感器的特点是测量范围大，响应速度快，非接触测量，易于实现数字输出和自动控制。

图5-2-11 电感式位移传感器

2）角度及角位移检测。

①光电编码器。光电编码器属于编码器中的一种，是用光电方法将转角或角位移转换为各种代码形式的数字脉冲，属于数字式传感器。

光电编码器按其结构分为直线式编码器和旋转式编码器；按脉冲信号性质分为绝对式和增量式编码器。光电编码器可以测量绝对角位移（绝对式）和相对角位移（增量式），其特点是结构简单、精度高、分辨率高、可靠性好、直接数字输出。绝对式光电编码器的测量范围有限，常用于小范围绝对位置测量；增量式光电编码器的测量范围无限。

②圆光栅传感器。圆光栅的工作原理是莫尔条纹，分为径向光栅、切向光栅和环形光栅。

3）绝对测距。

①电涡流式位移传感器，如图5-2-13所示。

图5-2-12 光栅式位移传感器(www.xing528.com)

图5-2-13 电涡流式位移传感器

②数字式激光位移传感器。

数字式激光位移传感器可精确、非接触地测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。其特点是测量距离可达几公里甚至几十公里。

③超声波式测距传感器。超声波传感器（超声波探头）是实现声电转换的装置，这种装置能够发射超声波，同时还可以接收超声波，并转换成电信号，其特点是测量范围小，测量精度低，测量目标不能太小，适用于大目标、近距离、一般精度的测距，如图5-2-14所示。

图5-2-14 超声波式测距传感器

5.液位传感器（液位计）

（1）定义 在生产和生活中，常常需要准确知道储液容器中液位的高低，所用的测量方法为液位测量，对应的传感器为液位传感器，也称液位计（以下均称为液位计）。

液位计分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，伺服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。

（2）原理及类型

1）连通式液位计：包括玻璃板液位计和玻璃管液位计。

基于连通器原理，将容器中的液体引入带有标尺的玻璃管中，可以现场直接观测液位，如图5-2-15所示。

图5-2-15 连通式液位计

2）浮力式液位计：包括恒浮力式（浮球、浮标、钢带等）和变浮力式（浮筒、浮子等）两种。利用漂浮在液面上的浮子来测量液位，浮子位置代表了液面的位置。当液面变化时，浮子随液面一起变化，从而产生位移，通过传递、放大系统显示出液位的变化和液面高度，如图5-2-16所示。

3）差压式液位计：单法兰（单引压管）、双法兰（双引压管）等差压式液位计是静压式液位测量，根据液位静压与液位高度成正比的原理来实现。单法兰（单引压管）液位计一般用于敞口或常压容器，密闭带压设备应该选用双法兰（双引压管）液位计，如图5-2-17所示。

图5-2-16 浮力式液位计

图5-2-17 差压式液位计

4）电学式液位计：按工作原理不同分为电阻式（干簧-电阻式）、电容式和电感式，如图5-2-18所示。

①电阻式：其原理是基于液位变化引起电极间电阻变化，由电阻变化反映液位情况。

图5-2-18 电学式液位计

②电容式：是利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量，有平极板式和同心圆柱式等。对导电介质和非导电介质都能测量。

③电感式：利用电磁感应原理，液位变化引起线圈电感变化，感应电流也发生变化。

电学式液位计既可以进行定点液位控制（指液位上升或下降到一定位置时引起电路的接通或断开，引发报警），也可进行连续测量。

5）超声波式液位计（图5-2-19）：是由发射头发出超声波脉冲，遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一发射头接收，转换成电信号。超声波脉冲以声速传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与发射头到被测介质表面的距离成正比。

6）导波雷达式液位计（图5-2-20）：其基础是电磁波的时域反射原理。微波脉冲通过金属导波杆传播，当遇到液面的接触面时，由于波导体在气体和液体中的导电性能不同，使波导体的阻抗发生骤然变化，从而产生一个液位原始脉冲。同时在波导体顶部具有一个预先设定的阻抗，该阻抗产生一个可靠的基本脉冲，雷达液位计检测到液面脉冲后与基本脉冲进行比较，从而计算出液面高度。

7）热学法液位计：包括热电式和热磁感应式。热电式的测温元件为一组耐高温的热电偶，它们把金属熔液液面处温度场出现的变化转换为电动势大小的变化；热磁感应式的测温元件为一组热敏磁性元件，把金属熔液液面处温度场出现的变化转换为电抗（电感）大小的变化。

8）射线式液（物）位计（图5-2-21）：是一种放射源装在被测液体的容器内的α、β、γ射线液位计。适用于高温、高压、强腐蚀，以及毒性大、烟雾大等一般仪表不能或难以使用的复杂、恶劣工况下料位的测量。

图5-2-19 超声波式液位计

图5-2-20 导波雷达式液位计

图5-2-21 射线式液位计

6.接近传感器

（1）定义 又称接近开关，当某一物体接近时，即发出控制信号。它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。接近传感器如图5-2-22所示。

1）检测距离：当有物体移向接近开关，并接近到一定程度时，位移传感器才会有“感知”，开关才会动作，把这个距离称为检测距离。

2）响应频率：有时被检测物体是按一定的时间间隔，一个接一个地移向接近开关，又一个接一个地离开，这样不断地重复。这种对检测对象的响应能力称为响应频率。

（2）原理及类型

1）电感式接近传感器：电感式接近传感器是利用导电物体在接近能产生电磁场的接近开关时，使内部产生涡流（涡流效应），这个涡流反作用到接近开关使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。

这种传感器所能检测的物体必须是导电体。

2）电容式接近传感器：这种接近开关构成了电容器的两个极板，当有物体移向接近开关时，使得电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的通或断。

图5-2-22 接近传感器

电容式接近传感器检测的对象不限于导体，可以是绝缘的液体或粉状物等。

3）霍尔式接近传感器：霍尔元件是一种磁敏元件，利用霍尔元件做成的开关类传感器就是霍尔式开关，其工作原理是基于霍尔效应。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。

霍尔式接近传感器的检测对象必须是磁性物体。

4）舌簧式接近传感器：又称磁性开关，当磁性物体接近时舌簧闭合，使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。适用于气动、液压系统，气缸和活塞的位置测定。

这种接近传感器的检测对象必须是磁性物体。

（3）接近传感器的特性

1）非接触式检测，避免了对传感器自身及目标物的磨损及损坏。

2）无触点输出，使用寿命长。

3）对环境要求低，即使在有水或者油污等苛刻环境中也能稳定检测。

4）反应速度快。

5）小型感测头，安装方便灵活。

（4）接近传感器的选用

1）在一般的工业生产场所，通常都选用涡流式接近开关和电容式接近开关，因为这两种接近开关对环境的要求较低。

2）当被测对象是导电物体或可以固定在一块金属物上时，一般都选用涡流式，因为它的响应频率高、抗环境性能好。

3）若所测对象是非金属（或金属）、液位高度、粉状物高度、塑料等，则应选用电容式。这种开关的响应频率低，但稳定性好。

4）若是用在气动、液压，气缸等设备上时，当然选用舌簧接近传感器。

7.光纤传感器

（1）定义 光纤传感器是一种将光纤连接至光电传感器的光源，并可自由安装在狭小空间进行检测的仪器。

（2）工作原理及类型 如图5-2-23所示，光纤由中心纤芯和与其折射率不同的包层构成。如果光射入纤芯，则会在与包层的边界上重复全反射，并不断前进。穿过光纤内部从边缘射出的光约呈60°角扩散，并照射至检测物。

光纤纤芯包括如下类型。

1）塑料型：纤芯由一条或多条直径0.1～1mm丙烯类树脂制作而成，以聚乙烯等包覆，具有重量轻、低成本、不易折断等特点，已成为光纤传感器的主流材料。

2）玻璃型：由10～100μm的玻璃纤维组成，并由不锈钢管包覆，具有使用温度较高（350℃）的特点。

光纤传感器大致分为透过型和反射型2种检测方法。透过型由发射器和接收器2根光纤构成。反射型在外观上能看到1根光纤，但如表5-2-7所示，如果观察边缘，则可分为平行型、同轴型、分割型。

（3）特征

1）不受安装场所的限制，自由度较高。采用灵活柔软的光纤，无论是设备的间隙还是狭小空间均可轻松安装。

2）微小物体检测。传感器头尖端体积十分轻巧，可轻松检测微小物体。

图5-2-23 光纤传感器

表5-2-7 光纤传感器的分类

3）优异的环境耐抗性。光纤内部不会流通电流，可完全不受电磁干扰的影响。如果使用耐热型光纤装置，即使在高温场所也可进行检测。

8.图像传感器

（1）定义 又称感光元件，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛应用在数码相机和其他电子光学设备中，是组成数字摄像头的主要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（电荷耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两大类。

（2）原理及类型

1）CCD：电荷耦合器件（CCD）是一种基于光电转换原理，将被测物体的光像转换为电子图像信号输出的一种大规模集成电路光电器件。该传感器具有体积小、析像度高、灵敏度高、响应速度较低等特点，广泛应用于非接触尺寸测量、图像处理、图文传真和自动控制等领域。

CCD传感器的工作过程：首先由光学系统将被测物体成像在CCD的受光面上，受光面下的许多光敏单元形成了许多像素点。这些像素点将投射到它的光转换成电荷信号并存储；然后在时钟脉冲信号控制下，读取反映光像的电荷信号并顺序输出，从而完成从光图像到电信号的转化过程。图5-2-24所示为CCD传感器的工作示意图。

图5-2-24 CCD图像传感器

图5-2-25 CMOS图像传感器

2）CMOS：金属氧化物半导体元件（CMOS）是近几年发展起来的另一种图像传感器，如图5-2-25所示。CMOS与CCD具有相同的感光元件，具有相同的灵敏度和光谱特性，但光电转换后的信息读取方式不同：CMOS经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。

CMOS图像传感器具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。