常用压阻式和热电阻传感器及其特点分析

（1）电阻式传感器

电阻式传感器是将被测量的非电量变化，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等物理量转换式成电阻值的一种变换器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器。

1）电阻应变式传感器。电阻应变式传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式三类。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

2）压阻式传感器。压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。

图2-112 热电阻传感器

用作压阻式传感器基片（或称膜片）的材料主要为硅片和锗片，硅片作为敏感材料制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

3）热电阻传感器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，如图2-112所示。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点，用于测量-200～+500℃范围内的温度。

热电阻传感器分类：

①NTC热电阻传感器。该类传感器为负温度系数传感器，即传感器阻值随温度的升高而减小。

②PTC热电阻传感器。该类传感器为正温度系数传感器，即传感器阻值随温度的升高而增大。

（2）温度传感器

1）温度传感器的测温参数。

测温原理：根据电阻值、热电偶的电势随温度不同发生有规律变化的原理，可以得到所需要测量的温度值。

①热电偶是基于塞贝克效应制成的。它由两种不同的金属A和B连在一起所构成，当温度和不同时，在热电偶的两端将产生温差电动势。电动势的大小取决于温度和的差值，即电动势的大小将会随着温度和差值的增大而增大。

常用的热电偶有铂—铂铑热电偶，镍铬合金—镍铝合金热电偶，铜—康铜热电偶等。

②测温电阻就是利用一些金属（例如，铂、铜、镍等）的电阻率随温度的变化而变化的特性制成的测温电阻器。

③热敏电阻是利用对温度敏感的半导体材料制成的，它具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点。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）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三种类型。按工作方式可分为直热式、旁热式和延迟电路三种。

④PN结温度传感器是利用结电压随温度的变化而变化的原理进行温度测量的。当测温PN结处于正偏电流工作状态时，在一定范围内，正向结压降将随温度的升高而递减。PN结温度传感器具有灵敏度高、体积小、重量轻、响应快、造价低等优点。

2）常用的温度传感器。温度传感器的种类很多，现在经常使用的有热电阻：PT100、PT1000、Cu50、Cu100；热电偶：B、E、J、K、S等。温度传感器不但种类繁多，而且组合形式多样，应根据不同的场合选用合适的产品。

①一体化温度传感器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的传感器。一体化温度传感器一般分为热电阻型和热电偶型两种类型。

热电阻温度传感器是由基准单元、R-U转换单元、线性电路、反接保护单元、限流保护单元、U-I转换单元等组成。测温热电阻信号转换放大后，再由线性电路对温度与电阻的非线性关系进行补偿，经U-I转换电路后输出一个与被测温度呈线性关系的4～20mA的恒流信号。

热电偶温度传感器一般由基准单元、冷端补偿单元、放大单元、线性电路、U-I转换单元、断偶处理单元、反接保护单元、限流保护单元等组成。它是将热电偶产生的热电动势经冷端补偿放大后，再由线性电路消除热电动势与温度的非线性误差，最后放大转换为4～20mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，传感器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接触不良时，传感器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电源。

一体化温度传感器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点。一体化温度传感器的输出为统一的4～20mA电流信号，可与微机系统或其他常规仪表配套使用，也可按用户要求做成防爆型或防火型测量仪表，如图2-113所示。

②室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。室温传感器和管温传感器的形状不同，但温度特性基本一致。

图2-113 温度传感器

按温度特性划分，目前使用的室温管温传感器有两种类型：常数值为4100kΩ±3%，基准电阻为25℃对应电阻10kΩ±3%。温度越高，阻值越小；温度越低，阻值越大。离25℃越远，对应电阻公差范围越大；在0～55℃对应电阻公差约为±7%；而0℃以下及55℃以上，电阻公差会有一定的差别。

③排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度，常数值为3950kΩ±3%，基准电阻为90℃对应电阻5kΩ±3%。

④模块温度传感器用于测量变频模块（IGBT或IPM）的温度，目前用的感温头的型号是602F-3500F，基准电阻为25℃对应电阻6kΩ±1%。几个典型温度的对应阻值分别是：-10℃→（25.897～28.623）kΩ；0℃→（16.3248～17.7164）kΩ；50℃→（2.3262～2.5153）kΩ；90℃→（0.6671～0.7565）kΩ。

⑤无线温度传感器将控制对象的温度参数变成电信号，并对接收终端发送无线信号，对系统实行检测、调节和控制。可直接安装在一般工业热电阻、热电偶的接线盒内，与现场传感元件构成一体化结构。通常和无线中继、接收终端、通信串口、电子计算机等配套使用，这样不仅节省了补偿导线和电缆，还减少了信号传递失真和干扰，从而获得高精度的测量结果。

无线温度传感器广泛应用于化工、冶金、石油、电力、水处理、制药、食品等自动化行业。例如，高压电缆上的温度采集；水下等恶劣环境的温度采集；运动物体上的温度采集；不易连线通过的空间传输传感器数据；单纯为降低布线成本选用的数据采集方案；没有交流电源的工作场合的数据测量；便携式非固定场所数据测量。

（3）霍尔传感器

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。将一载流体置于磁场中静止不动，若此载流体中的电流方向与磁场方向不同，则在此载流体中，平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电动势，此现象叫做霍尔效应，如图2-114所示。

图2-114 霍尔效应

霍尔传感器是利用半导体磁电效应中的霍尔效应制成的磁场传感器，其实物外形如图2-115所示，它将霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上，能够感知与磁有关的物理量，从而输出相应的电信号，制成霍尔集成电路。可进行磁场测量、大直电流测量、可制成无触点开关以及进行位移、速度、转速等物理量的测量。霍尔传感器广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。

图2-115 霍尔传感器(www.xing528.com)

1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，施密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压增大到足以输出较强的信号。若要使霍尔集成电路起传感作用，则需要用机械的方法来改变磁场强度。

例如，采用的工作方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。这样，霍尔集成电路输出电压的变化就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测低转速的运转情况。

（4）液位传感器

1）浮球式液位传感器。浮球式液位传感器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。

一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂浮于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其他标准信号输出。该传感器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。

2）浮筒式液位传感器。浮筒式液位传感器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位传感器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。

3）静压或液位传感器。该传感器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。

（5）光电传感器

在光的作用下，半导体的电性能会发生变化，利用半导体的这种光电特性，可将光信号转变成为电信号。光电传感器根据检测模式可分为反射式光电传感器、透射式光电传感器和聚焦式光电传感器。

1）光敏传感器。光敏传感器是最常见的传感器之一，是基于物质内光电效应而制成的一种光电元器件如图2-116所示。它的种类繁多，主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏晶体管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光敏传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光敏传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术引中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

图2-116 光敏传感器

2）激光传感器。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。

利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度（ZLS-Px）、距离（LDM4x）、振动（ZLDS10X）、速度（LDM30x）、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。

（6）力学传感器

力学传感器可将被测的力学量转换成为电信号。这些力学量包括位移、速度、加速度、重力、压力、扭矩和振动等。

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

（7）位移传感器

位移传感器又称为线性传感器，是把位移转换为电量的传感器。位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，它分为电感式位移传感器、电容式位移传感器、光电式位移传感器、超声波式位移传感器、霍尔式位移传感器。

在这种转换过程中有许多物理量（例如压力、流量、加速度等）常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量，因此位移传感器是一类重要的基本传感器。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种，机械位移包括线位移和角位移。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种，模拟式又可分为物性型（如自发电式）和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统，这种传感器发展迅速，应用日益广泛。

超声波测距传感器采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，采用小角度、小盲区超声波传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点，可应用于液位、物位检测，特有的液位、料位检测方式，可保证在液面有泡沫或大的晃动，不易检测到回波的情况下有稳定的输出，应用于液位、物位、料位检测，工业过程控制等行业。

（8）生物传感器

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜），及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），两者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

生物传感器的原理：待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度。

按照传感器器件检测的原理可分为热敏生物传感器、场效应晶体管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。

按照其感受器中所采用的生命物质可分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。

按照生物敏感物质相互作用的类型可分为亲和型和代谢型两种。

（9）视觉传感器

视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。

在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析。例如，若视觉传感器被设定为辨别正确地插有八颗螺栓的机器部件，则传感器知道应该拒收只有七颗螺栓的部件，或者螺栓未对准的部件。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在360°范围内旋转，视觉传感器都能做出判断。

视觉传感器的低成本和易用性已吸引机器设计师和工艺工程师将其集成入各类曾经依赖人工、多个光电传感器，或根本不检验的应用领域。视觉传感器的工业应用包括检验、计量、测量、定向、瑕疵检测和分拣。

（10）智能传感器

智能传感器的功能是通过模拟人的感官和大脑的协调动作，结合长期以来测试技术的研究和实际经验而提出来的，是一个相对独立的智能单元。它的出现使得对原来硬件性能的苛刻要求有所降低，而靠软件帮助可以使传感器的性能大幅度提高。

1）信息存储和传输。随着全智能集散控制系统（Smart Distributed System）的飞速发展，要求智能单元具备通信功能，用通信网络以数字形式进行双向通信，这也是智能传感器关键标志之一。智能传感器通过测试数据传输或接收指令来实现各项功能。如增益设置、补偿参数设置、内检参数设置、测试数据输出等。

2）自补偿和计算功能。智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿开辟了新的道路，放宽传感器加工精度要求，只要保证传感器的重复性好，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，从而能获得较精确的测量结果压力传感器。

3）自检、自校、自诊断功能。普通传感器需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时具有足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行，对于在线测量传感器出现异常便不能及时诊断。若采用智能传感器，情况则大有改观，首先自诊断功能在电源接通时进行自检，诊断测试以确定组件有无故障。其次根据使用时间可以在线进行校正，微处理器利用存在EPROM内的计量特性数据进行对比校对。

4）复合敏感功能。观察周围的自然现象，常见的信号有声、光、电、热、力、化学等。敏感元件测量一般通过两种方式：直接和间接的测量。而智能传感器具有复合功能，能够同时测量多种物理量和化学量，给出能够较全面反映物质运动规律的信息。