前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來(lái)，電子技術(shù)日新月異，計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時(shí)代，各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，相當(dāng)大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。

??? 人是通過(guò)視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等感官來(lái)感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應(yīng)的動(dòng)作，這是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過(guò)人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人總不能利用觸覺(jué)來(lái)感知超過(guò)幾十甚至上千度的溫度吧，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子設(shè)備的幫助。同樣，利用電子儀器特別象計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng)，那么計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦而沒(méi)有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”——即傳感器。

??? 人的五管是功能非常復(fù)雜、靈敏的“傳感器”，例如人的觸覺(jué)是相當(dāng)靈敏的，它可以感知外界物體的溫度、硬度、輕重及外力的大小，還可以具有電子設(shè)備所不具備的“手感”，例如棉織物的手感，液體的粘稠感等。然而人的五官感覺(jué)大多只能對(duì)外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有許多物理量人的五官是感覺(jué)不到的，例如對(duì)磁性就不能感知。視覺(jué)可以感知可見(jiàn)光部分，對(duì)于頻域更加寬的非可見(jiàn)光譜則無(wú)法感覺(jué)得到，象紅外線和紫外線光譜，人類卻是“視而不見(jiàn)”。借助溫度傳感器很容易感知到幾百度到幾千度的溫度，而且要做到1℃的分辨率輕而易舉。同樣借助紅外和紫外線傳感器，便可感知到這些不可見(jiàn)光，所以人類才制造出了具有廣泛用途的紅外夜視儀和X光診斷設(shè)備，這些技術(shù)在軍事、國(guó)防及醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有著極其重要的作用。

??? 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動(dòng)流水生產(chǎn)線，全自動(dòng)加工設(shè)備，許多智能化的檢測(cè)儀器設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們?cè)诤侠砘剡M(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領(lǐng)域，象全自動(dòng)洗衣機(jī)、電飯褒和微波爐都離不開(kāi)傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈博儀、體溫計(jì)、醫(yī)用呼吸機(jī)、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設(shè)備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。這些對(duì)改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國(guó)防領(lǐng)域，各種偵測(cè)設(shè)備，紅外夜視探測(cè)，雷達(dá)跟蹤、武器的精確制導(dǎo)，沒(méi)有傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動(dòng)駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測(cè)都與傳感器緊密相關(guān)。沒(méi)有傳感器，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。

??? 此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開(kāi)發(fā)、生命科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術(shù)已受到各國(guó)的高度重視，并已發(fā)展成為一種專門的技術(shù)學(xué)科。

??? 傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益、科學(xué)研究與生產(chǎn)技術(shù)的水平有著舉足輕重的作用。傳感器技術(shù)水平高低不但直接影響信息技術(shù)水平，而且還影響信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。目前，傳感器技術(shù)已滲透到科學(xué)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究及改善人民生活等方面，起著越來(lái)越大的作用。許多尖端科學(xué)和新興技術(shù)更是需要新型傳感器技術(shù)來(lái)裝備，計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，離不開(kāi)傳感器，新型傳感器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，不但使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入了嶄新時(shí)代，也為傳感器技術(shù)展現(xiàn)了一個(gè)更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。

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溫度傳感器

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)很重要而普遍的測(cè)量參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測(cè)量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占50%。

??? 溫度傳感器是通過(guò)物體隨溫度變化而改變某種特性來(lái)間接測(cè)量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動(dòng)勢(shì)、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會(huì)不斷涌現(xiàn)。

??? 由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度測(cè)量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用。常用的測(cè)溫傳感器的種類與測(cè)溫范圍如下表所示。

??? 溫度傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測(cè)介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進(jìn)行充分的熱交換而達(dá)到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器無(wú)需與被測(cè)介質(zhì)接觸，而是通過(guò)被測(cè)介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅鳎赃_(dá)到測(cè)溫的目的。這一類傳感器主要有紅外測(cè)溫傳感器。這種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)物質(zhì)的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉(zhuǎn)著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。
??? 溫度傳感器的種類較多，我們介紹幾種主要的溫度傳感器及應(yīng)用電路。

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溫度傳感器應(yīng)用電路（一）

PN結(jié)溫度傳感器

???? 工作原理
??? 晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1℃時(shí)，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開(kāi)關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來(lái)做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.2—2秒，靈敏度高。測(cè)溫范圍為-50—+150℃。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號(hào)的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。

???? 應(yīng)用電路(一)
??? 圖（2）是采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)，測(cè)溫范圍-50—150℃，分辨率為0.1℃,在0—100℃范圍內(nèi)精度可達(dá)±1℃。
??? 圖中的R1，R2，D，W1組成測(cè)溫電橋，其輸出信號(hào)接差動(dòng)放大器A1，經(jīng)放大后的信號(hào)輸入0—±2.000V數(shù)字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/℃。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調(diào)節(jié)放大器A1的增益。
??? 通過(guò)PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過(guò)大，以免二極管自身的溫升影響測(cè)量精度。一般工作電流為100—300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復(fù)雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。
??? 精確的電路調(diào)整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0℃的標(biāo)準(zhǔn)，采用恒溫水槽或油槽及標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作為100℃或其它溫度標(biāo)準(zhǔn)。在沒(méi)有恒水槽時(shí)，可用沸水作為100℃的標(biāo)準(zhǔn)（由于各地的氣壓不同，其沸點(diǎn)不一定是100℃，可用0—100℃的水銀溫度計(jì)來(lái)校準(zhǔn)）。

??? 將PN結(jié)傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調(diào)整W1，使DVM顯示為0V，將PN結(jié)傳感器插入沸水中（設(shè)沸水為100℃），調(diào)整W2，使DVM實(shí)現(xiàn)為100.0V，若沸水溫度不是100℃時(shí)，可按照水銀溫度計(jì)上的讀數(shù)調(diào)整W2，使DVM顯示值與水銀溫度計(jì)的數(shù)值相等。再將傳感器插入0℃環(huán)境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時(shí)再調(diào)整W1使之為0V，然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計(jì)計(jì)數(shù)相等，經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)調(diào)整即可。

??? 圖中的DVM是通用3位半數(shù)字電壓表模塊MC14433，可以裝入儀表及控制系統(tǒng)中作顯示器。MC14433的應(yīng)用電路可參考本網(wǎng)站的常用A/D轉(zhuǎn)換器中的技術(shù)手冊(cè)。它的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
??? 基本量程：±1.999V(2V)
??? 線性誤差：該讀數(shù)的0.05%±1字
??? 電源：5—7.5V單電源
??? 平均功耗：300mW
??? 過(guò)量程時(shí)：數(shù)字閃爍
??? DU腳接地時(shí)：數(shù)據(jù)可保持

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溫度傳感器應(yīng)用電路（二）

PN結(jié)溫度傳感器

???? 應(yīng)用電路(二)
??? 下面我們來(lái)看看利用不帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的應(yīng)用電路。

??? 這里我們選用內(nèi)帶一個(gè)模擬比較放大器的AT89C2051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位單片機(jī)，內(nèi)帶2k的Flash程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM,具有15個(gè)I/O口，6個(gè)中斷源，只有20個(gè)引腳，價(jià)格也相當(dāng)便宜，可謂價(jià)廉物美的單片機(jī)。詳細(xì)的資料可參見(jiàn)本網(wǎng)站的“ATMEL單片機(jī)”中的AT89C2051。其中內(nèi)含一個(gè)模擬比較放大器，P1.0是比較放大器的同相輸入端，P1.1是比較放大器的反相輸入端，這兩個(gè)輸入輸出口內(nèi)部并沒(méi)有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6，也沒(méi)有引出，但可用指令訪問(wèn)該引腳。

??? 在該單片機(jī)外接RC元件即可構(gòu)成簡(jiǎn)單的，低精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，電路如圖3所示，P1.0（同相端）接上RC充放電阻和電容，P1.1（反相端）作為外部被測(cè)溫度電壓的輸入端，作為PN結(jié)溫度傳感器，本身輸出電壓較低，可參照上一節(jié)我們給出的放大電路，溫度傳感電壓經(jīng)放大后再引至單片機(jī)的輸入端。P1.2充放電控制端通過(guò)一個(gè)數(shù)kΩ的電阻接正電源Vcc，因?yàn)镽1遠(yuǎn)小于R2，可以認(rèn)為在P1.2輸出邏輯高電平時(shí)，電壓是相當(dāng)接近Vcc高電平的。

??? 電路工作過(guò)程如下：程序開(kāi)始時(shí)，先置P1.2為邏輯低電平，并延時(shí)一小段時(shí)間，使P1.2為低電平，電容C經(jīng)R2放完電，此時(shí)，P1.0=0V，而P1.1>0V,比較放大器輸出“0”電平，接著置P1.2為高電平，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時(shí)，P1.0與P1.1的電位相等，比較放大器的同相端和反相端電平相等時(shí)，輸出端P3.6輸出高電平，當(dāng)掃描查詢到P3.6為高電平時(shí)即停止計(jì)時(shí)，那么只要測(cè)得開(kāi)始對(duì)電容充電到P3.6輸出高電平的時(shí)間，通過(guò)換算即可得到外部被測(cè)溫度電壓的值。

??? 這里需要指出，從圖4中我們可以看到，電容器的充電過(guò)程并非線性，其充電過(guò)程可以描述為：
?
??? 這個(gè)非線性特性，我們?cè)?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/1778/" target="_blank">單片機(jī)編程時(shí)，可以通過(guò)補(bǔ)償和校正的方法加以解決，最常用的方法也是最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)查表的辦法進(jìn)行修正。這樣便可滿足一種低精度簡(jiǎn)易的溫度測(cè)量要求。

電阻應(yīng)變片力傳感器

力學(xué)傳感器是將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，力學(xué)量可分為幾何學(xué)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)量及力學(xué)量三部分，其中幾何學(xué)量指的是位移、形變、尺寸等，運(yùn)動(dòng)學(xué)量是指幾何學(xué)量的時(shí)間函數(shù)，如速度、加速度等。力學(xué)量包括質(zhì)量、力、力矩、壓力、應(yīng)力等。根據(jù)被測(cè)力學(xué)的不同，這里我們首先要介紹的是應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)變式壓力傳感器，在以后的網(wǎng)頁(yè)中，我們將逐步介紹其它類型的力學(xué)傳感器。

??? 力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

??? 在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

???? 金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

??? 如圖1所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過(guò)高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

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???? 電阻應(yīng)變片的工作原理

???? 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

???? 式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）
??????????? S——導(dǎo)體的截面積（cm2）
??????????? L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）

??? 我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。

濕度傳感器

一.大氣的濕度及露點(diǎn)

??? [1].絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度
??? 地球表面的大氣層是由78%的氮?dú)狻?1%的氧氣和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性氣體混合而成的。由于地面上的水和動(dòng)植物會(huì)發(fā)生水份蒸發(fā)現(xiàn)象，因而地面上不斷地在生成水份，使大氣中含有水汽的量在不停地變化。由于水份的蒸發(fā)及凝結(jié)的過(guò)程總是伴隨著吸熱和放熱，因此大氣中的水汽的多少不但會(huì)影響大氣的濕度，而且使空氣出現(xiàn)潮濕或干燥現(xiàn)象。大氣的干濕程度，通常是用大氣中水汽的密度來(lái)表示的。即每1m3大氣所含水汽的克數(shù)來(lái)表示，它稱為大氣的絕對(duì)濕度。

??? 要想直接測(cè)量出大氣的水汽密度，方法比較復(fù)雜。而理論計(jì)算表明，在一般的氣溫條件下，大氣的水汽密度，與大氣中水汽的壓強(qiáng)數(shù)值十分接近。所以大氣的水汽密度又可以規(guī)定為大氣中所含水汽的壓強(qiáng)，又把它稱為大氣的絕對(duì)濕度，用符號(hào)D表示，常用的單位是mmHg。。

??? 在許多與大氣的濕度有關(guān)的現(xiàn)象里，如農(nóng)作物的生長(zhǎng)綿紗的斷頭以及人們的感覺(jué)等等，都與大氣的絕對(duì)濕度沒(méi)有直接的關(guān)系，主要與大氣中的水汽離飽和狀態(tài)的遠(yuǎn)近程度有關(guān)。比如，同樣是6mmHg的絕對(duì)濕度，如果在炎熱的夏季中午，由于離當(dāng)時(shí)的飽和水汽壓（31.38mmHg）尚遠(yuǎn)，使人感到干燥，如果是在初冬的傍晚，由于水汽壓接近當(dāng)時(shí)的飽和水汽壓（18.05mmHg）而使人感到潮濕。因此通常把大氣的絕對(duì)濕度跟當(dāng)時(shí)氣溫下飽和水汽壓的百分偶稱為大氣的相對(duì)濕度，即

??????? 式中H——相對(duì)濕度
??????????? D——大氣的絕對(duì)濕度（mmHg）
??????????? Ds——當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓（mmHg）

??? 上式表明，若大氣中所含水汽的壓強(qiáng)等于當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓時(shí)，這時(shí)大氣的相對(duì)濕度等于100%RH。

??? [1].露點(diǎn)
??? 降低溫度可以使未飽和水汽變成飽和水汽。露點(diǎn)就是指使大氣中原來(lái)所含有的未飽和水汽變成飽和水汽所必須降低的溫度。因此只要能測(cè)出露點(diǎn)，就可以通過(guò)一些數(shù)據(jù)表查得當(dāng)時(shí)大氣的絕對(duì)濕度。

??? 當(dāng)大氣中的未飽和水汽接觸到溫度較低的物體時(shí)，就會(huì)使大氣中的未飽和水汽達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，在這些物體上凝結(jié)成水滴。這種現(xiàn)象被稱為結(jié)露。結(jié)露對(duì)農(nóng)作物有利，但對(duì)電子產(chǎn)品則是有害的。

??? 二.濕敏傳感器的分類

??? 水是一種極強(qiáng)的電解質(zhì)。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場(chǎng)，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無(wú)關(guān)的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。在現(xiàn)代工業(yè)上使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉(zhuǎn)換為阻抗或電容值的變化后輸出，圖1是濕度傳感器的分類示意圖。

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電磁式流量傳感器

一.電磁式流量傳感器的工作原理及使用

??? 導(dǎo)電性的液體在流動(dòng)時(shí)切割磁力線，也會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。因此可應(yīng)用電磁感應(yīng)定律來(lái)測(cè)定流速，電磁流量傳感器就是根據(jù)這一原理制成的。

??? 圖1是電磁式流量傳感器的工作原理圖。在勵(lì)磁線圈通以勵(lì)磁電壓后，絕緣導(dǎo)管便處于磁力線密度為B的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)平均流速為v的導(dǎo)電性液體流經(jīng)絕緣導(dǎo)管時(shí)，那么在導(dǎo)線內(nèi)徑為D的管道壁上設(shè)置的一對(duì)電極中，便會(huì)產(chǎn)生如下式所表示的電動(dòng)勢(shì)e，即

???????式中v——液體的平均流速（m/s）
????????????B——磁場(chǎng)的磁通密度（T）
????????????D——導(dǎo)管的內(nèi)徑（m）

????液體流動(dòng)的容積流量

?? 根據(jù)上式可以看出，容積流量Q與電動(dòng)勢(shì)e成正比。如果我們事先知道導(dǎo)管內(nèi)徑和磁場(chǎng)的磁通密度B，那么就可以通過(guò)對(duì)電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定，求出容積的流量。

??? 雖然電磁流量傳感器的使用條件是要求流體是導(dǎo)電的，但它還是有許多優(yōu)點(diǎn)。

??? (1).沒(méi)有機(jī)械可動(dòng)部分。

??? (2).由于電極的距離正好為導(dǎo)管的內(nèi)徑，因此沒(méi)有妨礙流體流動(dòng)的障礙，壓力損失極小。

??? (3).能夠得到與容積流量成正比的輸出信號(hào)。

??? (4).測(cè)量結(jié)果不受流體粘度的影響。

??? (5).由于電動(dòng)勢(shì)是在包含電極的導(dǎo)管的斷面處作為平均流速測(cè)得的，因此受流速分布影響較小。

??? (6).測(cè)量范圍寬，可以從0.005——190000m3/h。

??? (7).測(cè)量精度高，可達(dá)±0.5%。

??? 使用電磁流量傳感器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
??? [1].由于管道是絕緣體，電流在流體中流動(dòng)很容易受雜波的干擾，因此必須在安裝流量傳感器管道的兩端設(shè)置接地環(huán)，使流體接地。

??? [2].雖然流速對(duì)精度影響不大，為消除這種影響，應(yīng)保證上流道有足夠的直線長(zhǎng)度。

??? [3].使用電磁流量計(jì)時(shí)，必須使管道內(nèi)充滿液體。最好是把管道垂直設(shè)置，讓被測(cè)液體從上至下流動(dòng)。

??? [4].測(cè)定電導(dǎo)率較小的液體時(shí)，由于兩電極間的內(nèi)部阻抗比較高，所以信號(hào)放大器要有100MΩ的輸入阻抗。為保證傳感器正常的工作，液體的電導(dǎo)率必須保證在5s/cm以上。

??? 電磁流量傳感器可以廣泛應(yīng)用于自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、海水、污水、污泥、化學(xué)藥品、食品、礦漿等流體的檢測(cè)。

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渦流流量傳感器

一.渦流流量傳感器的工作原理

??? 當(dāng)在流體中插入棒狀障礙物時(shí)，在其帶側(cè)會(huì)交替產(chǎn)生相互反轉(zhuǎn)的渦流，在流體的下游形成規(guī)則的渦列，如圖4所示，這種渦列就是流體力學(xué)中的“卡門渦旋列”。

??? 發(fā)生渦旋的頻率與流體流量有如下的關(guān)系，即

? 式中f——渦流的頻率
??????????? St——斯托哈爾數(shù)（雷諾數(shù)在某些范圍內(nèi)的一定值）
??????????? v——流體的平均流速
??????????? d——插入物體正對(duì)流向的寬度
??????????? A——流路的斷面積
??????????? Q——流體的流量

??? 上式說(shuō)明，St在一定的范圍內(nèi)，渦流頻率f和流量成正比，因此只要測(cè)定出渦流的頻率，就可得知流體的流量這就是渦流流量傳感器的工作原理。

??? 二.渦流流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

??? 渦流流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)，如圖5所示，流量脊由外殼、渦流發(fā)生器和頻率檢測(cè)元件等組成。渦流發(fā)生器的下端沿樅向自由支撐，上端固定在外殼的孔內(nèi)，通過(guò)密封圈再用壓板予以固定。在渦流發(fā)生器的內(nèi)部裝有壓電元件，用來(lái)通過(guò)體內(nèi)的應(yīng)力變化檢測(cè)出渦流的頻率。圖中的渦流發(fā)生器與流體接觸部分的截面為梯形，這種形狀能使流速與渦流的頻率具有良好的線性。當(dāng)渦流發(fā)生時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生一定的應(yīng)力，這種應(yīng)力經(jīng)壓電元件檢測(cè)后，用電路對(duì)得到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到跟渦流頻率對(duì)應(yīng)的脈沖頻率，最終以模擬電壓的形式輸出。

??? 渦流頻率的檢測(cè)方法有許多種，可利用加熱體的冷卻方法來(lái)檢測(cè)渦流非生產(chǎn)性器周圍和內(nèi)部流體流動(dòng)的周期變化，也可以通過(guò)個(gè)種傳感器檢測(cè)流體振動(dòng)所產(chǎn)生的力的周期變化。

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??? 三.渦流流量傳感器的特性及使用

??? 渦流流量傳感器有以下特征：

??? (1).測(cè)量渦流頻率的檢測(cè)元件，一般都設(shè)置在渦流發(fā)生器的內(nèi)部，與流體隔離，所以渦流流量傳感器可以對(duì)所有的流體進(jìn)行流量檢測(cè)。

??? (2).在流體的通道上設(shè)置的渦流發(fā)生器是固定的，因此傳感器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部分，使傳感器長(zhǎng)期使用的可靠性得到保證。

??? (3).因?yàn)樽璧K流體運(yùn)動(dòng)的只有一根渦流發(fā)生器，所以壓力損失小。

??? (4).傳感器測(cè)量流體的溫度為-40——300℃，流體的最高壓力可達(dá)30MPa。

??? (5).傳感器測(cè)定流速的范圍，液體最大為10m/s，氣體最大為90m/s。

??? 使用渦流流量傳感器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
??? [1].當(dāng)被測(cè)流體的流速偏低時(shí)，流體將產(chǎn)生不穩(wěn)定渦流，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小管道的口徑以提高流速。

??? [2].當(dāng)測(cè)定附著性流體時(shí)，如果渦流發(fā)生器上附著過(guò)多的流體，將會(huì)使測(cè)量誤差增大。

??? [3].傳感器安裝時(shí)，應(yīng)設(shè)置在管道振動(dòng)小的位置，并固定在牢固可靠的支架上。

速度傳感器

單位時(shí)間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度和角速度，與之相對(duì)應(yīng)的就有線速度傳感器和角速度傳感器，我們都統(tǒng)稱為速度傳感器。

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的結(jié)構(gòu)和特征

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器按安裝形式分為接觸式和非接觸式兩類。

??? (1).接觸式

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體直接接觸，這類傳感器的工作原理如圖6所示。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時(shí)，摩擦力帶動(dòng)傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個(gè)脈沖代表著一定的距離值，從而就能測(cè)出線速度V。

設(shè)D為滾輪直徑,單位為MM,滾輪每轉(zhuǎn)輸出πD個(gè)脈沖,則一個(gè)脈沖代表著1MM的距離值.設(shè)在時(shí)間T內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)為N,則線速度V為:

?轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖傳感器產(chǎn)生脈沖的方式由表及里光電、磁電、電感應(yīng)等多種。

??? 每個(gè)脈沖代表的距離（mm）稱為脈沖當(dāng)量。為了計(jì)算方便，脈沖當(dāng)量常設(shè)定為距離mm的整數(shù)倍，這是正確使用傳感器的關(guān)鍵。
??? 接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動(dòng)物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長(zhǎng)。而脈沖數(shù)對(duì)每個(gè)傳感器又是固定的。影響傳感器的測(cè)量精度。要提高測(cè)量精度必須在二次儀表中增加補(bǔ)償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測(cè)量的正確性。因此傳感器使用中必須施加一定的正壓力或著滾輪表面采用摩擦力系數(shù)大的材料，盡可能減小滑差。

??? (2).非接觸式

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動(dòng)物體無(wú)直接接觸，非接觸式測(cè)量原理很多，以下僅介紹兩點(diǎn)，供參考。

??? [1].光電流速傳感器

??? 如圖7所示，葉輪的葉片邊緣貼有反射膜，流體流動(dòng)時(shí)帶動(dòng)葉論旋轉(zhuǎn)，頁(yè)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周光纖傳輸反光一次，產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)。可由檢測(cè)到的脈沖數(shù)，計(jì)算出流速。使脈沖數(shù)與葉輪轉(zhuǎn)速再與流速建立關(guān)系。利用標(biāo)定曲線V=kn+c計(jì)算流速V。其中：k為變換系數(shù)：c為預(yù)置值，n為葉輪轉(zhuǎn)速?？蓪⑷~輪的轉(zhuǎn)速直接換算成流速。

?

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[2].光電風(fēng)速傳感器

??? 圖8示出，風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)后帶動(dòng)凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被徒輪輪番遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號(hào)，經(jīng)計(jì)算可檢測(cè)出風(fēng)速。

??? 非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長(zhǎng)，無(wú)需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離（mm）整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對(duì)比較復(fù)雜。

??? 旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下：
??? (1).傳感器的輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對(duì)測(cè)量電路無(wú)特殊要求。

??? (2).結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機(jī)芯片，使運(yùn)算變換系數(shù)易于獲得，故目前速度傳感器應(yīng)用極為普遍。

電位器式位移傳感器

機(jī)械位移傳感器是用來(lái)測(cè)量位移、距離、位置、尺寸、角度、角位移等幾何量的一種傳感器。根據(jù)傳感器的信號(hào)輸出形式，可以分為模擬和數(shù)字式兩大類，參見(jiàn)圖1所示。機(jī)械位移傳感器根據(jù)被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)形式可細(xì)分為線性位移傳感器和角度位移傳感器。

??? 機(jī)械位移傳感器是應(yīng)用最多的傳感器之一，它在機(jī)械制造工業(yè)和其它工業(yè)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)中占有很重要的地位，在很多領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

??? 第一節(jié) 電位器式傳感器

??? 電位器是人們常用到的一種電子元件，它作為傳感器可以將機(jī)械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化。所以它是一個(gè)機(jī)電傳感元件。電位器的種類繁多，本節(jié)就工業(yè)傳感器用的電位器予以介紹。

??? (1).線繞電位器式傳感器
??? 線繞電位器的電阻體由電阻絲纏繞在絕緣物上構(gòu)成，電阻絲的種類很多，電阻絲的材料是根據(jù)電位器的結(jié)構(gòu)、容納電阻絲的空間、電阻值和溫度系數(shù)來(lái)選擇的。電阻絲越細(xì)，在給定空間內(nèi)越獲得較大的電阻值和分辨率。但電阻絲太細(xì)，在使用過(guò)程中容易斷開(kāi)，影響傳感器的壽命。

??? (2).非線繞電位器式傳感器
??? 為了克服線繞電位器存在的缺點(diǎn)，人們?cè)陔娮璧牟牧霞爸圃旃に嚿舷铝撕芏喙し?，發(fā)展了各種非線繞電位器。

??? [1] 合成膜電位器
??? 合成膜電位器的電阻體是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而成的，這種電位器的優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高、阻范圍很寬（100—4.7MΩ），耐磨性較好、工藝簡(jiǎn)單、成本低、輸入—輸出信號(hào)的線性度較好等，其主要缺點(diǎn)是接觸電阻大、功率不夠大、容易吸潮、噪聲較大等。

??? [2] 金屬膜電位器
??? 金屬膜電位器由合金、金屬或金屬氧化物等材料通過(guò)真空濺射或電鍍方法，沉積在瓷基體上一層薄膜制成。

??? 金屬膜電位器具有無(wú)限的分辨率，接觸電阻很小，耐熱性好，它的滿負(fù)荷溫度可達(dá)70℃。與線繞電位器相比，它的分布電容和分布電感很小，所以特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲信號(hào)僅高于線繞電位器。金屬膜電位器的缺點(diǎn)是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10—100kΩ之間。由于這些缺點(diǎn)限制了它的使用。

??? [3] 導(dǎo)電塑料電位器
??? 導(dǎo)電塑料電位器又稱為有機(jī)實(shí)心電位器，這種電位器的電阻體是由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成。導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)，允許電刷接觸壓力很大，因此它在振動(dòng)、沖擊等惡劣的環(huán)境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率教高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受溫度和濕度的影響，故精度不易做得很高。

??? [4] 導(dǎo)電玻璃釉電位器
??? 導(dǎo)電玻璃釉電位器又稱為金屬陶瓷電位器，它是以合金、金屬化合物或難溶化合物等為導(dǎo)電材料，以玻璃釉為粘合劑，經(jīng)混合燒結(jié)在玻璃基體上制成的。導(dǎo)電玻璃釉電位器的耐高溫性好，耐磨性好，有較寬的阻值范圍，電阻溫度系數(shù)小且抗?jié)裥詮?qiáng)。導(dǎo)電玻璃釉電位器的缺點(diǎn)是接觸電阻變化大，噪聲大，不易保證測(cè)量的高精度。

??? (3).光電電位器式傳感器
??? 光電電位器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷，圖1是這種電位器的結(jié)構(gòu)圖。光電電位器主要是由電阻體、光電導(dǎo)層和導(dǎo)電電極組成。光電電位器的制作過(guò)程是先在基體上沉積一層硫化鎘或硒化鎘的光電導(dǎo)層，然后在光電導(dǎo)層上再沉積一條電阻體和一條導(dǎo)電電極。在電阻體和導(dǎo)電電極之間留有一個(gè)窄的間隙。平時(shí)無(wú)光照時(shí)，電阻體和導(dǎo)電電極之間由于光電導(dǎo)層電阻很大而呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。當(dāng)光束照射在電阻體和導(dǎo)電電極的間隙上時(shí)，由于光電導(dǎo)層被照射部位的亮電阻很小，使電阻體被照射部位和導(dǎo)電電極導(dǎo)通，于是光電電位器的輸出端就有電壓輸出，輸出電壓的大小與光束位移照射到的位置有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了將光束位移轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。

?? 光電電位器最大的優(yōu)點(diǎn)是非接觸型，不存在磨損問(wèn)題，它不會(huì)對(duì)傳感器系統(tǒng)帶來(lái)任何有害的摩擦力矩，從而提高了傳感器的精度、壽命、可靠性及分辨率。光電電位器的缺點(diǎn)是接觸電阻大，線性度差。由于它的輸出阻抗較高，需要配接高輸入阻抗的放大器。盡管光電電位器有著不少的缺點(diǎn)，但由于它的優(yōu)點(diǎn)是其它電位器所無(wú)法比擬的，因此在許多重要場(chǎng)合仍得到應(yīng)用。

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?第二節(jié) 電容式傳感器

??? 以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器進(jìn)行位移測(cè)量。

??? (1).變極距式電容傳感器
???圖2是空氣介質(zhì)變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖中一個(gè)電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應(yīng)變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測(cè)出電容量的變化量⊿C，便可測(cè)得極板間距變化量，即動(dòng)極板的位移量⊿d。

????變極距電容傳感器的初始電容Co可由下式表達(dá)，即 ???? ????式中：ε——真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m） ??????????A——極板面積（m2） ??????????do——極板間距初始距離（m） ????傳感器的這種變化關(guān)系呈非線性，如圖3所示。 ????當(dāng)極板初始距離由do減少⊿d時(shí)，則電容量相應(yīng)增加⊿C，即

???? ????電容相對(duì)變化量⊿C/Co為 ???? ????由于，在實(shí)際使用時(shí)常采用近似線性處理，即

???????? ????此時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)非線性誤差γo為 ???????? ????這種處理的結(jié)果，使得傳感器的相對(duì)非線性誤差增大，如圖4所式。 ????

????為改善這種情況，可采用差動(dòng)變極距式電容傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。它有三個(gè)極板，其中兩個(gè)固定不動(dòng)，只有中間極板可產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)中間活動(dòng)極板處于平衡位置時(shí)，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動(dòng)極板向右移動(dòng)⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對(duì)變化，為 ???????? ????傳感器的相對(duì)非線性誤差γo為 ????????

????????(2).變面積式電容傳感器 ????圖6是變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，它由兩個(gè)電極構(gòu)成，其中一個(gè)為固定極板，另一個(gè)為可動(dòng)極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質(zhì)不變（即電介質(zhì)常數(shù)不變），當(dāng)兩極板完全重疊時(shí)，其電容量為 ????????Co=⊿A/d 當(dāng)動(dòng)極板繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)α角時(shí)，兩極板的對(duì)應(yīng)面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過(guò)諧振電路或其它回路方法檢測(cè)出來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了角位移轉(zhuǎn)換為電量的電測(cè)變換。