第六章 传感器测量原理

传感器测量原理传感器是现代科技领域中关键的设备之一，广泛应用在各行各业。

传感器的主要功能是将外界的物理量转化成可测量的电信号，并将这些信号传递给控制系统进行处理和分析。

传感器的测量原理是传感器技术的基础，下面将介绍几种常见的传感器测量原理。

一、电阻测量原理电阻测量原理是最常见和简单的测量原理之一。

通过将被测量的物理量转化为与电阻成正比的电信号，从而实现对物理量的测量。

例如，温度传感器就是利用电阻测量原理来测量温度的。

温度传感器内部有一段金属电阻，当温度变化时，电阻的值也会相应变化。

通过测量电阻的变化，就可以得到温度的值。

二、电容测量原理电容测量原理是基于电容器的原理。

电容器是由两个导体之间隔一层绝缘材料构成的。

当被测量物理量作用于绝缘材料时，会改变电容器的电容量。

通过测量电容器的电容变化，就可以得到被测量物理量的值。

例如，湿度传感器就是利用电容测量原理来测量湿度的。

湿度传感器内部的电容器的电容量会随着湿度的变化而变化，通过测量电容器的电容变化，就可以得到湿度的值。

三、光电测量原理光电测量原理是基于光电效应的原理。

光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会释放电子，从而产生电流。

利用光电效应原理，可以将光信号转化成电信号进行测量。

例如，光电传感器就是利用光电测量原理来测量光强度的。

光电传感器通过将光信号转化成电信号，并测量电信号的强度，就可以得到光强度的值。

四、压力测量原理压力测量原理是指通过测量被测介质对传感器产生的压力，从而得到被测介质的压力值。

常见的压力传感器有压阻式传感器和压电式传感器。

压阻式传感器是利用压阻效应，即被测介质对传感器的电阻产生变化，从而测量压力的。

压电式传感器则是利用压电效应，即被测介质对传感器产生压力，产生电荷变化，从而测量压力的。

五、磁敏测量原理磁敏测量原理是基于材料的磁敏效应。

当磁场作用于磁敏材料时，会产生电信号。

利用这种磁敏效应，可以将磁信号转化成电信号进行测量。

例如，磁感应传感器就是利用磁敏测量原理来测量磁场强度的。

当前位置：人教网2010>>高中物理>>学生中心>>同步学习资源>>选修3系列>>选修3-2>>课堂拓展霍尔传感器简介江苏省洪泽中学程如林引言：霍尔效应是新课标高中物理教材（人教版）选修3-1中的一个研究课题，霍尔元件在新课标高中物理教材（人教版）选修3-2第六章“传感器”中也有简略介绍。

课本两处出现此内容，体现了新课标的理念，即关注现代科技、联系生产实际，同时也是为了拓宽学生知识面、增强学生的创新设计能力和激发学生的兴趣。

为了便于大家在教学中了解更为细致的内容，笔者查阅了相关资料，现将有关内容整理出来，供各位同行参考。

摘要：本文简略介绍霍尔传感器的工作原理、分类及其简单应用。

关键词：霍尔效应霍尔元件霍尔传感器分类特性应用霍尔传感器是一种磁传感器。

用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。

霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。

一、霍尔效应霍尔元件霍尔传感器（一）霍尔效应如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U H的霍尔电压，它们之间的关系为。

式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。

上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。

（二）霍尔元件根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

（三）霍尔传感器由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。

传感器测量原理在现代科技的快速发展中，传感器已经成为了许多领域中不可或缺的重要组成部分。

无论是工业生产、交通运输，还是医疗设备、智能手机，都离不开传感器的应用。

那么，传感器到底是什么？它又是如何工作的呢？本文将详细介绍传感器的测量原理，带您进入传感器的神秘世界。

一、传感器的定义与分类传感器是一种能够感知环境中各种物理量或化学量，并将其转化为可测量电信号的装置。

根据测量的物理或化学量的不同，传感器可以分为多种类型，如温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光敏传感器等。

二、传感器测量的基本原理传感器的测量基本原理是通过感知环境中特定物理或化学现象引起的信号变化，进而转化为可测量的电信号。

下面以温度传感器为例，介绍传感器测量的基本原理。

1. 热电效应温度传感器常采用热电偶作为探头，利用在两种不同金属接触处形成的温差引起的电动势变化来测量温度。

当温度升高时，两种金属的热电势差会发生改变，通过测量这个改变，可以得出温度的数值。

2. 热敏电阻热敏电阻是一种随温度变化而改变电阻值的元件。

温度传感器中常使用的是铂电阻，当温度升高时，铂电阻的电阻值会随之增加，利用这一特性来测量温度。

3. 热敏电容热敏电容也是一种根据温度变化来改变电容值的元件。

温度传感器中的热敏电容常由两个金属板构成，当温度升高时，两金属板之间的电容值会发生变化，通过测量电容值的变化来获取温度信息。

三、传感器的工作原理传感器的工作原理可以通过以下几个步骤简单描述：1. 接受信号传感器的接收部分通过感知环境中的物理或化学量，并将其转化为信号输入到传感器的测量部分。

2. 信号转换传感器的测量部分将接收到的信号进行转换，将其转化为可测量的电信号。

这一过程往往需要使用到特定的传感器元件来实现。

3. 信号处理获得电信号后，传感器会对信号进行处理，如放大、滤波等操作，以确保测量结果的准确性和稳定性。

4. 信号输出最后，传感器会将处理后的信号输出给用户，用户可以通过读取这个信号来获取所需的物理或化学量信息。

传感器基本测量原理传感器是一种能够将物理量转化为电信号的设备，它是现代科技中不可或缺的重要组成部分。

在各个领域中，传感器广泛应用于工业控制、环境监测、医疗仪器、汽车等各个方面。

而传感器的基本测量原理，是传感器能够正常工作并准确测量物理量的基础。

传感器的基本测量原理主要包括以下几个方面：1. 压阻效应：压阻传感器是一种常见的传感器类型，它利用材料在受力作用下电阻值发生变化的特性来进行测量。

当物理量施加到传感器上时，传感器内部的材料会产生应变，导致电阻值的变化。

通过测量电阻值的变化，可以得到物理量的大小。

2. 热敏效应：热敏传感器是一种利用材料电阻值随温度变化的特性进行测量的传感器。

当物理量作用于传感器时，会导致传感器温度的变化，进而导致传感器材料的电阻值发生变化。

通过测量电阻值的变化，可以得到物理量的大小。

3. 光敏效应：光敏传感器是一种利用材料对光敏感的特性进行测量的传感器。

当物理量作用于传感器时，会引起传感器材料中电荷的重新分布，从而改变电流或电压的大小。

通过测量电流或电压的变化，可以得到物理量的大小。

4. 电磁感应效应：电磁感应传感器是一种利用电磁感应原理进行测量的传感器。

当物理量作用于传感器时，会改变传感器中的磁场分布，从而引起感应电流或感应电压的变化。

通过测量感应电流或感应电压的变化，可以得到物理量的大小。

5. 声波传播效应：声波传感器是一种利用声波的传播特性进行测量的传感器。

当物理量作用于传感器时，会引起传感器中声波的传播特性发生变化，从而改变声波的传播速度、频率或振幅。

通过测量声波的变化，可以得到物理量的大小。

6. 比例效应：比例传感器是一种通过测量物理量与传感器输出信号之间的比例关系来进行测量的传感器。

当物理量作用于传感器时，会引起传感器输出信号的变化。

通过测量输出信号的变化，可以得到物理量的大小。

7. 化学反应效应：化学传感器是一种利用化学反应原理进行测量的传感器。

当物理量作用于传感器时，会引起传感器中的化学反应发生变化，从而改变化学反应的速率或产物的浓度。

第六章 思考题与习题1、什么是压电效应？答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。

当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。

2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用·当作用在压电元件上的力是静压力（ω=0）时，前置放大器输入电压等于零。

因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。

所以压电传感器不能测量静态物理量。

3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 答：p115 ●补充题：1、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力p=10MPa 作用时，求产生的电荷及输出电压：①零度X 切的纵向石英晶体；②利用纵向效应之BaTiO 3（压电陶瓷）。

已知：S=20 mm 2，δ=10mm ，P=10MPa ， 求：Q=？，V=？ 解：①∵ PS d F d Q 1111== 而：)/(1031.21211N c d -⨯= ∴ c PS d Q 10111062.4-⨯== 又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.85.412-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(8.5797/0V SQ C Q U r a ===εεδ解②∵ PS d F d Q 3333== 而：)/(10901233N c d -⨯= ∴ c PS d Q 833108.3-⨯== 同上：又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.8120012-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(3.1788/0V SQ C Q U r a ===εεδ2、某压电晶体的电容为1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF,求；①压电晶体的电压灵敏度；②测量系统的高频响应③如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率时多少？④如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联方式，电容值是多少？已知：pF C M R pF C N c k pF C i i c q a 5013000/5.21000=Ω====；；；； 求： 解①∵ a q V C k k /= ∴ )/(105.29N V k V ⨯= 解②依据教材p113(6-14)式 ∵ ic a m im V C C Cd F U k ++=∞=33/)(；而：3333//d F F d F Q k q ===∴ )/(1017.68N V C C C k k ic a qV ⨯=++=解③依据教材p113(6-15)式 因： 222)(1)()(i c a i c a C C C R C C C R k +++++=ωωω高频响应时：1)(*=∞=k k而：%5)(**≤-kk k Lωγ 则：%95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中： 解得：Hz f LCL 5.1192==πω 解④因： %5)(**≤-k k k Lωγ 则： %95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：解得：pF C C C C c a 48447=++=3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ,试求该机器的振动加速度。

传感器原理第一章1、测量方法：①根据获得测量值得方法，为直接测量、间接测量、组合测量。

②根据测量方式，偏差式测量、零位式测量与微差式测量.③根据测量条件,等精度测量、不等精度测量④根据被测量变化快慢，静态测量、动态测量⑤根据测量敏感原件就是否与被测介质接触，接触式测量、非接触式测量⑥根据测量系统就是否向被测量施加能量，主动式测量、被动式测量2、直接测量:测得值直接与标准量进行比较间接测量：首先对与被测量有确定函数关系得几个量进行直接测量，将直接测得值带入函数关系式，经过计算得到所需要得结果。

组合测量：被测量必须经过求解联立方程组求得偏差式测量:用仪表指针得位移决定被测量得量值。

零位式测量：用指零仪表得零位反映测量系统得平衡状态，在测量系统平衡时用已知得标准量决定被测量得量值。

微差式测量:将被测量与已知得标准量相比较，获得差值后，再用偏差法测得此差值.等精度测量:在整个测量过程中,若影响与决定误差大小得全部因素始终保持不变，对同一被测量进行多次重复测量。

不等精度测量:在不同得测量条件下,用不同精度得仪表,不同得测量方法,不同得测量次数以及不同得测量者进行测量与对比。

3、测量误差:测量值与被测量得真值之差.①绝对误差:测量结果与真值之差。

②相对误差:绝对误差与被测量之比.③引用误差：绝对误差与量程之比。

④随机误差:在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值与符号以不可预定方式变化得误差.通过增加测量次数减小随机误差对测量结果得影响。

⑤粗大误差：超出规定条件下预期得误差,又称疏忽误差。

第二章1、传感器就是能感受规定得被测量并按照一定得规律转换成可用输出信号得器件或装置。

2、传感器由敏感元件与转换元件组成。

敏感元件就是指传感器中能直接感受或响应被测量得部分。

转换元件就是指传感器中能将敏感元件感受或响应得被测量转换成适于传输或测量得电信号部分.3、传感器得基本特性:静态特性与动态特性。

静态特性就是指被测量得值处于稳定状态时得输出与输入得关系。