由于传感器涉及技术领域宽泛，学科交叉复杂，并且关于传感器原理、技术、设计、产品等介绍的书籍也很多，所以本节不再对传感器原理、技术和设计等做详细的介绍，而是从不同角度选择一部分常用的传感器，简要介绍其相关知识。

1.电阻式传感器

电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值的一种器件。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件，下面简要介绍部分电阻式传感器。

图7.3　电阻式位移传感器

（1）电阻应变式传感器

传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，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、薄膜式之分，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

压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

图7.4　硅压阻式压力传感器

（3）热电阻传感器

热电阻传感器主要用于测温，热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化这一特性来进行温度测量的。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，已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻，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，可用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。

图7.5　热电阻温度传感器

2.电容式传感器

电容式传感器把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成，极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中ε为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离。d、S、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

· 极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化；

· 面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移；

· 介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

图7.6　电容式传感器示意图

3.电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。

图7.7　电感式传感器结构图

图中介绍的是自感式传感器。由铁芯和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。

· 变间隙型电感传感器:这种传感器的气隙δ随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。δ一般取在0.1～0.5毫米之间。

· 变面积型电感传感器:这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也很好。

· 螺管插铁型电感传感器:它由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。

4.光敏传感器

光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的种类繁多，主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、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。光敏传感器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应用中占有非常重要的地位。主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。

图7.8　光敏传感器

5.气敏传感器(www.daowen.com)

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用得最多的是半导体气敏传感器。气敏传感器的应用主要有:一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂的检测、呼气中乙醇（酒精）的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

气敏传感器是在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。

图7.9　矿用一氧化碳传感器

图7.10　可燃气体传感器

图7.11　呼吸式酒精检测仪

6.霍尔传感器

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，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。

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。

· 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，输出模拟量。

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

图7.12　霍尔传感器

7.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设备，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，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、距离、振动、速度、方位等物理量的测量。

图7.13　激光传感器

图7.14　谷歌无人车配备激光传感器

8.陀螺仪传感器

陀螺仪是用来固定一个方向的。就像旋转的陀螺放在一个平面上，不论将这个平面如何倾斜，陀螺的中心轴的方向总是会保持不变。陀螺仪的原理是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。

在手机里装陀螺仪传感器，就能凭空固定一个方向，无论手机如果移动，这个方向总是保持不变。例如在一些手机射击游戏中，射击准心就是不变的，然后手机使用者可以通过移动手机位置，来瞄准目标。陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，现在已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上。最先将陀螺仪传感器引入手机的是苹果公司，后续各大手机厂商才纷纷跟进，陀螺仪传感器一定程度上也为苹果的骄人战绩做了赫赫战功。陀螺仪传感器也是现代航空、航海、航天和国防工业应用中的必不可少的控制装置。

图7.15　陀螺仪传感器

9.热红外人体感应器和热释电红外传感器

热红外人体感应器好像一只猫的眼睛，只要人接近到一定的距离，就能开启灯光或打开防盗报警。热红外人体感应器是一种可探测静止人体的红外热释感应器，由透镜，感光元件，感光电路，机械部分和机械控制部分组成。通过机械控制部分和机械部分，带动红外感应部分做微小的左右或圆周运动，移动位置，使感应器和人体之间能形成相对的移动。所以无论人体是移动还是静止，感光元件都可产生极化压差，感光电路发出有人的识别信号，达到探测移动或静止人体的目的。

图7.16　热红外人体感应器

图7.17　热释电红外传感器

由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，这样就可以测出20米范围内人的行动。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为9～10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

10.超声波测距离传感器

超声波测距离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，可应于液位、物位检测，工业过程控制等。

图7.18　超声波测距传感器

图7.19　超声波测距技术在智能停车场的应用