2.4 传感器的应用

2.4.1 力传感器

我们在高速公路的检验站或收费站附近经常可以看到这样的标语“前方进入测重路段，请减速行驶” ，而这时司机并没有将车开到某测量设备上进行测量，只是将速度放慢而已。那么车辆是如何被测量重量的呢？答案其实很简单，交警将一些测重仪器安装在检验站或收费站附近的路段上，当行驶车辆压驶过这些仪器时，仪器就会测出行驶车辆的载重，并将测重数据传给数据中心，以判断该车辆是否超载。这些仪器的核心部件就是压力传感器，如图2-12所示。

力传感器最常用的就是应变片。其工作原理是：将应变片粘贴在装备的受压形变部位，当装备受压后，其形变部位会产生一定的形变，而贴附在其上的应变片也会跟着发生形变。应变片发生形变后会发生阻值的变化，阻值变化又会影响到连接应变片电路的电压或电流的变化（见图2-13），而根据电压或电流变化的大小就可以推算出受到压力的大小，从而得出待测重量。图2-14是日常使用较多的几种力传感器实物图。

力传感器的优点是结构简单，可靠性高，使用方便，价格低廉，读数直观。但也有待改进，如弹性形变不宜过大，否则会产生线性误差等；此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。

力传感器的典型应用有：用于测力或称重的环形测力计、弹簧秤等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于测量温度的双金属片等。

2.4.2 磁电式传感器

在大型场所或会所，人们总是喜欢拿着话筒讲话，以使自己的声音足够洪亮。我们知道话筒会将讲话者的声音信号转换成电流信号传递给扩音器，然后扩音器将电流信号放大，再经扬声器发出放大的声音。那么话筒是如何将声音信号转换成电流信号的呢？这其实用到了磁电式传感器。图2-15是动圈式话筒的内部构造。

动圈式话筒是利用电磁感应现象制成的，当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线（叫做音圈）会随着一起振动。音圈在永久磁铁的磁场里振动，就会产生感应电流（电信），感应电流的大小和方向会不断地变化，变化的振幅和频率由声波决定。

磁电式传感器是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号一种传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是有传感器。由于它输出功率大且性能稳定，具有一定的工作带宽（10～1000Hz），所以得到遍应用。

日常生活中另一个较常见的磁电式传感器的应用是智能验钞机，如图2-16所示。其原理是：在印刷纸币时使用了能感应磁性的特殊磁性油墨，在验钞机的磁场中，放置磁阻元件，则随着纸币的移动磁阻元件的阻值依次发生变化，因而检测这个变化波形就能测定纸币的真伪。纸币的自动读取也基于这个原理。

2.4.3 温度传感器

磁电式传感器的典型应用有：用于振动感测的动铁式振动传感器、圈式振动速度传感器等；用于测量扭矩的磁电式扭矩传感器；用于测量转速的磁电式转速传感器。图2-17是一些常见的磁电式传感器实物图。

电饭锅是现代社会生活中一种必备的厨具，如图2-18所示。因为它操作使用简单，深受现代人的喜爱，几乎是每个家庭的必备品。其简单之处就在于我们只需向锅内添加适量的米和水，它就能自动将饭做好，并具有保温作用。

电饭锅的工作原理也比较简单，就是当饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度就会升高，当温度升至“居里点103℃”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热。图2-19是电饭锅内部结构图。

电饭锅中的核心器件——感温磁体就是温度传感器的一种。温度传感器的另一个应用是温仪，其原理是：金属线和半导体的电阻值会随温度的变化而变化，或加热不同金属线的点时，会产生电动势，因此，通过测定电阻和电动势就可以换算出温度。

温度传感器的典型应用有：用于家电产品中的室内空调、干燥器、电冰箱、微波炉等；用于控制汽车发动机，如测定水温、吸气温度等；用于监控仪器的核心部件，如计算机的CPU等；还有用于检测化工厂的溶液和气体的温度等。图2-20是一些常用的温度传感器。

2.4.4 光传感器

我们在学校或公共场所经常会看到如图2-21（a）所示的装置，即火警报警器装置。当感测到烟雾时，就会发出警报。

火警报警器的工作原理是：在没有发生火灾时，光电三极管收不到LED发出的光，呈现高电阻状态；当发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小。与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报。

光传感器主要有三种类型：用光照射引起阻值变化的光导电体的光导电效应式传感器，面例子中的火警报警器装置应用的就是这种传感器；用光照射产生电动势的二极管或三极的光电动势式传感器；用光照射金属表面就放射电子的光电放射式传感器。图2-22是几种用的光电传感器。

2.4.5 红外线传感器

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76µm；紫光的波长范围为0.38～0.46µm。比紫光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。红外线传感器可以实现远距离探测，并且穿透性较好，能够实现无接触测量。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛。图2-23是红外测温仪。

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器和信号处理、显示输出等部分组成。使用时，光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外辐射能量聚集在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。

红外线传感器除应用于温度测量外，还在航空取景、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器等方面有着广泛的应用。

2.4.6 生物传感器

生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合，对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。图2-24是两种生物传感器的实物图。

生物传感器是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法，也是对物质在分子平上进行快速和微量分析的方法。

生物传感器的工作原理是：待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而生生物学作用，产生的信息如光、热、声等被相应的信号转换器变为可定量和可处理的电号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量浓度。

物传感器典型的应用是在医疗卫生行业，如医院里进行各种生化分析的仪器等。

2.4.7 汽车导航

汽车导航就是使用卫星测量距离，然后将数据存储起来，在显示汽车位置的地图上显示自己汽车目前所在位置的装置，如图2-25所示。为使汽车导航装置正常工作，必须知道汽的行驶方向。为此，就有必要依据地磁传感器、转向角传感器、车辆速度传感器以及定位统（如GPS系统或北斗系统，见图2-26）等来检测方向。地磁传感器利用地磁针原理测得对方位，转向角传感器能正确检测出汽车的角速度。汽车导航系统由两部分组成：一部分安装在汽车上的接收机和显示设备组成；另一部分由计算机控制中心组成，两部分通过定卫星进行联系。