1
第二章 传感器的基本类型
和工作原理
程晓舫
中国科学技术大学
工程科学学院
热科学和能源工程系
2
§ 2 传感器的基本类型和工作原理
§ 2.1 概述
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.3 电感式传感器
§ 2.4 电容式传感器
§ 2.5 压电式传感器
§ 2.6 磁电式传感器
§ 2.7 霍尔传感器
§ 2.8 热电式传感器
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.10 传感器阶数和传递函数
3
§ 2.1 概述
传感的定义：将一种物理变量转变成另一种更合适的物理
变量。
? 传感器静态函数,
传感器的要求
? 是 的单调函数,
– 确保在测量范围内输入量和输出量一一对应
? 是 的恒定函数,
– 使环境变化的影响因素降至为零
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4
§ 2.1 概述
更合适的物理变量：电 —— 电测法
– 电测仪表惯性小、无摩擦，适于动态测量
– 易改变量程，故测量范围大
– 可进行数学运算
– 易于集中监测和远距离测量
– 易于与调节、控制设备可靠联系
电测传感器类型
? 能量型
– 直接输出电能：电压、电流
? 参数型
– 改变电路参数：电阻、电感、电容
5
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.1 电位计式
? 电阻定律
A
lR ??
6
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.2 应变式
? 电阻定律
? 体积计算
? 应变（材料力学）
? 密度计算
? 灵敏系数
K0=1.6-3.6
l
l
V
V
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A
A
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7
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.3 热电阻
? 材料的电阻率与温度有关
– 金属的电阻随温度升高而变大
– 半导体的电阻随温度升高而减小
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8
§ 2.2 电阻式传感器
9
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.4电阻式传感器的阶数和传递函数
？阶仪表 传递函数
电位计式 零阶
应 变 式 零阶
热 电 式 零阶
热 电 式 零阶
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§ 2.3 电感式传感器
? L,电感量
? w,线圈匝数
? Rm：总磁阻
?,导磁体磁导率
?,空气隙导率
?,空气隙厚度
? A,空气隙面积
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§ 2.4 电容式传感器
? C,电容量
?,真空介电常数
?,相对介电常数
? A,两电极相对面积
? d,相对电极间隙
d
AC
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12
§ 2.5 压电式传感器
压电效应（ 1880/居里兄
弟 /？）
? 在某些晶体的一定方向
上施加压力或拉力，则
在晶体的一些对应的表
面上分别出现正负电荷。
FKQ p?
?Kp：压电常
数
? F,力
?Q,电荷量
13
§ 2.6 磁电式传感器
直线运动
旋转运动
? W：匝数
? Φ：磁通
? e：感应电动势
? l：线圈导线长度
? B：磁场气隙磁感应强度
? dx/dt：线圈 /磁铁相对运
动线速度
? dθ/dt：线圈 /磁铁相对旋
转角速度
? α：运动方向 /磁感应矢
量之间的夹角
dt
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14
§ 2.6 磁电式传感器
15
§ 2.7 霍尔传感器
霍尔效应（ 1879/霍
尔 /美国）
? 将通电的金属或半导
体置于磁场中会产生
电动势或电阻的改变
? RH：霍尔系数
? I：控制电流
? B：磁感应强度
? d：霍尔元件厚度
? VH：霍尔电势
d
IBRV H
H ?
16
§ 2 传感器的基本类型和工作原理
小结：传感器阶数和传递函数
？阶仪表 传递函数
电感式 零阶
电容式 零阶
压电式 零阶
磁电式 // //
霍尔式 零阶 dIBRV HH ?
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FKQ p?
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17
§ 2 传感器的基本类型和工作原理
§ 2.8 热电式传感器
物理效应
? 塞贝克效应（ 1821/德国）
– 两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，
回路中就有电流和电动势产生。
? 珀尔帖效应（ 1834/？）
– 在接头处分别会出现吸热、放热现象，热量流率与电流成正
比。
? 汤姆逊效应（ 1854/？）
– 电流通过具有一定温度梯度的金属导体，会有一横向热流流
进或流出。
18
§ 2.8 热电式传感器
热电偶基本定律
? 等值定律
– 两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，回路
中就有电流和电动势产生。
? 均匀导线定律
– 同一种金属组成闭合回路，不管截面是否变化，也不管在电路中存
在什么样的温度梯度，电路中都不会产生电动势。
? 中间导线定律
– 当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使热电偶的电动
势发生变化。
? 叠加定律
– 如果金属 A和 B之间的电动势和金属 B和 C之间的电动势都是已
经的，则金属 A和 C之间的电动势也是已知的。
19
§ 2.8 热电式传感器
物理效应
? 塞贝克效应（ 1821/德国）
– 两种不同金属导线组成
一闭合回路，若两接头
处维持一温差，回路中
就有电流和电动势产生。
? 珀尔帖效应（ 1834/？）
– 在接头处分别会出现吸
热、放热现象，热量流
率与电流成正比。
? 汤姆逊效应（ 1854/？）
– 电流通过具有一定温度
梯度的金属导体，会有
一横向热流流进或流出。
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20
§ 2.8 热电式传感器
热电偶基本定律
? 等值定律
– 两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，回路中就
有电流和电动势产生。
? 均匀导线定律
– 同一种金属组成闭合回路，不管截面是否变化，也不管在电路中存在什
么样的温度梯度，电路中都不会产生电动势。
? 中间导线定律
– 当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使热电偶的电动势发
生变化。
? 叠加定律
– 如果金属 A和 B之间的电动势和金属 B和 C之间的电动势都是已经的，则金
属 A和 C之间的电动势也是已知的。
21
§ 2.9 光电式传感器
光电效应
? 外光电效应（ 1887/赫兹 /德国）：光照射固体而从表面逐
出电子。
? 内光电效应：光照射时无电子发射,---
– 光电导效应：电导率发生变化
– 光生伏特效应（ 1839/贝克勒 /法国）：产生电动势
? 光电流效应（ 1927/潘宁）：光致气体放电
22
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.9.1 外光电效应
光电式传感器
实验规律
一定频率的光照射金属阴极时，只要
阴 -阳级之间有足够的加速电压，光电流
正比于光强；
每种金属存在一个发生外光电效应的
最低频率，照射光频率小于最低频率时,
不会逸出光电子；照射光频率大于最低频
率时，不管光多么弱，立即发射光电子；
光电子从表面逸出的初动能与光频率
有线性关系，与入射光强度无关。
爱因斯坦光电方程
h:普朗克常数
ν,光频率
m:电子质量
Φ:功函数
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1 mvh
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各电极之间保持上百伏的电压差，光照射在光电阴极上
时发出的光电子，在电场作用下经加速后轰击次阴极，
如此继续下去，最终效果是：阴极上发射 1个光电子，
阳极上可得到 1000000个电子。
23
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.9.2 内光电效应
光电式传感器
光电导
光照 Φ→ 光生载流子（自由电
子 -空穴对），产生速率为 G
光探测器
光敏电阻
红外光电导探测器
材料
? 硫化镉、硒化镉
? 硫化铅、硒化铅
?
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应用例
1,光电导摄像机
2,高速光开关
3,静电复印
产生速率
量子产率
光能吸收率
光强
普朗克常数
照射光频率
24
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.9.2 内光电效应
光电式传感器
光生伏特
在光照下产生电位差或电动势，
需要一种将正、负载流子在
空间上分离的机制。
丹倍效应（ 1931年）
? 丹倍电位差小
光磁电效应（ 1934年）
? 用来测量半导体中载流
子寿命
PN结光生效应（ 1839年）
? ? lkTeV III ??? 1e x p0
外电路电流
P-N结反向饱和电流
电子电荷
外加电压
玻尔兹曼常数
开尔文温度
光生电流
P-N结面积
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25
§ 2 传感器的基本类型和工作原理
热电 /光电传感器阶数及传递函数
传感器及其函数 阶数 传递函数
热电 //
外光电 零阶
内光电 零阶
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26
§ 2.10 电传感器的直接应用
位移
? 电参数型（电 位计式 /电感式 /电容式）、霍尔式。
温度
? 热电式
辐射
? 光电式
力
? 应变式、压电式
27
§ 2.11 本章小结
简要介绍了电传感器及其数学表达
? 电参数型：电阻、电感、电容
? 能量型：压电、磁电、霍尔、热电、光电
介绍了传感器的阶数
? 零阶型：电阻、电感、电容、压电、霍尔、光电,
? 非零阶型：热电、磁电
介绍了传感器的传递函数
? 常数（线性）型：电位计式、应变式、热电式、电感式、
电容式、压电式、霍尔式、光电式。
? 非常数（非线性）型：热电式、电感式、电容式。
第二章 传感器的基本类型
和工作原理
程晓舫
中国科学技术大学
工程科学学院
热科学和能源工程系
2
§ 2 传感器的基本类型和工作原理
§ 2.1 概述
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.3 电感式传感器
§ 2.4 电容式传感器
§ 2.5 压电式传感器
§ 2.6 磁电式传感器
§ 2.7 霍尔传感器
§ 2.8 热电式传感器
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.10 传感器阶数和传递函数
3
§ 2.1 概述
传感的定义：将一种物理变量转变成另一种更合适的物理
变量。
? 传感器静态函数,
传感器的要求
? 是 的单调函数,
– 确保在测量范围内输入量和输出量一一对应
? 是 的恒定函数,
– 使环境变化的影响因素降至为零
? ?Nxfy,?
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4
§ 2.1 概述
更合适的物理变量：电 —— 电测法
– 电测仪表惯性小、无摩擦，适于动态测量
– 易改变量程，故测量范围大
– 可进行数学运算
– 易于集中监测和远距离测量
– 易于与调节、控制设备可靠联系
电测传感器类型
? 能量型
– 直接输出电能：电压、电流
? 参数型
– 改变电路参数：电阻、电感、电容
5
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.1 电位计式
? 电阻定律
A
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6
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.2 应变式
? 电阻定律
? 体积计算
? 应变（材料力学）
? 密度计算
? 灵敏系数
K0=1.6-3.6
l
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V
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§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.3 热电阻
? 材料的电阻率与温度有关
– 金属的电阻随温度升高而变大
– 半导体的电阻随温度升高而减小
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8
§ 2.2 电阻式传感器
9
§ 2.2 电阻式传感器
§ 2.2.4电阻式传感器的阶数和传递函数
？阶仪表 传递函数
电位计式 零阶
应 变 式 零阶
热 电 式 零阶
热 电 式 零阶
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§ 2.3 电感式传感器
? L,电感量
? w,线圈匝数
? Rm：总磁阻
?,导磁体磁导率
?,空气隙导率
?,空气隙厚度
? A,空气隙面积
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§ 2.4 电容式传感器
? C,电容量
?,真空介电常数
?,相对介电常数
? A,两电极相对面积
? d,相对电极间隙
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§ 2.5 压电式传感器
压电效应（ 1880/居里兄
弟 /？）
? 在某些晶体的一定方向
上施加压力或拉力，则
在晶体的一些对应的表
面上分别出现正负电荷。
FKQ p?
?Kp：压电常
数
? F,力
?Q,电荷量
13
§ 2.6 磁电式传感器
直线运动
旋转运动
? W：匝数
? Φ：磁通
? e：感应电动势
? l：线圈导线长度
? B：磁场气隙磁感应强度
? dx/dt：线圈 /磁铁相对运
动线速度
? dθ/dt：线圈 /磁铁相对旋
转角速度
? α：运动方向 /磁感应矢
量之间的夹角
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§ 2.6 磁电式传感器
15
§ 2.7 霍尔传感器
霍尔效应（ 1879/霍
尔 /美国）
? 将通电的金属或半导
体置于磁场中会产生
电动势或电阻的改变
? RH：霍尔系数
? I：控制电流
? B：磁感应强度
? d：霍尔元件厚度
? VH：霍尔电势
d
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§ 2 传感器的基本类型和工作原理
小结：传感器阶数和传递函数
？阶仪表 传递函数
电感式 零阶
电容式 零阶
压电式 零阶
磁电式 // //
霍尔式 零阶 dIBRV HH ?
?s i ndtdxBle ?
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§ 2 传感器的基本类型和工作原理
§ 2.8 热电式传感器
物理效应
? 塞贝克效应（ 1821/德国）
– 两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，
回路中就有电流和电动势产生。
? 珀尔帖效应（ 1834/？）
– 在接头处分别会出现吸热、放热现象，热量流率与电流成正
比。
? 汤姆逊效应（ 1854/？）
– 电流通过具有一定温度梯度的金属导体，会有一横向热流流
进或流出。
18
§ 2.8 热电式传感器
热电偶基本定律
? 等值定律
– 两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，回路
中就有电流和电动势产生。
? 均匀导线定律
– 同一种金属组成闭合回路，不管截面是否变化，也不管在电路中存
在什么样的温度梯度，电路中都不会产生电动势。
? 中间导线定律
– 当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使热电偶的电动
势发生变化。
? 叠加定律
– 如果金属 A和 B之间的电动势和金属 B和 C之间的电动势都是已
经的，则金属 A和 C之间的电动势也是已知的。
19
§ 2.8 热电式传感器
物理效应
? 塞贝克效应（ 1821/德国）
– 两种不同金属导线组成
一闭合回路，若两接头
处维持一温差，回路中
就有电流和电动势产生。
? 珀尔帖效应（ 1834/？）
– 在接头处分别会出现吸
热、放热现象，热量流
率与电流成正比。
? 汤姆逊效应（ 1854/？）
– 电流通过具有一定温度
梯度的金属导体，会有
一横向热流流进或流出。
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§ 2.8 热电式传感器
热电偶基本定律
? 等值定律
– 两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接头处维持一温差，回路中就
有电流和电动势产生。
? 均匀导线定律
– 同一种金属组成闭合回路，不管截面是否变化，也不管在电路中存在什
么样的温度梯度，电路中都不会产生电动势。
? 中间导线定律
– 当插入第三种金属时，只要两端温度相同，就不会使热电偶的电动势发
生变化。
? 叠加定律
– 如果金属 A和 B之间的电动势和金属 B和 C之间的电动势都是已经的，则金
属 A和 C之间的电动势也是已知的。
21
§ 2.9 光电式传感器
光电效应
? 外光电效应（ 1887/赫兹 /德国）：光照射固体而从表面逐
出电子。
? 内光电效应：光照射时无电子发射,---
– 光电导效应：电导率发生变化
– 光生伏特效应（ 1839/贝克勒 /法国）：产生电动势
? 光电流效应（ 1927/潘宁）：光致气体放电
22
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.9.1 外光电效应
光电式传感器
实验规律
一定频率的光照射金属阴极时，只要
阴 -阳级之间有足够的加速电压，光电流
正比于光强；
每种金属存在一个发生外光电效应的
最低频率，照射光频率小于最低频率时,
不会逸出光电子；照射光频率大于最低频
率时，不管光多么弱，立即发射光电子；
光电子从表面逸出的初动能与光频率
有线性关系，与入射光强度无关。
爱因斯坦光电方程
h:普朗克常数
ν,光频率
m:电子质量
Φ:功函数
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02
1 mvh
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各电极之间保持上百伏的电压差，光照射在光电阴极上
时发出的光电子，在电场作用下经加速后轰击次阴极，
如此继续下去，最终效果是：阴极上发射 1个光电子，
阳极上可得到 1000000个电子。
23
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.9.2 内光电效应
光电式传感器
光电导
光照 Φ→ 光生载流子（自由电
子 -空穴对），产生速率为 G
光探测器
光敏电阻
红外光电导探测器
材料
? 硫化镉、硒化镉
? 硫化铅、硒化铅
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应用例
1,光电导摄像机
2,高速光开关
3,静电复印
产生速率
量子产率
光能吸收率
光强
普朗克常数
照射光频率
24
§ 2.9 光电式传感器
§ 2.9.2 内光电效应
光电式传感器
光生伏特
在光照下产生电位差或电动势，
需要一种将正、负载流子在
空间上分离的机制。
丹倍效应（ 1931年）
? 丹倍电位差小
光磁电效应（ 1934年）
? 用来测量半导体中载流
子寿命
PN结光生效应（ 1839年）
? ? lkTeV III ??? 1e x p0
外电路电流
P-N结反向饱和电流
电子电荷
外加电压
玻尔兹曼常数
开尔文温度
光生电流
P-N结面积
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§ 2 传感器的基本类型和工作原理
热电 /光电传感器阶数及传递函数
传感器及其函数 阶数 传递函数
热电 //
外光电 零阶
内光电 零阶
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§ 2.10 电传感器的直接应用
位移
? 电参数型（电 位计式 /电感式 /电容式）、霍尔式。
温度
? 热电式
辐射
? 光电式
力
? 应变式、压电式
27
§ 2.11 本章小结
简要介绍了电传感器及其数学表达
? 电参数型：电阻、电感、电容
? 能量型：压电、磁电、霍尔、热电、光电
介绍了传感器的阶数
? 零阶型：电阻、电感、电容、压电、霍尔、光电,
? 非零阶型：热电、磁电
介绍了传感器的传递函数
? 常数（线性）型：电位计式、应变式、热电式、电感式、
电容式、压电式、霍尔式、光电式。
? 非常数（非线性）型：热电式、电感式、电容式。
