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传感器的三种分类方法及其工作原理

2021.12.19

传感器常按工作原理、输人信息和应用范围来分类。　　

按工作原理分类　　

传感器按其传感的工作原理不同，大体上可分为物理型、化学型及生物型三大类。

物理传感器

物理传感器是利用某些变换元件的物理性质，以及某些功能材料的特殊物理性能制成的传感器。如利用金属、半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的电阻式传感器；利用磁阻随被测量变化的电感、差动变压器式传感器；利用压电晶体在被测力作用下产生的压电效应而制成的压电式传感器等。特别值得提及的是近年来利用半导体材料的某些特殊性质又制成了多种传感器，如利用半导体材料的压阻效应、光电效应和霍尔效应制成的压敏、光敏和磁敏传感器。　　

在物理传感器中又可分为物性型传感器和结构型传感器。

所谓物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。如利用压电晶体制成的压力传感器，就是利用压电材料本身所具有的正压电效应而实现压力测量的；又例如光敏电阻，则是利用半导体材料对光强的变化使其电导率发生变化的所谓光电导效应而制成的传感器。结构型传感器是以结构（如形状、尺寸等）为基础，利用某些物理规律实现把被测信息转换为电量，例如气隙型电感式传感器，它必须由按规定尺寸制成的铁芯、一定匝数的线圈以及和铁芯有一定间隙的衔铁组成，只有满足这些结构与尺寸上的要求，才能保证在被测量使衔铁与铁芯间间隙变化时使其磁阻变化，从而产生相应的电信号；又例如电动式传感器，它是由一定形状的磁靴和在其间隙中运动的线圈组成，这种结构保证其能在线圈运动时切割磁力线，从而在线圈中感生与被测速度v成对应关系的电动势，该传感器结构如图所示。

可见，结构型传感器虽然也是利用某些物理规律，但必须依靠精密设计的结构予以保证；面物性型传感器则主要依靠材料本身的效应来感受信息，虽然在结构上也有一定的要求，但不像结构型传感器把结构作为感受信息的充分必要条件。　　

值得指出的是，近些年来由于材料科学的飞速发展，物性型传感器的应用越来越广泛，进步也最快，这和其价格低、宜大量生产有关。　　

化学传感器

化学传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子选择性电极，利用这种电极来测量溶液中的pH值或某些离子的活度，如K、Na、Ca等。电极的测量对象虽然不同，但其测量原理却大同小异，主要是利用电极界面（固相）和被测溶液（液相）间的电化学反应，也就是利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生电位差。电位差是和被测离子活度的对数成线性关系的，所以测出其反应过程中的件的功电位差或由其影响的电流值，即表示被测离子的活度，化学传感器的核心部分是离子选择性敏感膜，可分为固体膜和液体膜。玻璃膜、单晶膜和多晶膜属固体膜，而带正、负电荷的载体膜和中性载体膜则属液体膜。　　

近年来，发展最快的是把膜技术和场效应晶体管结合起来而形成的离子选择性电极，它是覆蓝于场效应品体管的栅极上面形成的，这种离子选择性电极不仅可以测量无机溶液，而且还可以测量葡萄糖、气体中的离子和血清中的某些成分。化学传感器广泛应用于化学分析，以及化学工业的在线检测及环保监测。　　

生物传感器

生物传感器也是近年来发展很快的一类传感器。它是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器，生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功转换能识别能力，利用这种单一的识别能力来判断某种物质是否存在，其浓度是多少，进而利用电化学的方法进行电信号的转换。生物传感器主要由两大部分组成，其一为功能识别物质，其作用是对被测物质进行特定识别，这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上，从而形成具有对特定的从低分子到高分子化合物进行识别功能的功能膜。其二是电、光信号转换装置，此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号，其中最常应用的是电极，如氧电极和过氧化氢电极。最近有把功能膜固定在场效应品体管上代替栅－漏极的生物传感器，这样整个体积可做得很小。如果采用光学方法来识别在功能膜上的识别反应，则要靠光强的变化来测量被测物质，如荧光生物传感器等。变换装置直接关系着传感器的灵敏度及线性度。物传感器的最大特点是能在分子水平上识别被测物质，因此它不仅在化学工业的监测上，而且在医学诊断上都有着广阔的应用前景。　　