1．現(xiàn)代傳感技術(shù)的一般原理
在現(xiàn)代傳感技術(shù)中檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是檢測(cè)元件（包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件），其作用是直接感受被測(cè)量，并把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成另一種信息的物理量，或把敏感元件的輸出量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成其他形式的物理量，以便于信號(hào)的傳輸、處理和顯示。
實(shí)現(xiàn)上述信息轉(zhuǎn)換的檢測(cè)元件是基于自然規(guī)律的各種定律、法則和效應(yīng)為基礎(chǔ)的，主要有：
①守恒定律 包括質(zhì)量、能量、力、動(dòng)量和電荷量等守恒定律。
②場(chǎng)的定律 如各種描述動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律、電磁場(chǎng)的感應(yīng)定律和光的干涉現(xiàn)象等。
③物質(zhì)定律 描述物質(zhì)本身的內(nèi)在性質(zhì)、固有的物理量，如電阻。
④統(tǒng)計(jì)法則 利用統(tǒng)計(jì)方法把微觀系統(tǒng)與宏觀系統(tǒng)聯(lián)系起來。
⑤基礎(chǔ)效應(yīng) 常見的與檢測(cè)技術(shù)有關(guān)的基礎(chǔ)效應(yīng)有：光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)、壓磁效應(yīng)、熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等，基于上述效應(yīng)構(gòu)成的檢測(cè)元件的輸出量一般是電阻、電壓、電流、電荷、感抗等。此外，還有很多物理效應(yīng)，如約瑟夫遜效應(yīng)、光彈性效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、康普頓效應(yīng)，以及化學(xué)效應(yīng)，如飽和效應(yīng)、電泳效應(yīng)、彼得效應(yīng)，也常常被用于各種參數(shù)的檢測(cè)。
2．機(jī)械式檢測(cè)元件
機(jī)械式檢測(cè)元件是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械量信號(hào)（如位移、振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)角等），主要有彈性式檢測(cè)元件和振動(dòng)式檢測(cè)元件。
（1）彈性式檢測(cè)元件
彈性元件就是基于彈性變形原理的一種敏感元件。
①彈性元件的基本性能 描述彈性元件性能的主要有彈性特性、滯彈性效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)和固有頻率。
彈性特性是指彈性元件的輸入量（力、力矩、壓力、溫度等）與由它引起的輸出量（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系。一般用剛度表示，即
，其中
為外力；
為形變。剛度的倒數(shù)稱彈性元件的靈敏度。
滯彈性效應(yīng)是指材料在彈性變化范圍內(nèi)同時(shí)伴有微塑性變形，使應(yīng)力和應(yīng)變之間產(chǎn)生非線性的現(xiàn)象。其表現(xiàn)形式有彈性滯后、彈性后效、應(yīng)力松弛等。
熱彈性效應(yīng)是指材料的彈性模量，諧振頻率及長(zhǎng)度等參數(shù)隨溫度變化的現(xiàn)象。
②彈性元件的材料及種類 彈性元件一般應(yīng)具有良好的機(jī)械性能、彈性特性、有很小的滯彈性效應(yīng)和熱彈性特性，還要有良好的化學(xué)性能。常見的彈性元件的材料主要有馬氏體彌散硬化不銹鋼、Ni基彌散硬化恒彈性合金、Nb恒彈性合金、鈹青銅等金屬合金材料，也有石英晶體、半導(dǎo)體硅材料、陶瓷材料等非金屬材料?；谶@些彈性材料構(gòu)成的彈性元件主要有：
彈簧管 由截面為橢圓形或扁圓性的彎曲成一定弧度的空心管（單圈或多圈）所構(gòu)成，其一端封閉，另一端開口，主要用于壓力檢測(cè)。
波紋管 由金屬制成的薄壁管狀的彈性元件，可感受管內(nèi)壓力或管外所加集中力而產(chǎn)生高度方向的形變。
膜片 是一種有撓性的薄片，當(dāng)它受到不平衡力作用后，其中心將沿垂直于膜片的方向移動(dòng)，兩個(gè)膜片可以構(gòu)成膜盒。膜片和膜盒廣泛地用于測(cè)量壓力。
（2）機(jī)械式振動(dòng)檢測(cè)元件
機(jī)械式振動(dòng)檢測(cè)元件是較為新型的機(jī)械式檢測(cè)元件，它將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為諧振元件的固有頻率的變化。目前較為常用的有振弦式檢測(cè)元件和振筒式檢測(cè)元件。
①振弦式檢測(cè) 鋼弦受外力作用固有頻率發(fā)生變化，其頻率與鋼弦所受應(yīng)力
，鋼弦長(zhǎng)度
和密度
有關(guān)，即
（3.1）
②振筒式檢測(cè)元件 振筒的振動(dòng)頻率與振筒內(nèi)壁所受壓力
和零壓力下的固有頻率
有關(guān)，即
(3.2）
式中為與振筒的材料、尺寸有關(guān)的常數(shù)。
3．電阻式檢測(cè)元件
電阻式檢測(cè)元件的基本原理是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成元件的電阻值的變化。常用的檢測(cè)元件（電阻）有電阻應(yīng)變?cè)?、熱電阻、濕敏電阻和氣敏電阻等，其材料有?dǎo)體和半導(dǎo)體等。
（1）應(yīng)變式檢測(cè)元件（電阻應(yīng)變片）
電阻應(yīng)變片是基于“應(yīng)變效應(yīng)”工作的，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，引起其電阻值的改變。電阻的相對(duì)變化量可用下式表示
（3.3）
式中，為材料的軸向應(yīng)變；
為材料的泊松比；
為材料的電阻率；
為電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)。對(duì)于大多數(shù)金屬應(yīng)變片，電阻的相對(duì)變化量主要取決于
；而對(duì)于半導(dǎo)體材料，則
起主要作用。
金屬絲或金屬薄片通過粘結(jié)劑或聚合膠固定在絕緣基底上，分別引成絲式或箔式（金屬）應(yīng)變片。
半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有三種類型，體型半導(dǎo)體應(yīng)變片，薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片和擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。
在使用時(shí)，應(yīng)變片一般是通過粘合劑粘貼到彈性元件上，應(yīng)變片隨彈性元件因受外力產(chǎn)生應(yīng)變而感受同樣的應(yīng)變，并轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片的電阻變化。
描述應(yīng)變片的特性主要有：靈敏系數(shù)，絕緣電阻，橫向效應(yīng)，機(jī)械滯后，零漂和蠕變等。
（2）熱電阻式檢測(cè)元件
物質(zhì)的電阻率隨溫度的變化而變化的特性稱為熱電阻效應(yīng)，利用熱電阻效應(yīng)制成的檢測(cè)元件稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩大類。
①金屬熱電阻 金屬材料的電阻值一般隨溫度的升高而增大，作為檢測(cè)元件常用的金屬熱電阻有鉑電阻和銅電阻等。
鉑電阻 鉑電阻有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，且復(fù)現(xiàn)性好，可作為基準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)熱電阻，溫度測(cè)量范圍為 -200℃～850℃。工業(yè)用的鉑電阻的電阻值與溫度的關(guān)系可以用下式表示：
(3.4)
和 
(3.5)
式中，和
分別為溫度在
℃和0℃時(shí)鉑電阻的電阻值；
1/℃；
1/℃2；
1/℃4。
銅電阻 銅電阻具有電阻溫度系數(shù)大，易加工，線性好等優(yōu)點(diǎn)。但易被氧化，其測(cè)量范圍一般為-50～ 150℃。銅電阻的電阻值和溫度之間有以下關(guān)系
(3.6)
式中系數(shù)1/℃；
1/℃2；
1/℃3
②熱敏電阻 熱敏電阻是由金屬氧化物或半導(dǎo)體材料制成的熱敏元件。根據(jù)熱敏材料的不同，可制成不同性質(zhì)的熱敏電阻，主要有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和臨界溫度（CTR）熱敏電阻三種。熱敏電阻的電阻值高，且電阻溫度系數(shù)大，化學(xué)穩(wěn)定性好，測(cè)溫范圍在-100～300℃之間。
（3）濕敏電阻
將感濕膜高分子溶液涂在帶有電極的基片上構(gòu)成濕敏電阻，可測(cè)相對(duì)濕度的范圍為1～100%。
（4）氣敏電阻
氣敏電阻是由某些半導(dǎo)體材料制成，當(dāng)它與特定氣體接觸時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化。主要用于檢測(cè)可燃性氣體的含量。常用的材料有SnO2、ZnO、Fe2O3和V2O5等。
4．電容式檢測(cè)元件
電容式檢測(cè)元件實(shí)際上是一種可變電容器，它能將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。設(shè)一平行板電容器，當(dāng)忽略該電容器的邊緣效應(yīng)時(shí)，其電容量為：
(3.7)
式中，為極板面積；
為極板間的距離；
為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。
根據(jù)其工作原理電容器可分為三種類型：變極距式，變面積式和變介質(zhì)常數(shù)式。
①變極距式電容器 被測(cè)量變化引起電容器極板的位移，從而改變極板間的距離，導(dǎo)致電容量
的變化，可推得
(3.8)
②變面積式電容器 被測(cè)量變化引起電容器極板相對(duì)有效面積改變，使電容量發(fā)生變化
，可推得
(3.9)
③變介電常數(shù)式電容器 由于電容器板間介電常數(shù)的變化，引起電容改變量
為
(3.10)
利用電容式檢測(cè)元件可測(cè)量壓力、差壓、物位等參數(shù)。在構(gòu)成檢測(cè)儀表時(shí)要注意溫度和寄生電容等的影響，并采取必要的補(bǔ)償和抗干擾措施，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
5．熱電式檢測(cè)元件
（1）熱電偶檢測(cè)元件
將兩種不同的導(dǎo)體連接成閉合回路，如圖3.1所示。將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度為
及
的熱源中，則在該回路內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng)。將兩種材料的組合稱為熱電偶。
熱電偶的熱電勢(shì)主要由接觸電勢(shì)產(chǎn)生，所以閉合回路的總電勢(shì)可表示為
（3.11）
式中 和
分別為 導(dǎo)體
和
的接點(diǎn)在溫度
和
時(shí)形成的接觸電勢(shì)。由此可見，熱電勢(shì)只與材料的性質(zhì)和兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān)。
熱電偶有幾個(gè)基本定律，即
①均質(zhì)導(dǎo)體定律 熱電勢(shì)與導(dǎo)體的幾何尺寸，接點(diǎn)以外處的溫度無關(guān)。
②中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端溫度相同，則該導(dǎo)體的接入不會(huì)改變?cè)瓱犭娕蓟芈返目傠妱?shì)。
③中間溫度定律 設(shè)在熱電偶兩接點(diǎn)間有一點(diǎn)C，則存在
（3.12）
由式（3.11）可知，熱電偶回路電勢(shì)同時(shí)與兩點(diǎn)溫度，
有關(guān)，所以在使用時(shí)
必須保持恒定或進(jìn)行補(bǔ)償，使得熱電勢(shì)只與被測(cè)溫度
有關(guān)。
（2）晶體管溫度檢測(cè)元件
晶體二極管的PN結(jié)正向電壓Vd和晶體三極管的基極發(fā)射極間的電壓Vbe與溫度T有關(guān)，利用這個(gè)原理可制成晶體管溫度檢測(cè)元件。
6．壓電式檢測(cè)元件
某些材料在沿一定方向受外力作用時(shí)，在特定兩個(gè)相對(duì)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反，數(shù)值相等的電荷的現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。電荷量與所受作用力成正比。壓電式檢測(cè)元件就是基于壓電效應(yīng)利用壓電材料作為敏感元件來實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量的。
常用的壓電材料有壓電晶體、壓電陶瓷、高分子材料。壓電晶體具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；壓電陶瓷則具有很高的壓電系數(shù)，但穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度較差；高分子聚合物壓電材料不僅有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且有較高的壓電靈敏度。
7．光電式檢測(cè)元件
光電式檢測(cè)元件是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電阻、電壓、電流）的元件，其物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即光照射到物質(zhì)上引起其電特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。
外光電效應(yīng)是指在光線作用下，使其內(nèi)部電子逸出物體表面的現(xiàn)象?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。物體在光線作用下，其內(nèi)部的原子釋放電子，從而導(dǎo)致物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。
描述光電器件特性的主要有光譜靈敏度、相對(duì)光譜靈敏度、積分靈敏度、光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性等。各種光電器件及其它們的特性如下：
①光敏電阻 光敏電阻是基于內(nèi)光電效應(yīng)工作的，光敏電阻一般是由硫化鎘、硫化鉛、硒化鎘等半導(dǎo)體材料制成的，其阻值隨光照強(qiáng)度的增加而明顯下降。
②光電池 光電池是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的光敏元件。利用光生伏特效應(yīng)制成的硅光電池是應(yīng)用最為廣泛的一種光電池。光生電勢(shì)和光生電流隨光照度的增加而增大，其中光生電流可在較大的照度范圍內(nèi)保持線性關(guān)系。
③光敏晶體管 包含光敏二極管和光敏三極管。光敏二極管處于反向偏置工作狀態(tài)，則光生反向飽和電流隨入射光照度的變化而成比例的變化，有極好的線性關(guān)系。光敏三極管由于電流的放大比光敏二極管有更高的靈敏度。
④光電管 光電管是根據(jù)外光電效應(yīng)制成的，常見的有真空光電管及光電倍增管。光電倍增管由于倍增效應(yīng)其輸出電流比真空光電管大很多，可以用來測(cè)量微弱的光信號(hào)。
8．磁電式檢測(cè)元件
磁電式檢測(cè)元件包括磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件和霍爾檢測(cè)元件等。
（1）磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件
磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件是利用電磁感應(yīng)定律，將被測(cè)量轉(zhuǎn)變成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的測(cè)量。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，對(duì)于一匝數(shù)為N的線圈，當(dāng)穿過該線圈的磁通Φ發(fā)生變化時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可表示為
（3.13）
顯然電動(dòng)勢(shì)取決于磁通變化率，而磁通變化率又由磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻的變化及線圈的運(yùn)動(dòng)速度決定。因此不同的結(jié)構(gòu)可以組成測(cè)量不同物理量的磁電感應(yīng)式檢測(cè)元件。常見的結(jié)構(gòu)有恒磁阻式和變磁阻式。
磁感應(yīng)應(yīng)變式檢測(cè)元件主要用于振動(dòng)、速度、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的測(cè)量。
（2）霍爾檢測(cè)元件
霍爾檢測(cè)元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁敏式檢測(cè)元件。它可將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成霍爾電壓。
如圖3.2所示的片狀半導(dǎo)體材料,垂直放置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流通過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，其大小為
(3.14)
式中，稱為霍爾元件的靈敏度。
霍爾元件和其他電路（如放大、施密特觸發(fā)器等）一起通過集成化制作工藝可制成各種霍爾集成器件。
9．磁彈性式檢測(cè)元件
磁彈性式檢測(cè)元件是基于磁致伸縮效應(yīng)和壓磁效應(yīng)工作的，這兩種效應(yīng)又統(tǒng)稱為磁彈性效應(yīng)。
磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料在外磁場(chǎng)作用下其磁化矢量發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(或稱磁化),而使其形狀發(fā)生變化(沿磁場(chǎng)方向伸縮)的現(xiàn)象。當(dāng)鐵磁材料因磁化而引起伸縮或受到外部作用力時(shí)，它的內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變，進(jìn)一步會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致材料的磁導(dǎo)率
發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。相對(duì)磁導(dǎo)率變化為
(3.15)
式中，λ為磁致伸縮系數(shù)；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。
壓磁式檢測(cè)元件簡(jiǎn)稱壓磁元件，主要用于力、重量、溫度及應(yīng)力的無損檢測(cè)等方面。壓磁元件具有輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，但測(cè)量精度不高、反應(yīng)速度較慢，易受磁場(chǎng)強(qiáng)度、環(huán)境溫度等影響。
10．核輻射式檢測(cè)元件
核輻射式檢測(cè)元件是利用被測(cè)物質(zhì)對(duì)射線的吸收、散射、反射或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離作用而工作的，可用來檢測(cè)厚度、物位、密度、成分等各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。核輻射式檢測(cè)元件主要由放射源、檢測(cè)器及轉(zhuǎn)換電路組成。
放射源是放射性同位素，其原子核在衰變過程中會(huì)釋放出射線粒子，常見的有α，β，γ和中子輻射。α射線電離作用最強(qiáng)，而貫穿能力最小，γ射線則貫穿能力強(qiáng)，電離作用小，β射線的貫穿能力和電離作用介于α和γ射線之間。
當(dāng)射線通過物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度逐漸減弱，通過厚度為的物質(zhì)后的輻射強(qiáng)度
可由下式表示
(3.16)
式中為吸收系數(shù)，對(duì)于α射線吸收主要由于電離作用引起；對(duì)于γ射線，
，其中
為光電吸收系數(shù)；
為康普頓吸收系數(shù)；
為電子對(duì)生成吸收系數(shù)。
核輻射檢測(cè)器的作用是將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，常用的檢測(cè)器有電流電離室和閃爍計(jì)數(shù)器。通過改變電離室的大小和結(jié)構(gòu)，改變閃爍體，這兩種檢測(cè)器能檢測(cè)不同的射線。