1．现代传感技术的一般原理
在现代传感技术中检测仪表或检测系统的最关键环节是检测元件（包括敏感元件和转换元件），其作用是直接感受被测量，并把被测量转换成另一种信息的物理量，或把敏感元件的输出量进一步转换成其他形式的物理量，以便于信号的传输、处理和显示。
实现上述信息转换的检测元件是基于自然规律的各种定律、法则和效应为基础的，主要有：
①守恒定律 包括质量、能量、力、动量和电荷量等守恒定律。
②场的定律 如各种描述动力场的运动定律、电磁场的感应定律和光的干涉现象等。
③物质定律 描述物质本身的内在性质、固有的物理量，如电阻。
④统计法则 利用统计方法把微观系统与宏观系统联系起来。
⑤基础效应 常见的与检测技术有关的基础效应有：光导效应、光生伏特效应、压阻效应、压电效应、压磁效应、热电效应、霍尔效应等，基于上述效应构成的检测元件的输出量一般是电阻、电压、电流、电荷、感抗等。此外，还有很多物理效应，如约瑟夫逊效应、光弹性效应、应变效应、磁致伸缩效应、多普勒效应、康普顿效应，以及化学效应，如饱和效应、电泳效应、彼得效应，也常常被用于各种参数的检测。
2．机械式检测元件
机械式检测元件是将被测量转换为机械量信号（如位移、振动频率、转角等），主要有弹性式检测元件和振动式检测元件。
（1）弹性式检测元件
弹性元件就是基于弹性变形原理的一种敏感元件。
①弹性元件的基本性能 描述弹性元件性能的主要有弹性特性、滞弹性效应、热弹性效应和固有频率。
弹性特性是指弹性元件的输入量（力、力矩、压力、温度等）与由它引起的输出量（应变、位移或转角）之间的关系。一般用刚度表示，即
，其中
为外力；
为形变。刚度的倒数称弹性元件的灵敏度。
滞弹性效应是指材料在弹性变化范围内同时伴有微塑性变形，使应力和应变之间产生非线性的现象。其表现形式有弹性滞后、弹性后效、应力松弛等。
热弹性效应是指材料的弹性模量，谐振频率及长度等参数随温度变化的现象。
②弹性元件的材料及种类 弹性元件一般应具有良好的机械性能、弹性特性、有很小的滞弹性效应和热弹性特性，还要有良好的化学性能。常见的弹性元件的材料主要有马氏体弥散硬化不锈钢、Ni基弥散硬化恒弹性合金、Nb恒弹性合金、铍青铜等金属合金材料，也有石英晶体、半导体硅材料、陶瓷材料等非金属材料。基于这些弹性材料构成的弹性元件主要有：
弹簧管 由截面为椭圆形或扁圆性的弯曲成一定弧度的空心管（单圈或多圈）所构成，其一端封闭，另一端开口，主要用于压力检测。
波纹管 由金属制成的薄壁管状的弹性元件，可感受管内压力或管外所加集中力而产生高度方向的形变。
膜片 是一种有挠性的薄片，当它受到不平衡力作用后，其中心将沿垂直于膜片的方向移动，两个膜片可以构成膜盒。膜片和膜盒广泛地用于测量压力。
（2）机械式振动检测元件
机械式振动检测元件是较为新型的机械式检测元件，它将被测量的变化转换为谐振元件的固有频率的变化。目前较为常用的有振弦式检测元件和振筒式检测元件。
①振弦式检测 钢弦受外力作用固有频率发生变化，其频率与钢弦所受应力
，钢弦长度
和密度
有关，即
（3.1）
②振筒式检测元件 振筒的振动频率与振筒内壁所受压力
和零压力下的固有频率
有关，即
(3.2）
式中为与振筒的材料、尺寸有关的常数。
3．电阻式检测元件
电阻式检测元件的基本原理是将被测物理量转换成元件的电阻值的变化。常用的检测元件（电阻）有电阻应变元件、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等，其材料有导体和半导体等。
（1）应变式检测元件（电阻应变片）
电阻应变片是基于“应变效应”工作的，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，引起其电阻值的改变。电阻的相对变化量可用下式表示
（3.3）
式中，为材料的轴向应变；
为材料的泊松比；
为材料的电阻率；
为电阻应变灵敏系数。对于大多数金属应变片，电阻的相对变化量主要取决于
；而对于半导体材料，则
起主要作用。
金属丝或金属薄片通过粘结剂或聚合胶固定在绝缘基底上，分别引成丝式或箔式（金属）应变片。
半导体应变片主要有三种类型，体型半导体应变片，薄膜型半导体应变片和扩散型半导体应变片。
在使用时，应变片一般是通过粘合剂粘贴到弹性元件上，应变片随弹性元件因受外力产生应变而感受同样的应变，并转换成应变片的电阻变化。
描述应变片的特性主要有：灵敏系数，绝缘电阻，横向效应，机械滞后，零漂和蠕变等。
（2）热电阻式检测元件
物质的电阻率随温度的变化而变化的特性称为热电阻效应，利用热电阻效应制成的检测元件称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。
①金属热电阻 金属材料的电阻值一般随温度的升高而增大，作为检测元件常用的金属热电阻有铂电阻和铜电阻等。
铂电阻 铂电阻有很好的化学稳定性，且复现性好，可作为基准电阻和标准热电阻，温度测量范围为 -200℃～850℃。工业用的铂电阻的电阻值与温度的关系可以用下式表示：
(3.4)
和 
(3.5)
式中，和
分别为温度在
℃和0℃时铂电阻的电阻值；
1/℃；
1/℃2；
1/℃4。
铜电阻 铜电阻具有电阻温度系数大，易加工，线性好等优点。但易被氧化，其测量范围一般为-50～ 150℃。铜电阻的电阻值和温度之间有以下关系
(3.6)
式中系数1/℃；
1/℃2；
1/℃3
②热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件。根据热敏材料的不同，可制成不同性质的热敏电阻，主要有负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（PTC）热敏电阻和临界温度（CTR）热敏电阻三种。热敏电阻的电阻值高，且电阻温度系数大，化学稳定性好，测温范围在-100～300℃之间。
（3）湿敏电阻
将感湿膜高分子溶液涂在带有电极的基片上构成湿敏电阻，可测相对湿度的范围为1～100%。
（4）气敏电阻
气敏电阻是由某些半导体材料制成，当它与特定气体接触时，其电阻值将发生变化。主要用于检测可燃性气体的含量。常用的材料有SnO2、ZnO、Fe2O3和V2O5等。
4．电容式检测元件
电容式检测元件实际上是一种可变电容器，它能将被测量的变化转换为电容量的变化。设一平行板电容器，当忽略该电容器的边缘效应时，其电容量为：
(3.7)
式中，为极板面积；
为极板间的距离；
为极板间介质的介电常数。
根据其工作原理电容器可分为三种类型：变极距式，变面积式和变介质常数式。
①变极距式电容器 被测量变化引起电容器极板的位移，从而改变极板间的距离，导致电容量
的变化，可推得
(3.8)
②变面积式电容器 被测量变化引起电容器极板相对有效面积改变，使电容量发生变化
，可推得
(3.9)
③变介电常数式电容器 由于电容器板间介电常数的变化，引起电容改变量
为
(3.10)
利用电容式检测元件可测量压力、差压、物位等参数。在构成检测仪表时要注意温度和寄生电容等的影响，并采取必要的补偿和抗干扰措施，以提高测量准确度。
5．热电式检测元件
（1）热电偶检测元件
将两种不同的导体连接成闭合回路，如图3.1所示。将它们的两个接点分别置于温度为
及
的热源中，则在该回路内就会产生热电动势。这种现象称之为热电效应。将两种材料的组合称为热电偶。
热电偶的热电势主要由接触电势产生，所以闭合回路的总电势可表示为
（3.11）
式中 和
分别为 导体
和
的接点在温度
和
时形成的接触电势。由此可见，热电势只与材料的性质和两接点处的温度有关。
热电偶有几个基本定律，即
①均质导体定律 热电势与导体的几何尺寸，接点以外处的温度无关。
②中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相同，则该导体的接入不会改变原热电偶回路的总电势。
③中间温度定律 设在热电偶两接点间有一点C，则存在
（3.12）
由式（3.11）可知，热电偶回路电势同时与两点温度，
有关，所以在使用时
必须保持恒定或进行补偿，使得热电势只与被测温度
有关。
（2）晶体管温度检测元件
晶体二极管的PN结正向电压Vd和晶体三极管的基极发射极间的电压Vbe与温度T有关，利用这个原理可制成晶体管温度检测元件。
6．压电式检测元件
某些材料在沿一定方向受外力作用时，在特定两个相对表面上产生符号相反，数值相等的电荷的现象称正压电效应。电荷量与所受作用力成正比。压电式检测元件就是基于压电效应利用压电材料作为敏感元件来实现参数测量的。
常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷、高分子材料。压电晶体具有稳定性好、响应快、机械强度高的优点；压电陶瓷则具有很高的压电系数，但稳定性和机械强度较差；高分子聚合物压电材料不仅有较高的机械强度，而且有较高的压电灵敏度。
7．光电式检测元件
光电式检测元件是一种将光信号转换为电信号（电阻、电压、电流）的元件，其物理基础是光电效应，即光照射到物质上引起其电特性发生变化的现象。光电效应分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应是指在光线作用下，使其内部电子逸出物体表面的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。物体在光线作用下，其内部的原子释放电子，从而导致物体的电阻率发生变化或产生电动势的现象称为内光电效应。基于该效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。
描述光电器件特性的主要有光谱灵敏度、相对光谱灵敏度、积分灵敏度、光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性等。各种光电器件及其它们的特性如下：
①光敏电阻 光敏电阻是基于内光电效应工作的，光敏电阻一般是由硫化镉、硫化铅、硒化镉等半导体材料制成的，其阻值随光照强度的增加而明显下降。
②光电池 光电池是一种将光能转换为电能的光敏元件。利用光生伏特效应制成的硅光电池是应用最为广泛的一种光电池。光生电势和光生电流随光照度的增加而增大，其中光生电流可在较大的照度范围内保持线性关系。
③光敏晶体管 包含光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管处于反向偏置工作状态，则光生反向饱和电流随入射光照度的变化而成比例的变化，有极好的线性关系。光敏三极管由于电流的放大比光敏二极管有更高的灵敏度。
④光电管 光电管是根据外光电效应制成的，常见的有真空光电管及光电倍增管。光电倍增管由于倍增效应其输出电流比真空光电管大很多，可以用来测量微弱的光信号。
8．磁电式检测元件
磁电式检测元件包括磁电感应式检测元件和霍尔检测元件等。
（1）磁电感应式检测元件
磁电感应式检测元件是利用电磁感应定律，将被测量转变成感应电动势,从而实现参数的测量。根据电磁感应定律，对于一匝数为N的线圈，当穿过该线圈的磁通Φ发生变化时，其感应电动势可表示为
（3.13）
显然电动势取决于磁通变化率，而磁通变化率又由磁场强度、磁路磁阻的变化及线圈的运动速度决定。因此不同的结构可以组成测量不同物理量的磁电感应式检测元件。常见的结构有恒磁阻式和变磁阻式。
磁感应应变式检测元件主要用于振动、速度、转速、扭矩等参数的测量。
（2）霍尔检测元件
霍尔检测元件是一种基于霍尔效应的磁敏式检测元件。它可将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换成霍尔电压。
如图3.2所示的片状半导体材料,垂直放置于磁感应强度为B的磁场中，当有电流通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象叫霍尔效应，该电势称霍尔电势，其大小为
(3.14)
式中，称为霍尔元件的灵敏度。
霍尔元件和其他电路（如放大、施密特触发器等）一起通过集成化制作工艺可制成各种霍尔集成器件。
9．磁弹性式检测元件
磁弹性式检测元件是基于磁致伸缩效应和压磁效应工作的，这两种效应又统称为磁弹性效应。
磁致伸缩效应是指铁磁材料在外磁场作用下其磁化矢量发生转动(或称磁化),而使其形状发生变化(沿磁场方向伸缩)的现象。当铁磁材料因磁化而引起伸缩或受到外部作用力时，它的内部发生应变，进一步会产生应力，从而导致材料的磁导率
发生变化，这种现象称为压磁效应。相对磁导率变化为
(3.15)
式中，λ为磁致伸缩系数；为磁感应强度。
压磁式检测元件简称压磁元件，主要用于力、重量、温度及应力的无损检测等方面。压磁元件具有输出功率大，抗干扰能力强，但测量精度不高、反应速度较慢，易受磁场强度、环境温度等影响。
10．核辐射式检测元件
核辐射式检测元件是利用被测物质对射线的吸收、散射、反射或射线对被测物质的电离作用而工作的，可用来检测厚度、物位、密度、成分等各种参数，实现非接触式测量。核辐射式检测元件主要由放射源、检测器及转换电路组成。
放射源是放射性同位素，其原子核在衰变过程中会释放出射线粒子，常见的有α，β，γ和中子辐射。α射线电离作用最强，而贯穿能力最小，γ射线则贯穿能力强，电离作用小，β射线的贯穿能力和电离作用介于α和γ射线之间。
当射线通过物质时，其强度逐渐减弱，通过厚度为的物质后的辐射强度
可由下式表示
(3.16)
式中为吸收系数，对于α射线吸收主要由于电离作用引起；对于γ射线，
，其中
为光电吸收系数；
为康普顿吸收系数；
为电子对生成吸收系数。
核辐射检测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，常用的检测器有电流电离室和闪烁计数器。通过改变电离室的大小和结构，改变闪烁体，这两种检测器能检测不同的射线。