传感器工作原理、组成部分及类型有哪些？

核心的感知部件。

1、 人形机器人中，感知器件至关重要

传感器是人形机器人中核心的感知部件，可以类比做人的感觉器官。传感器是能 够感应各种非电量（如物理量、化学量、生物量），且按照一定的规律转换成便 于传输和处理的另一种物理量（一般为电量）的测量装置或器件。传感器通常由 敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中直接感应被测量的部分， 转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和处理的电信号部分。

2、 敏感元件和转换元件是传感器的重要组成部分

传感器由敏感元件、转换元件及转换电路构成。 敏感元件是指传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分。在完成非电量到电 量的转换过程中，并非所有的非电量都能利用现有手段直接转换成电量，往往需 要先将其变换为另一种易于变成电量的非电量，然后转换成电量。例如，传感器 中各种类型的弹性元件，常被称为弹性敏感元件。 转换元件是指能将感受到的非电量直接转换成电量的器件或元件。例如，光电池 将光的变换量转换为电动势，应变片将应变转换为电阻等。 转换电路是指将无源型传感器输出的电参数量转换成电量。常用的转换电路有电 桥、放大器、振荡器、阻抗变换器、脉冲调宽电路等，它们将电阻、电容、电感 等电参数转换成电压、电流或频率等电量。

3、 传感器的类型多种多样

传感器可以按照输入量、转换原理、输出信号、输入和输出的特征、能量转化方 式、应用范围等多种方式分类。例如，按照输入量，可分为物理量、化学量、生 物量传感器；按照转换原理，可分为结构型、物性型、复合型传感器；按照应用 范围，可分为位置、力、液面、能耗、速度、温度等传感器。

常见的传感器类型

电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，实现电测非电量 的传感器。传感器由在不同的弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成，当被测物 理量作用在弹性元件上时，弹性元件的形变引起应变敏感元件的电阻值变化，通 过转换电路将电阻值的变化转换成电量输出，从而反映被测物理量的大小。电阻 应变式传感器是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛 的传感器之一。 电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元 件，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属 导体（电阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。

电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、箔式应变片、半导体式应变片三类。 电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝。电阻丝是应变片受力后引起电阻 值变化的关键部件，它是一根具有很高电阻率的金属细丝，直径约为 0.01～ 0.05mm。由于电阻丝很细，故要求电阻丝材料具有电阻温度系数小、温度稳定 性良好、电阻率大等特性。 箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造方法不同。它采用 光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。相较于丝式应变片，箔式应变片允许电流大、 柔性好、疲劳寿命长、在大批生产时电阻值离散度小、生产效率更高。 半导体式应变片以半导体单晶硅条作敏感元件。半导体式应变片的工作原理是基 于半导体材料的压阻效应。半导体应变片具有灵敏度高、频率响应范围宽、体积 小、横向效应小等特点，这使其拥有很宽的应用范围。但同时它也具有温度系数 大、灵敏度离散大以及在较大变形下非线性比较严重等缺点。

电容式传感器

电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结 构简单、动态响应快、易于实现非接触测量等突出优点，能够在高温、辐射和强 烈振动等恶劣条件下工作。电容式传感器广泛应用于压力、压差、液位、振动、 位移、加速度、成分含量等物理量的测量中。

常见的电容式传感器可以应用在压力、加速度等的感知上。

电容式压力传感器实质上是位移传感器，当被测压力或压力差作用于膜片并产生 位移时，所形成的两个电容器中一个电容量增大、另一个减小。该电容量的变化 经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化，从而实现了对压 力或压力差的测量。 电容式加速度传感器同样是对位移的感知，当传感器壳体随被测对象沿垂直方向 做加速运动时，质量块由于惯性作用，相对于壳体做相反方向的运动，从而产生 正比于加速度的位移变化。此位移使两个固定极板与两个动极板间的间隙发生变 化：一个增加，另一个减小，从而使上下两个电容产生大小相等、符号相反的变 化。通过一定的测量电路，便可以测量出该加速度的大小。

电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动 等转换成线圈的自感系数 L 或互感系数 M 的变化，再由测量电路转换为电压或 电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。电感式传感器具有结构简 单，工作可靠，测量力小，分辨率高，输出功率大以及测试精度好等优点。但同 时它也具有频率响应较低，不宜用于快速动态测量等缺点。 电感式传感器主要由衔铁、铁芯、线圈三部分构成。传感器测量物理量时衔铁的 运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化。

压电式传感器

压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。某些介质材料在受力作 用下，其表面会有电荷产生。根据这种现象制成的压电式传感器，是一种有源的 双向机电传感器，具有体积小、质量小、工作频带宽等特点。压电元件是一种典 型的力敏元件，能测量最终可变换为力的各种物理量，如压力、加速度、机械冲 击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等许多部门都可见到压电式传感 器的应用。 压电材料可以分为三大类：压电晶体（包括石英晶体和其他单晶体材料等）、压 电陶瓷、新型压电材料（如压电半导体、有机高分子材料等）。

压阻式传感器

压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的传感器。固体受到力的作用后，其电 阻率（或电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。所有的固体材料都有这 个特点，其中以半导体材料最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时， 它的电阻率发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。 压阻式传感器主要用于压力、加速度和载荷等参数的测量，因此分别有压阻式压 力传感器、压阻式加速度传感器和压阻式载荷传感器等。压阻式传感器又分为两 种类型：一类为粘贴型压阻式传感器，它的传感元件是用半导体材料电阻制成的 粘贴式应变片；另一类为扩散型压阻式传感器，它的传感元件是利用集成电路工 艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。

MEMS 传感器

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），即微型机电系统，由尺度上是 微米量级的结构件、可动件、电子元器件及其组合组成。该系统把电子功能、机 械功能、光学功能、智能功能和其他功能融合形成一体。 MEMS 传感器中的核心元件一般包含两类：一个传感器和一个信号传输单元。与 传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于 批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得 它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。