一、力敏传感器
力敏传感器主要应用在测力和称重方面，电阻应变片式测力传感器使用量几乎占测力传感器的70％。
1856年，19世纪英国卓绝的物理学家开尔文在铺设横过大西洋海底电缆时，发现电缆张力对电缆的电阻值发生影响，这就是金属材料应变现象的电阻效应，这主要是由导体几何形状改变所引起电阻值的变化。1938年，这种应变现象得到应用，发明了金属电阻应变片及测力仪器。
金属应变片由敏感栅、基底、盖片和引线组成，构造见图1。敏感栅做成栅状，对沿着栅条纵轴方向的应力变化最敏感，粘接在胶质膜基底上，上面粘有盖片，基底和盖片起着保护敏感栅和传递弹性体表面应变和电气绝缘的作用。金属应变片不能直接测力，需要用聚丙烯酸酯等有机粘合剂或者耐高温的磷酸盐等粘贴在弹性元件受力表面，用来传感试件表面应力的变化。
电子秤是一种将重量转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅能快速、准确地秤出商品的重量，用数码显示出来，而且具有计算器的功能，使用起来更加方便。
电子秤由传力机构、传感器、测量显示和电源组成。传力机构是将被秤重物的重力传递到称重传感器，本实验由透明塑料杯制作成“吊斗”等组成。秤重传感器由刮胡刀片、电阻应变片和连接导线等组成。应变片选用如图1所示的金属箔式应变片，标称电阻值为120Ω，两条金属引出线分别套上细塑料套管后，用502胶水把两片应变片分别粘贴在刮胡刀片（1/2片）正、反面中心位置上，敏感栅的纵轴与刀片纵向一致。测量显示包括桥式测量电路和数字毫伏（或微安电流）面板表显示器组成。由于电阻应变片工作时电阻变化范围很小，相对变化量仅为±0.1％，常用桥式电路来测量这微小的电阻值变化。
图2为模拟电子秤电桥测量实验电路，左边相邻臂R1、R3分别为刮胡刀片上、下面粘贴的金属应变片，当刮胡刀片在向下拉力作用下产生弯曲应力时，凸面粘贴的应变片被拉长（拉应变），电阻值增加，凹面应变片则被压缩（压应变）而电阻值减少，这种应变片使用方法不仅使电桥输出电压增加一倍，还具有温度补偿作用。电桥测量电路右边的两个相邻臂分别为电阻器R2和电桥平衡零点调节电路，后者由电阻器R4、R5、R6和零点调节电位器RP2混联而成，调节RP2时，其等效电阻值变化范围减小到130～160Ω，可以实现电桥平衡精密调节。电桥检测部分由数字微安面板表PA（量程199.9μA）和灵敏度调节电位器RP1串联而成。电桥电路采用直流电源GB供电，电压为3V，电桥输出小于9mV时，传感器秤重线性良好。
实验电子秤电路操作如下：用铁架台上的烧瓶夹固定住刮胡刀片传感头根部及上面的引线，另一端悬空，吊挂好棉纱线的“吊斗”。接通电源GB稳定一段时间后，先将灵敏度调节电位器RP1的电阻值调至最小，此时电桥检测灵敏度最高，再仔细调节零点电位器RP2，使检测面板表PA读数恰好为零，电桥平衡。在“吊斗”中轻轻放入20g砝码，调节灵敏度电位器RP1，使面板表读数为一个整数值，例如2.0μA，灵敏度标定为0.1μA/g。最后，检测电子秤称量的线性，在“吊斗”内继续放入多个20g砝码，检测面板表分别显示4.0、6.0、8.0μA，说明传感器测力线性好。如果电子秤实验电路灵敏度达不到0.1μA/g，可将电桥供电电压提升到6V，灵敏度倍增。
1954年，发现半导体材料的压阻效应，即单晶硅材料受应力作用时电阻率发生显著变化的现象，相对电阻值变化比金属应变片高出上百倍。随着半导体电子器件的发展，出现了集成化、数字化、智能化的微型压阻效应的传感器，制成可以戴在手腕上的电子血压计，不仅能够方便、快捷、准确地测量血压，还能同时测量脉搏数和具有存储功能，甚至制成在心脏内用的血压传感器，其尺寸只有1mm×2mm。电阻应变式传感器具有测量精度高、动态响应好、使用简单和体积小等优点，除用作重量传感器外，还用于应变、位移、压力、振动、加速度、流速、粘度传感器等。
1880年，法国人P·居里和J·居里兄弟发现石英晶体在某一方向施加压力时，它的两个表面会产生相反的电荷，电荷量与压力成正比，这种现象称之为压电效应，具有压电效应的物体称为压电体。两兄弟还发现压电体具有逆压电效应，即压电体在外电场作用下会产生形变。石英晶体是一种天然压电材料，锆钛酸铅压电陶瓷是应用最广泛的人工合成压电材料，其压电性远远高于石英晶体。利用压电体可以制成压电传感器，是一种自发电式传感器，把力、压力、加速度等非电量转换为电量。
压电效应实验电路见图3，它由压力传感器SP、串联的绿色和红色两路发光二极管组成。SP用外圆直径为27mm的压电陶瓷发声元件代替，发光二极管选用管壳透明、在微弱电流（0.1mA）驱动下能发光的高亮度发光二极管。轻轻敲击或碰撞压电陶瓷片时，由于SP弯曲形变而产生电荷，假设SP两个电极集聚的电荷上正下负，处于正向串联的红色发光二极管闪亮； 在撞击结束瞬间，压电陶瓷片恢复平直产生反向电荷，使得绿色发光二极管闪亮。有兴趣的读者不妨试一试，图3电路究竟能驱动多少只串联的发光二极管。另外，图3电路不能单用一路串联的发光二极管，这是因为发光二极管的PN结具有单向导电特性，需要并上一只二极管，为反向电荷泄放提供通路。
最简单的压电传感实验电路见图4，在压电陶瓷片SP两端并联上二极管VD和毫伏表PV。PV为三位半直流数字面板表，显示量程为0～±1999mV，输入阻抗为2MΩ。压电陶瓷片可以等效为一个电容器，在形变时，反向电荷被VD短路掉，在极板上产生正电荷，慢慢地通过输入阻抗较高的面板表放电，因此在一段时间内电压表读数反映出压电陶瓷片极板上电荷多少。在压电实验操作时，只需将药头冲下的半截火柴杆从几厘米高处自由落到压电陶瓷片中心处，这种轻微的撞击就会使压电陶瓷片产生近500mV的输出，若半截火柴杆从10cm高度落下，甚至可以达到1V的输出，足以说明压电陶瓷传感器的高灵敏度。
5.压电式压力传感器实验电路
虽然压电陶瓷材料有很高的压电系数，但是它是一种产生电荷（或电压）的元件，如果积累的电荷逐渐泄漏（电压也随之下降），就达不到传感器电荷量（或电压）与压力成正比的要求，为此要求测量电路有很高的输入阻抗，尽可能减少在压电材料上电荷的损耗。利用场效应管可以把压电体输出的高阻抗转换为测量和显示仪表所需的低输出阻抗，其电路见图5。
在图5压电传感开关实验电路中，VT采用场效应管3DJ6H，SP采用压电陶瓷片，VD1和VD2选用硅开关二极管1N4148。接通电源时，电容器C极板两端电压为零，与之相连的场效应管控制栅极G的偏压为零，这时VT导通，其漏源电流把红色发光二极管点亮。当用小的物体，例如火柴杆从10cm高度自由下落砸到压电陶瓷片上时，SP产生负向脉冲电压，通过二极管VD1向电容器C充电，VT的控制栅极加上负偏压，并超过3DJ6H所需的夹断电压-9V，这时VT截止，红色发光二极管熄灭。二极管VD2旁路SP在碰撞结束瞬间产生的正向脉冲电流。碰撞结束后，随着电容器C上的电压由于元器件漏电而逐渐降低，小于夹断电压（绝对值）时，VT退出截止状态，产生漏源电流，红色发光二极管逐渐亮起来，最终电路恢复到初始状态。
在图6压力传感器实验电路中，接通电源，场效应管VT处于放大工作状态，电压表PV读数为静态漏源电压（V\(_{DS}\)）2～3V，否则需要增减负载电阻器R的电阻值。在压电陶瓷片上施加压力时，比如放上重物、施加作用力或者气体的压力，SP输出负电压（否则需要颠倒电极引线），VT控制栅极（G）被加上负偏置电压，漏源电流减小，漏源电压上升，PV读数增加。SP上施加的压力越大，电压表读数也越大，施加压力过大时，VT截止，电压表指示接近电源电压。显然，图6所示的电路不能长时间稳定地显示压力读数，这是因为电路总是要消耗压电陶瓷片上的电荷，如果压力变化较快，可以胜任动态压力测量。如果在SP上施加压力时，电压表读数不仅不上升还略有下降，去掉压力时漏源电压跃升至接近电源电压，说明压电陶瓷片的两条引线接反。
二、湿敏传感器
湿度反映大气干湿的程度，测量环境湿度对工业生产、天气预报、食品加工等非常重要。湿敏传感器是对环境相对湿度变化敏感的元件，通常由感湿层、金属电极、引线和衬底基片组成，构造示意图见图7。
1.湿敏电阻传感器
湿敏电阻器是一种电阻值随环境相对湿度变化而改变的敏感元件。最常用的是氯化锂湿敏电阻器，它在图7所示的一对梳状金属电极间的基片上，涂敷一层氯化锂与聚乙烯醇混合物的盐胶膜。由于氯化锂极易吸收空气中的水分而潮解，电离出正、负离子，随着离子浓度的增加，盐胶膜导电性能增强，两个电极之间的电阻值也越小，反映出环境相对湿度与电阻值的相关性。氯化锂湿敏电阻器结构简单，容易制造，滞后小，精度高（±5％）。
在图8的施密特湿度传感器实验电路中，由三极管VT1和VT2等组成施密特电路，当环境湿度小时，湿敏电阻器RS电阻值较大，施密特电路输入端处于低电平状态，VT1截止，VT2导通处于低电平，红色发光二极管点亮；当湿度稍许增加时，RS电阻值减小，VT1基极电流增加，VT1集电极电流上升，负载电阻器R1上电压降增大，导致VT2基极电压减小，VT2集电极电流减小，两个三极管共用的发射极电阻器R3上电压降低。由于R3上电压降上正下负，使得R3通过电位器RP施加到VT1基极反向偏压减小，VT1基极电压上升，进一步促使VT1基极电流增强，形成强烈正反馈过程，在很短时间内VT1饱和导通，VT2截止，使施密特电路输出接近电源电压，红色发光二极管熄灭。同样道理，当湿度稍许减少时，导致另一个正反馈过程，施密特电路迅速翻转到VT1截止，VT2饱和导通状态，红色发光二极管从熄灭跃变到点亮。
2.湿敏电容传感器
湿敏电容器是一种采用吸湿性很强的绝缘材料作为电容器的介质，使其电容量随环境相对湿度变化而改变的敏感元件。湿敏电容器通常采用多孔性氧化铝（AL\(_{2}\)O\(_{3}\)）或者高分子吸湿膜作为吸湿性介质，制成多孔性氧化铝电容湿敏传感器和高分子薄膜电容湿敏传感器。图9为高分子薄膜电容器结构示意图，两个梳状金质电极分别通过高分子薄膜作为介质，与多孔性金质电极形成电容器C1和C2，其等效电容器C由C1、C2电容器串联而成。湿敏电容器测试需要通交变电流，根据其容抗变化反映出环境相对湿度的变化。测试电源频率在1.5MHz时，高分子薄膜电容湿度传感器在环境相对湿度由10％增加到90％时，其电容量增加到1.6倍，输出线性良好。高分子薄膜湿敏电容传感器受温度影响很小，响应时间短，稳定性好，得到广泛应用。
3.简易湿度传感器
图10为简易湿度传感器实验电路，RS采用高分子薄膜电容湿度传感器，PV为交流电压表，用万用电表交流10V挡（内阻9kΩ/V）代替，电位器RP用于调节湿度传感器的灵敏度。此外，万用电表采用半波整流电路，造成单向脉动直流电通过电容湿度传感器，影响其正常工作。为此，在万用电表外部并联上开关二极管VD，为负半周交流电提供通路，其中电阻器R等效电压表内阻。通电后，在干燥环境下虽然电容器介质吸收水分很少，仍保持有一定的电容量，电压表有读数。向电容湿度传感器哈气，观察到电压读数迅速增加，如超过10V，调节湿度灵敏度电位器RP，电压读数会减小，说明电路工作正常。
简易湿度传感器湿度标定可以参照标定电子温度计刻度，要建造一个小的封闭环境，比如将湿敏传感器放入密封充气的透明塑料袋中，在塑料袋中用生石灰吸收空气中水分获得干燥环境，放一杯温水缓慢蒸发湿润空气，以获得不同的相对湿度环境。
文/孙心若
编者注：
本文的视频讲解见本期配刊光盘。