随着科技进步、近代工业发展和环境保护的需求，对有毒气体和可燃性气体等的检测，气敏传感器得到广泛的应用。
一、气敏传感器
气敏传感器是一种能感知环境中某种气体及其浓度的传感器，它利用化学、物理效应把某些气体及其浓度信息变换成电信号，经电路处理后进行监测、监控和报警。比如，煤矿坑道瓦斯报警器，交警用的乙醇（酒精）检测仪，家庭油烟机上的煤气或液化气泄漏报警和自动排气装置等。
半导体式气敏元件是应用最广的气敏元件，它是用具有半导体特性的金属氧化物材料制成的气敏元件，当其与某种气体接触时，表面吸附的气体导致半导体载流子浓度发生变化，引起电导率变化，电阻值也随之变化，根据这种变化可以检测出气体的成分和浓度，因此半导体式气敏元件可视为是一种气敏电阻器。
旁热式SnO2气敏器件最为常用，其外形及管腿引出线排列见图1。左方为外形示意图，管座上方外壳为双层100目不锈钢丝网，具有透气、防风、保护和防爆功能。右边为管腿引出线排列，能够把气敏传感器插在小型电子管7脚插座上。
图2 旁热式气敏器件结构及电路符号
图2左边为旁热式SnO2气敏器件结构示意图，右边为电路符号。旁热式气敏器件是一个表面烧结有SnO2厚膜气体敏感层的薄壁陶瓷管，敏感层两端设有一对金电极，分别用头发丝粗细的铂铱合金丝引出后焊接在管座插腿上，在薄壁陶瓷管内装有一根绕成螺旋形的镍铬合金电阻丝作为加热器，电阻值为30～40Ω。传感器工作时，电阻丝通电发热，将薄壁陶瓷管上SnO2敏感层加热至200℃～400℃，这时氧化锡气敏器件电阻值较小，并能够提高传感器的响应速度。由于薄壁陶瓷管热容量大，减少了环境温度变化、气流流动对传感器工作的影响。旁热式SnO2气敏器件用于检测氢气、一氧化碳、甲烷、异丁烷、乙醇等可燃性气体。
图3为气敏传感器测试实验电路，它由气敏传感器RQ、加热器限流电阻器R1、气敏传感器输出负载电阻器R2、检测电压表PV和电源GB组成。RQ选用型号MQ-2气敏传感器，2、5两端加热器电阻值为30Ω。敏感层一端电极1、3连在一起，与GB正极直接相连，加热器电源与测量电源共用；敏感层另一端电极4、6连在一起作为传感器的输出端，与R2相连，PV测量输出电压，选用10V量程。通电预热3分钟待电路工作稳定后，加热器两端加热电压为4.5～5.0V，否则需要更换电阻器R1，加热功率为630mW，电路总电流约140mA，GB必须能够提供这样大的功率。当气敏传感头接触到乙醇气体时，电压表由0.2V迅速（响应时间小于10秒）升至3.5V左右，脱离乙醇气体约30秒后电压表恢复到初始读数，用打火机丁烷气体做实验也可以达到同样的效果。
图4为简易乙醇检测仪实验电路。气敏传感器RQ选用乙醇气体传感器，对汽油抗干扰性要好，如GS-D，如做实验可以用一般的气敏传感器。乙醇检测仪实验电路采用电桥电路，电桥一个臂为敏感层电阻，相邻臂由电桥平衡零点调节电位器RP3和电阻器R2组成，另外两个臂分别为电阻器R1和R3。电桥检测部分由微安表PA和灵敏度调节电位器RP2组成。RP1为加热器电压调节电位器，通常加热电压为4.5～6.0V，要根据技术手册要求确定其加热电压。本实验选用固有电阻值（洁净空气中的电阻值）为30kΩ的气敏传感器，这样电桥才能调至平衡，否则需要重新设计电桥元件参数。
4.简易气敏报警器
自制简易气敏报警器实验电路如图5所示，分为气敏传感器、电子开关和讯响器三部分。气敏传感器选用MQ-2、MQ-N10等，RP2为气敏传感器输出负载又兼作灵敏度调节电位器。电子开关部分包括三极管VT、下偏置电阻器R2和开关二极管VD。讯响器部分由高亮度红色发光二极管、限流电阻器R1和蜂鸣器HA组成。调试电路时，先将电压表并联在电位器RP2两端，再将RP2电阻值由小逐渐调大，当电压表读数达到1V时，红色发光二极管开始点亮，1.2V时讯响器开始发出响声，说明电子开关部分工作正常，最后将红色发光二极管调至刚好熄灭，电路处于监测状态。VD起钳位作用，当气敏传感器输出电压超过1.2V时，开关二极管VD导通，为三极管VT提供偏置电流，提高报警器电路工作的可靠性。当开关二极管VD截止时，下偏置电阻器R2泄掉VT基极残余的正电荷。检测电路时，通电后RP2上电压降约1V，三极管处于截止状态，讯响器不工作；当传感头遇到可燃性气体，如煤气、液化石油气、丁烷、乙醇时，RP2上电压降超过1.2V时，讯响器发出声、光报警信号，电路总电流由140mA升至160mA。自制简易气敏报警器用于家庭可燃性有毒气体探测报警，必须经过校验方可使用。通过气敏传感器测试及实用电路实验，了解气敏传感器的结构和工作原理，揭开了“电子鼻”的秘密，体验到科学技术的魅力，不妨大胆设想一下，在方向盘上安装“司机醉酒断电器”，检测到司机呼出酒精气体，便自动切断火花塞电源，使汽车、摩托车“罢驶”，防止交通事故。
二、声敏传感器
最常见的声敏传感器莫过于传声器（话筒），它能够把人耳听到的声波（20Hz～20kHz）转变为电信号，比如监测环境的噪声计。20kHz以上的声波称之为超声波，由于其频率高，波长短，使超声波具有直线传播和发生反射现象，常用于超声波测距、测量厚度、无损探伤检测、医学扫描成像等，压电式超声波传感器又称为超声波换能器或超声波探头，在超声波技术中得到广泛的应用。
1.声控钥匙链及模拟实验电路
在生活中常见的声控钥匙链，只要吹声口哨或者拍一声巴掌，在4～5米距离内的声控钥匙链就会发出“哔哔哔”的声音，帮助寻找和发现钥匙。声控钥匙链是声音的接收装置，用压电陶瓷片作为声敏传感器。
图6为声控钥匙链实验电路，它包括声敏传感器件BZ、复合管前置放大电路、电压放大电路、倍压检波电路、三极管开关电路、讯响电路和电源GB组成。
2.实验电路工作原理
BZ采用直径27mm的压电陶瓷片，把声音信号转变为电信号。前置放大器由接成复合管的三极管VT1、VT2等组成，其中R1为复合管的上偏置电阻器，下偏置用电位器RP来调节复合管的工作点，R2为复合管的负载电阻器，R3、C1组成电源去耦回路，防止电路自激振荡。由于压电陶瓷式声敏传感器内阻较高，其输出微弱的音频信号加至输入阻抗较高的复合管基极，前置放大器可以获得高增益。电压放大器由三极管VT3等组成，采用电压负反馈式偏置电路，R4为偏置电阻器。由前置放大器输出的音频信号经耦合电容器C2输入到VT3的基极，在集电极负载电阻器R6上输出放大后的信号电压，R5、C3为电压放大级的电源去耦电路。检波电路由耦合电容器C4、用作检波的二极管VD1和VD2以及滤波电容器C5组成。当VT3集电极输出的音频信号为负半周时，通过VD1向C4充电，音频信号为正半周时，通过C4、VD2向C5充电，由于音频信号正半周电压与C4上已充的电压相加，C5充至接近2倍音频信号峰值的直流电压。由三极管VT4、VT5等组成开关电路，电阻器R7具有延缓C5向VT4基极放电的时间，R8为VT4下偏置电阻器，具有泄放C5残存电荷的作用，使VT4可靠截止。VT5负载接有红色发光二极管及其限流电阻器R10以及蜂鸣器HA，组成讯响电路。当压电式声敏传感器BZ接收到声音信号时，通过放大、检波电路，在C5上产生正向偏压，达到0.7V时，VT4导通，其集电极电流也是VT5基极电流，导致VT5也导通，红色发光二极管点亮，蜂鸣器HA发出音频叫声。控制声音信号消失后，C5的电荷逐渐被泄放，VT4截止，讯响电路停止工作。
3.实验电路搭接与调试
在图6电路中，VT1～VT3选用低噪声高增益三极管9014，VT4用9013，VT5用PNP型三极管9012。若用面包板搭接电路时，由于放大电路有上万倍的增益，每一级电路要集中在一起，各级之间保持一定距离，防止不良反馈产生振荡。
调试电路时，蜂鸣器发声时会反馈到声敏传感器BZ，引起实验电路啸叫不止，需要暂时去掉HA，或者用导线延至几米之外，用纸盒扣起来减少音量。电路需要调试工作点才能正常工作，调节电位器RP将VT2集电极与发射极之间的电压VCE调至2V～3V。VT3集电极电位为3V左右，若相差太多需要更换R4。电源GB电压为6V时，电路静态工作总电流不超过1.5mA，收到声音信号时，总电流升至30mA。检测电路时，在5米范围内拍一下巴掌，讯响电路发光、发声1～2秒钟，模拟声控钥匙链电路实验成功。需要说明的是，图6电路没有选频功能，不能区分掌声、蜂鸣器叫声甚至轻微的震动，作为实验电路，来了解声敏传感器的组成和工作原理，体验“电子耳”的传感功能，设想一下这个电路还有什么其他的用途，也许能为小发明提供电子技术手段。
三、电感式传感器
电感式传感器是一种利用被测量的变化引起线圈互感、电感量改变的传感器，主要用于位移测量以及引起位移相关的变化量，如压力、加速度、振动、应变、液位等的测量。
1.金属探测传感器实验电路
图7为金属探测传感器实验电路，由三极管VT1和高频变压器B等组成高频振荡器，由三极管VT2、VD等组成振荡检测器，由VT3、电压表PV组成射随输出及显示电路。
2.高频振荡器
图7电路左半部分为高频振荡器，采用变压器反馈型LC振荡器。在高频变压器T中，初级线圈L1与电容器C1组成并联LC谐振回路，谐振频率约200kHz。L1绕线方向首端（标有黑点）接振荡管VT1集电极，尾端接电源正极。次级线圈L2作为反馈线圈，首端通过正向偏置的二极管VD接地，尾端接VT1的基极。振荡管VT1放大后的高频信号经B耦合回基极，形成正反馈而产生高频自激振荡，在集电极LC谐振回路中产生振荡电流。R2为VD限流电阻器，在VD上产生0.7V恒定电压，通过L2为VT1提供基极偏置电压。VT1发射极与地之间接有射极负反馈电阻器R1和增益调节电位器RP。高频变压器T用标称直径0.315～0.355mm（最大外径约0.4mm）的漆包线（聚氨酯漆包圆铜线）在直径120mm圆筒上绕制，初级线圈27匝，次级9匝，脱胎后用棉纱线捆扎在一起，区分好头尾端。
3.振荡检测器及射随输出电路
图7电路右半部分为振荡检测器。在开关电路中，VT2的基极与次级线圈L2尾端相连，当高频振荡器振荡时，经T耦合过来的振荡信号，正半周使VT2导通，VT2集电极输出低电平，经旁路电容器C2滤去高频成分，直流电压加在射随三极管VT3的基极，在射随输出负载电阻器R4上得到低电平信号输出，电压表读数约0.1V。当高频振荡器停振时，VT2基极无高频信号输入，并被VD反向偏置，VT2处于截止状态，高电平加在VT3基极，发射极输出高电平信号，电压表读数升至4V左右，由此完成对振荡器工作状态的检测和显示。
4.金属探测原理
调节高频振荡器增益电位器RP，恰好使振荡器起振，此时电压表读数跌至0.1V，否则需要增减R1的电阻值。当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应在金属中产生涡电流，使振荡回路能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器无法维持振荡所需的最低能量而停振。信号输出端连接的检测电压表升至4V，或将信号输出端接入讯响器电路接口，用耳机监听声音有无变化，就可以探测金属物体的存在。金属探测器有较高的灵敏度，并可以透过非金属物体探测到被遮盖的金属物体，比如装修房屋时，用它探测墙内的电线或钢筋，以免造成施工危险和安全隐患，又如安全检查用的金属探测器就是根据这个原理制成的，这种“透视眼”是人的感官力所不及的。
21世纪是信息科学、生命科学的世纪，生物传感器正是这两门学科交叉的产物，它是利用有生命的物质作为探测信息的传感器，利用酶催化生物反应，用于检测病人体液中的各种化学成分，监测食品中营养成分和有害成分的含量、食品的新鲜程度以及环境监测中大气和水中各种污染物的含量，将比传统的电子传感器更具有选择性，因而灵敏度更高，检测结果也更准确。随着社会进一步信息化，传感器网络将带来通信革命的无线技术和带来医学、产业技术革命的传感器技术结合起来。它将微型传感器，单板处理机接口和单板无线接口整合在一起，做成一种相对能耗较低、体积极小的器件，并像因特网一样由智能嵌入式传感器组成规模庞大的分布式系统覆盖全球，特别是条件恶劣的自然环境中，将能密集监测广泛的物理现象，从而使实时监测环境成为可能，帮助人类减少污染，对自然灾害做出迅速反应，优化地球生物依存的家园。
文/孙心若
编者注：
本文的视频讲解见本期配 光盘。