第四章  传感器基础

一、传感器的含义

传感器是一种将各种被测非电量以一定的精度按一定规律转换成与之有确定对应关系的某种可用信号输出的另一种物理量（一般为电量）的测量装置或元件。

按照传感器的定义，传感器实际上是一种能量转换器。

传感器有时也叫做变换器、变送器、探测器、测量头、一次测量元件等。

二、传感器的功能

从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。

它应具有两方面的功能：

1）能感受非电量，如感受压力、位移、温度、气体浓度等；

2）可将感受到的非电量转换为电量，如将机械位移量转换为电阻、电容、电感的变化。

传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，那么一切测量和控制都是不可能实现的。

传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一．信息系统包括三个主要组成部分：传感器、通信系统和计算机，分别相当于人的“感官”（电五官）、“神经”和“大脑”。

三、传感器的组成

传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的，因此，传感器的组成将随不同情况而有较大差异，但是总的来说，传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加上辅助电源，可用框图来表示：

四、传感器的命名

关于传感器的名称，常采用下述方法：

“××式××传感器”

前面两个的“××”表示转换元件的名称，如电阻式、电感式、压电式等，它指出了传感器所采用的变换原理的种类。

后边的“××”用以表示传感器的用途，它指出了传感器所接受的被测量的种类，如压力、温度、液位等。

例如：电位器式液位传感器、应变式力传感器、压电式加速度传感器、磁电式振动传感器等。

五、传感器的分类

由于被测参量种类繁多，其工作原理和使用条件又各不相同，因此传感器的种类和规格十分繁杂，分类方法也很多。现将常采用的分类方法归纳如下：

1）按输入量即测量对象的不同分：

如输入量分别为：温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、位移传感器、速度传感器、湿度传感器等。

2）按工作（检测）原理分类

检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。有电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电式、核辐射式、半导体式传感器等

3）按照传感器的结构参数在信号变换过程中是否发生变化可分为：

a、物性型传感器：在实现信号的变换过程中，结构参数基本不变，而是利用某些物质材料（敏感元件）本身的物理或化学性质的变化而实现信号变换的。

b、结构型传感器：依靠传感器机械结构的几何形状或尺寸（即结构参数）的变化而将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，实现信号变换，从而检测出被测信号。

4）根据敏感元件与被测对象之间的能量关系（或按是否需外加能源）来分：

a、能量转换型（有源式、自源式、发电式）：在进行信号转换时不需要另外提供能量，直接由被测对象输入能量，把输入信号能量变换为另一种形式的能量输出使其工作。

b、能量控制型（无源式、他源式、参量式）：在进行信号转换时，需要先供给能量即从外部供给辅助能源使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变化等。

5）按输出信号的性质分：

a、模拟式传感器：将被测非电量转换成连续变化的电压或电流，如要求配合数字显示器或数字计算机，需要配备模／数(A/D)转换装置。

b、数字式传感器：能直接将非电量转换为数字量，可以直接用于数字显示和计算，可直接配合计算机，具有抗干扰能力强，适宜距离传输等优点。

6）按照传感器与被测对象的关联方式（是否接触）可分为：

a、接触式：如：电位差计式、应变式、电容式、电感式等；

b、非接触式：如：电涡流式、磁电式、光电式、电容式、超声波、同位素等。

六、传感器的选用

1、传感器的性能要求

2、根据测量条件选择

3、根据用途的不同选用合适的类型。

4、传感器的构造参数（如尺寸、重量、形状等）要满足安装使用条件。

5、选用传感器时，必须考虑到工作环境、使用条件的要求。

6、要考虑到测量方式

以上一些选用原则只是一般情况，在某些特殊情况下还会提出一些特殊的要求，总的原则是：应从实际出发，抓住主要矛盾，进行正确合理的选择。

七、传感器的发展方向

1、继续发展结构型传感器；      2、大力开发物性型传感器

3、开发新传感功能材料；        4、采用新原理

5、小型化；                    6、集成化

7、图像化；                    8、多功能化

9、数字化；                   10、智能化。