传感器理论基础 组成和分类
时间：2011-04-12 阅读：1550
第 1 章 传感器理论基础
在系统学习各类传感器之前，首先应该掌握传感器的基本理论及检测技术的相关知识，主要包括传感器的概念、分类和基本特性，检测系统的组成与功能，基本测量方法，测量误差及数据处理等内容，为后续知识的学习打下基础。
1.1 传感器基础
在当今的信息时代，人们越来越迫切地希望能准确地掌握自然界和生产领域更多的各类信息，而传感器则是人们获取这些信息的主要途径和手段，因此传感器与人们的关系越
来越密切。传感器是实现自动检测和自动控制的首—要环节，它对于提高生产的自动化程度、促进现代科学技术的发展具有极其重要的作用。
1.1.1 传感器的概念
关于传感器的概念，我国国家标准GB 7665
1987规定：“传感器（sensor）是能感受规
定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。也就是说，传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量器件或装置，用于满足系统信息传输、存储、显示、记录及控制等要求。
①传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用体现在测量上。例如我们常见的发电机，它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置，从能量转换的角度看，它是一种发电设备，不能称之为传感器；但从另一个角度看，人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速，这时，发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置，是一种速度传感器，通常称之为测速发电机。应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息，这也是本课程的学习目的。
②传感器定义中所谓“可用输出信号”是指便于传输、转换及处理的信号，主要包括气、光和电等信号，现在一般就是指电信号（如电压、电流、电势及各种电参数等），而“规定的测量量”一般是指非电量信号，主要包括各种物理量、化学量和生物量等，在工程中常需要测量的非电量信号有力、压力、温度、流量、位移、速度、加速度、转速、浓度等。正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量，所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换。
③传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系，并且应保证一定的精度。
④关于“传感器”这个词，目前国外还有许多提法，如变换器（transducer）、转换器（converter）、检测器（detector）和变送器（transmitter）等，而根据我们国家的规定，传感器定名为sensor；当传感器的输出信号为标准信号（1V～5V、4mA～20mA）时，称为变送器（transmitter），注意二者不要混淆
1.1.2 传感器的组成和分类
1. 传感器的组成
传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不相同，所以结构、组成差异很大。但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路组成，有时还加上辅助电源，如图1.1所示。
1） 敏感元件（sensing element）
图1.1 传感器组成框图
敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。如图1.2所示是一气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固定，上半部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入测量电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力pa相通，内部感受被测压力p。当p变化时，引起膜盒上半部移动，
即输出相应的位移量。
图1.2 气体压力传感器
2） 转换元件（transduction element）
转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的
部分。在图1.2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分，有
的传感器转换元件不止一个，需要经过若干次的转换；有的则是二者合二为一。
3） 测量电路（measuring circuit）
测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行进
一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续
电路实现显示、记录、处理及控制等功能。测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元
件的类型而定，一般有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路等。
2. 传感器的分类
通常，一种传感器可以检测多种参数，一种参数又可以用多种传感器测量，所以传感器的分类方法也很多，至今尚无统一规定，归纳起来一般有以下几种。
1） 按工作原理分类这是传感器zui常见的分类方法，这种分类方法将物理、化学、生物等学科的原理、规
律和效应作为分类的依据，有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析，本书主要就是按这一分类方法作为编写体系介绍各种类型的传感器。
按照传感器工作原理的不同，传感器可分为电参数式传感器（包括电阻式、电感式和电容式传感器）、压电式传感器、光电式传感器（包括一般光电式、光纤式、激光式和红外式传感器等）、热电式传感器、半导体式传感器、波式和辐射式传感器等。这些类型的传感器大部分是分别基于其各自的物理效应原理命名的。
2） 按被测量分类按被测量的性质进行分类，有利于准确表达传感器的用途，对人们系统地使用传感器
很有帮助。为更加直观、清晰地表述各类传感器的用途，将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量，见表1-1。对于各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现。
表1-1 基本被测量和派生被测量
| 基本被测量 | 派生被测量 长度、厚度、应变、振动、磨损、平面度 | |
|
位移速度
加速度
力时间 | 线位移 | |
| 角位移线速度 | 旋转角、偏转角、角振动振动、流量 | |
| 角速度线加速度 | 转速、角振动振动、冲击、质量 | |
| 角加速度压力 频率 | 角振动、转矩、转动惯量质量、应力、力矩 周期、计数 | |
| 光 | 光通量与密度、光谱 | |
| 温度 | 热容 | |
| 湿度 | 水汽、含水量、露点 | |
| 浓度 | 气（液）体成分、黏度 | |
3） 按结构分类按传感器的结构构成可分为结构型、物性型和复合型传感器。结构型传感器是依靠传感器结构参数（如形状、尺寸等）的变化，利用某些物理规律，
实现信号的变换，从而检测出被测量，它是目前应用zui多、zui普遍的传感器。这类传感器
的特点是其性能以传感器中元件相对结构（位置）的变化为基础，而与其材料特性关系不大。物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换
成电量的传感器。例如，热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的；而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量。这类传感器的“敏感元件”就是材料本身，无所谓“结构变化”，因此，通常具有响应速度快的特点，而且易于实现小型化、集成化和智能化。
复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合，同时兼有二者的特征。
4） 按能量转换关系分类按照传感器的能量转换情况，传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类。所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的，而外界的变化（即传感
器输入量的变化）只起到控制的作用。如电阻、电感、电容等电参数传感器、霍耳传感器等
都属于这一类传感器。能量转换型传感器，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、
热电效应、光电效应等的传感器都属于此类传感器。此外，根据被测量的性质，可以将传感器分成物理型、化学型和生物型传感器三大类；
根据传感器的使用材料，也可以将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、金属材料传感器、复合材料传感器、高分子材料传感器等；根据应用领域的不同，还可分为工业用、农用、民用、医用及军用等不同类型；根据具体的使用目的，又可分为测量用、监视用、检查用、诊断用、控制用和分析用传感器等。