傳感器的基本概念

傳感器的定義及組成
　　傳感器的概念來自“感覺（sensor）”一詞，人們?yōu)榱搜芯孔匀滑F(xiàn)象，僅僅依靠人的五官獲取外界信息是遠遠不夠的，于是發(fā)明了能代替或補充人五官功能的傳感器，工程上也將傳感器稱為“變換器”。

　 根據(jù)國標（GB7665－87），傳感器的定義為：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。”這一定義所表述的傳感器的主要內(nèi)涵包括：

　　1）從傳感器的輸入端來看：一個指定的傳感器只能感受規(guī)定的被測量，即傳感器對規(guī)定的物理量具有最大的靈敏度和最好的選擇性。例如溫度傳感器只能用于測溫，而不希望它同時還受其它物理量的影響。

　　 2）從傳感器的輸出端來看：傳感器的輸出信號為“可用信號”，這里所謂的“可用信號”是指便于處理、傳輸?shù)男盘枺畛Ｒ姷氖请娦盘枴⒐庑盘枴？梢灶A(yù)料，未來的“可用信號”或許是更先進更實用的其它信號形式。

　　 3）從輸入與輸出的關(guān)系來看：它們之間的關(guān)系具有“一定規(guī)律”，即傳感器的輸入與輸出不僅是相關(guān)的，而且可以用確定的數(shù)學(xué)模型來描述，也就是具有確定規(guī)律的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

　 傳感器的基本功能是檢測信號和信號轉(zhuǎn)換。傳感器總是處于測試系統(tǒng)的最前端，用來獲取檢測信息，其性能將直接影響整個測試系統(tǒng)，對測量精確度起著決定性作用。傳感器的組成按其定義一般由敏感元件、變換元件、信號調(diào)理電路三部分組成，有時還需外加輔助電源提供轉(zhuǎn)換能量，如圖4.1.1所示。

圖中的敏感元件直接感受被測量（一般為非電量）并將其轉(zhuǎn)換為易于轉(zhuǎn)換成電量的其他物理量；再經(jīng)變換元件轉(zhuǎn)換成電參量（電壓、電流、電阻、電感、電容等）；最后信號調(diào)理電路將這一電參量轉(zhuǎn)換成易于進一步傳輸和處理的形式。

　　 當然，不是所有的傳感器都有敏感、變換元件之分，有些傳感器是將兩者合二為一，還有些新型的傳感器將敏感元件、變換元件及信號調(diào)理電路集成為一個器件。

　　 在機械量（如力、壓力、位移、速度等）測量中，常采用彈性元件作為敏感元件。這種彈性元件也叫彈性敏感元件或測量敏感元件，它可以把被測量由一種物理狀態(tài)變換為所需要的另一種物理狀態(tài)。

傳感器的分類
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傳感器的種類繁多，往往同一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量，而同一原理的傳感器又可測量多種物理量，因此傳感器有許多種分類方法。常用的分類方法有：

　　 1．按被測量分類
　　 1）機械量： 位移、力、速度、加速度、……
　　 2）熱工量： 溫度、熱量、流量（速）、壓力（差）、液位、……
　　 3）物性參量： 濃度、粘度、比重、酸堿度、……
　　 4）狀態(tài)參量： 裂紋、缺陷、泄漏、磨損、……
　　　　
　　　　 ……
　　 這種分類方法也就是按用途進行分類，給使用者提供了方便，容易根據(jù)測量對象來選擇傳感器。　　　　　　　　　　　　　

　　 2．按測量原理分類

　　 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖磁
敏式、激光、超聲波等傳感器。現(xiàn)有傳感器的測量原理都是基于物理的、化學(xué)的和生物
等各種效應(yīng)和定律，這種分類方法便于從原理上認識輸入與輸出之間的變換關(guān)系，有利
于專業(yè)人員從原理、設(shè)計及應(yīng)用上作歸納性的分析與研究。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　 3．按信號變換特征分類

　　 1）結(jié)構(gòu)型：主要是通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號變換的。例如，電容式傳
感器依靠極板間距離的變化引起電容量的改變。

　　 2）物性型：是利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來實現(xiàn)信號變換的。例如水
銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮現(xiàn)象測量溫度，壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效
應(yīng)實現(xiàn)測量等。

　　 4．按能量關(guān)系分類

1）能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作的。例如熱電偶、光電
池等，這種類型傳感器也稱為有源傳感器。

　　2）能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給
能量的變化。例如電阻式、電感式等傳感器，這種類型的傳感器必須由外部提供激勵源
（電源等），因此也稱為無源傳感器。

表4.1.1按能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型對常用傳感器的工作原理進行歸納。

　　 除以上分類方法外，還可按照輸出量分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，按照測量
方式分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器等等。

表4.1.1 傳感器的工作原理按能量關(guān)系分類
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　 （6）關(guān)于使用及配接要求：供電方式（直流、交流、頻率、波形等）、電壓幅度與
穩(wěn)定度、功耗、安裝方式（外形尺寸、重量、結(jié)構(gòu)特點等）、輸入阻抗（對被測對象影
響）、輸出阻抗（對配接電路要求）等。