傳感器的構成方法框圖和分類

敏感元件：直接感受被測量，并以確定關系輸出某一物理量（包括電學量）。

轉換元件：將敏感元件輸出的非電物理量，如位移、應變、應力、光強等轉換為電學量（包括電路參數量、電壓、電流等）。

轉換電路：將電路參數（如電阻，電感、電容等）量轉換成便于測量的電量，例如電壓，電流頻率等。

有些傳感器只有敏感元件，如熱電偶，它感受到被測溫差時直接輸出電動勢。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，無需轉換電路，例如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器只由敏感元件和轉換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉換元件不只一個，要經若干次轉換后才輸出電量。

目前，由于空間的限制或技術等原因，轉換電路一般不和敏感元件、轉換元件裝在一個殼體內，而是裝入電箱中，但不少傳感器需通過轉換電路才能輸出便于測量的電量，而轉換電路的類型又與不同工作原理的傳感器有關，因此要把轉換電路作為傳感器的組成環節之一。

傳感器種類繁多，應用極廣，但為了滿足各種參數的檢測，除了需要研制新型敏感元件、增加元件品種以及改善其性能外，還需要設計正確的構成傳感器的方法，即用敏感元件、轉換元件、轉換電路之間的不同組合方法，去達到檢測各種參數的目的。根據傳感器的各種組成，其構成方法框圖如圖1－5所示，可將傳感器分成如下幾類。

基本型

基本型是一種只用敏感元件構成的傳感器。它包括有能量變換基本型、輔助能源基本型和能量控制基本型3種。

基礎型傳感器的構成方框圖 a、b、c示意圖

（一）能量變換基本型

如圖 a 所示，它是最簡單的只有敏感元件的傳感器。其輸入是被測非電量，輸出是電壓或電流，典型的例子有基于熱電效應的熱電偶、基于光生伏特效應的光電池、基于壓電效應的壓電式力傳感器（如下圖所示）和固體電解質氣體傳感器等。

壓電式壓力傳感器結構示意圖

能量變換基本型傳感器的特點是：傳感器從被測對象本身獲得能量，不需外加電源，敏感元件就是能量變換元件，因此屬于能量變換型的傳感器，也稱為無源型傳感器；它是利用熱平衡或傳輸現象中的一次效應構成的。由于一次效應存在逆效應，當敏感元件輸入信號時，其輸出將產生逆效應而影響輸入，因此對被測對象有負荷效應；輸出端所輸出的能量不可能大于被測對象的能量。

（二）輔助能源基本型

某些由敏感元件構成的傳感器，為了增加其抗干擾能力，提高穩定性，以及取出電信號而采用了電源，或因工作原理需要而使用固定磁場，但它們輸出的能量是從被測對象上獲得的，因此仍是一種能量變換型傳感器，上面提到的電源或磁場稱為輔助能源或偏壓源，如圖 b 所示輔助能源基本型傳感器的例子有：光電管、光敏二極管、磁電感應式傳感器、霍爾式傳感器等。

（三）能量控制基本型

如圖 c 所示，能量控制基本型也只由敏感元件構成，但需用外加電源才能將被測非電量轉換成電壓等電量輸出，其典型例子有聲表面波傳感器、變壓器式位移傳感器、感應同步器、離子敏場效應晶體管、電化學電解電池傳感器等。

能量控制基本型的特點是：需外加電源；輸出能量可大于被測對象所輸入的能量。

電路參數型傳感器的構成圖 d示意圖

電路參數型

它是由敏感元件，以及包含該敏感元件在內的轉換電路和電源組成，如圖 d 所示。其特點是：敏感元件對輸入非電信號進行阻抗變換；電源向包含有敏感元件的轉換電路提供能量，從而輸出電壓或電流，因此屬于能量控制（或稱調制）型傳感器；輸出能量遠大于輸入能量。利用熱平衡或傳輸現象中的二次效應的傳感器均屬此類。

電路參數型傳感器有電阻應變式、電感位移式、電渦流位移式、電容位移式等傳感器以及氣敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、熱敏電阻等傳感器。

多級變換型

目前，大多數傳感器都是利用敏感元件把被測非電量轉換成某種可利用的中間變換物理量，再通過轉換元件，有時還需用轉換電路，轉換成便于測量的電量輸出，如圖1－5（e）所示。如利用彈性體作為力、壓力等敏感元件，再通過應變片和電橋輸出電信號，就能測量出壓電元件所不能測出的小壓力。這種二級或二級以上的變換增加了傳感器設計的自由度，因而可設計出測量各種非電參數，適應各種條件的傳感器。

e 多級變換型示意圖

可利用的中間變換物理量是指那些容易轉換成電學量的物理量，如1—6所列。

表1－6 可利用的中間變換物理量

多級變換型又分為能量變換型和能量控制型兩類。前者的例子有壓電式加速度傳感器、L—氨基酸梅傳感器等；后者的例子有應變式力傳感器、電容式加速度傳感器、霍爾式壓力傳感器、光纖式加速度傳感器、酶熱敏電阻式傳感器等。

參比補償型

為了消除環境條件變化（如溫度變化、電源電壓波動等）的影響，傳感器采用兩個性能完全相同的敏感元件，如圖 f 所示，其中一個敏感元件感受被測量和環境條件量，另一個只感受環境條件量而作為補償用，以達到消除或減小環境干擾的影響，這種組合形式稱為參比補償型。例如壓電式壓力傳感器，當被測壓力變化與環境溫度變化相接近時，采用溫度補償片構成參比補償型傳感器，以減小溫度變化的影響。又如，用電阻應變式傳感器構成參比補償型傳感器時，則將其兩個（或兩個以上）敏感元件（一個為工作片，另一個為補償片）同時接到電橋電路的相鄰兩臂，這樣就能對溫度、電源電壓等變化的影響起到補償或消除作用，因此參比補償傳感器有利于提高測量精度。

f 參比補償型示意圖

差動結構型

為了提高傳感器的靈敏度和線性度，并減小或消除環境等因素的影響，傳感器常采用差動結構，即用兩個性能完全相同的敏感元件同時感受相同的環境量和方向相反的被測量，如圖 g 所示。其例子有差動電阻應變式、差動電容式、差動電感式等屬于能量控制型的傳感器，當用壓電元件測量壓力時，如果其加速度效應的影響不可忽略，則需采用兩個壓電元件反極性安裝構成差動型，以補償加速度的影響，同時還可提高傳感器的靈敏度，但壓電元件屬于能量變換型傳感器。