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，人們為了研究自然現象，僅僅依靠人的五官獲取外界信息是遠遠不夠的，于是發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”。

　 根據國標（GB7665－87），傳感器的定義為：“能感受規定的被測量并按照一定規律轉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定的被測量，即傳感器對規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、傳輸的信號，最常見的是電信號、光信號。可以預料，未來的“可用信號”或許是更先進更實用的其它信號形式。

　　 3）從輸入與輸出的關系來看：它們之間的關系具有“一定規律”，即傳感器的輸入與輸出不僅是相關的，而且可以用確定的數學模型來描述，也就是具有確定規律的靜態特性和動態特性。

　 傳感器的基本功能是檢測信號和信號轉換。傳感器總是處于測試系統的最前端，用來獲取檢測信息，其性能將直接影響整個測試系統，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、信號調理電路三部分組成，有時還需外加輔助電源提供轉換能量，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）并將其轉換為易于轉換成電量的其他物理量；再經變換元件轉換成電參量（電壓、電流、電阻、電感、電容等）；最后信號調理電路將這一電參量轉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變換為所需要的另一種物理狀態。

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。現有傳感器的測量原理都是基于物理的、化學的和生物
等各種效應和定律，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系，有利
于專業人員從原理、設計及應用上作歸納性的分析與研究。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　 3．按信號變換特征分類

　　 1）結構型：主要是通過傳感器結構參量的變化實現信號變換的。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信號變換的。例如水
銀溫度計是利用水銀的熱脹冷縮現象測量溫度，壓電式傳感器是利用石英晶體的壓電效
應實現測量等。

　　 4．按能量關系分類

1）能量轉換型：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系分類
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　 （6）關于使用及配接要求：供電方式（直流、交流、頻率、波形等）、電壓幅度與
穩定度、功耗、安裝方式（外形尺寸、重量、結構特點等）、輸入阻抗（對被測對象影
響）、輸出阻抗（對配接電路要求）等。