1. 傳感器的定義與結(jié)構(gòu)組成

  傳感器是一種檢測(cè)器件或裝置，能夠感受被測(cè)量量，并能將感受到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)。

  傳感器的定義包含的意思①傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)②它的輸入是某一種可被測(cè)量的物理量、化學(xué)量、生物量等③它的輸出是某種物理信號(hào)，這種信號(hào)應(yīng)便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示，多為電信號(hào)，也可能是氣壓、光強(qiáng)等物理信號(hào)④輸出與輸入之間有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且能達(dá)到一定的精度。

  傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的敏感元件是指能直接感受和響應(yīng)被測(cè)量量的單元，傳感器的轉(zhuǎn)換元件是指將敏感元件的感受或者響應(yīng)轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)的單元。信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路的作用是把轉(zhuǎn)換元件輸出的弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的電信號(hào)(通常為電壓或電流)。由于不同種類的傳感器的檢測(cè)原理不同，因此，傳感器輸出的電信號(hào)也有多種形式。例如連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)周期性信號(hào)與非周期性信號(hào)電壓、電流、頻率信號(hào)等。

  傳感器的結(jié)構(gòu)組成如圖2.1所示。

  2. 傳感器的分類

  傳感器種類和規(guī)格繁多，功能各異，工作原理和使用條件各不相同，分類方法也多種多樣現(xiàn)將常采用的分類方法歸納如下

  (1)按傳感器輸入的物理量和測(cè)量對(duì)象的不同分類

  分為位移、壓力、速度、溫度、稱重、濕度、光線、流量、氣體成分等傳感器。這種分類方法明確地說(shuō)明了傳感器的用途，使用者可以方便地根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇所需要的傳感器。但這種分類方法將原理不同的傳感器歸為一類，因此對(duì)掌握傳感器的一些基本原理及分析方法是不利的。

  (2)按傳感器工作與檢測(cè)原理分類

  分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、電磁式、磁阻式、光電式、壓阻式、熱電偶式、極輻射式、半導(dǎo)體式等傳感器。進(jìn)一步細(xì)分，例如，根據(jù)變電阻原理，有電位器式、應(yīng)變片式、壓阻式等傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)原理，有電感式、差壓式、電渦流式、電磁式、磁阻式等傳感器，根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏、磁敏等固態(tài)傳感器。

  傳感器的工作與檢測(cè)原理指?jìng)鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)所依據(jù)的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等機(jī)理這種分類方法便于傳感器專業(yè)工作者從原理與設(shè)計(jì)上作歸納性的分析研究，避免了傳感器名目過(guò)于繁多，故最常采用。

  有時(shí)也把用途和原理結(jié)合起來(lái)命名，例如電感式位移傳感器、壓電式力傳感器等。

  (3)按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類分為數(shù)字式傳感器和模擬式傳感器。

  數(shù)字式傳感器是指能直接將非電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可以直接用于數(shù)字顯示和計(jì)算，可直接再合計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。這類傳感器可分為脈沖、頻率和數(shù)碼輸出三類。例如光柵傳感器等。

  模擬式傳感器是指將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電壓或電流，如果要求配合數(shù)字顯示器或數(shù)字計(jì)算機(jī)，需要配備A-D轉(zhuǎn)換裝置。

  (4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系分類分為能量轉(zhuǎn)換型傳感器和能量控制型傳感器。

  能量轉(zhuǎn)換型(又稱有源式、自源式、發(fā)電式)是指在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)不需要另外提供能量直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量，把輸入信號(hào)能量變換為另一種形式的能量輸出。有源式傳感器類似一臺(tái)微型發(fā)電機(jī)，它能將輸入的非電能量轉(zhuǎn)換成電能輸出，傳感器本身不需外加電源，信號(hào)能量直接從被測(cè)對(duì)象取得。因此只要配上必要的放大器就能驅(qū)動(dòng)顯示記錄儀表。這種傳感器有壓電式壓磁式、電磁式、電動(dòng)式、熱電偶、光電池、霍爾元件、磁致伸縮式、電致伸縮式、靜電式等傳感器。這類傳感器中，有一部分能量的轉(zhuǎn)換是可逆的，也可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或其他非電量，如壓電式、壓磁式、電動(dòng)式等傳感器。

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  能量控制型(又稱無(wú)源式、他源式、參量式)是指在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要先供給能量，即從外部供給輔助能源使傳感器工作，且由被測(cè)量量來(lái)控制外部供給能量的變化。對(duì)于無(wú)源式傳感器，被測(cè)非電量只是對(duì)傳感器中的能量起控制或調(diào)制作用，需通過(guò)測(cè)量電路將它變?yōu)殡妷毫炕螂娏髁?，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大，以驅(qū)動(dòng)指示或記錄儀表，配用的測(cè)量電路通常是電橋電路或諧振電路。這種傳感器有電阻式、電容式、電感式、差動(dòng)變壓器式、渦流式、熱敏電阻、光敏管、光敏電阻、濕敏電阻、磁敏電阻等傳感器。

  (5)按傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)在信號(hào)變換過(guò)程中是否發(fā)生變化分類分為物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器。

  物性型傳感器是指在實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換過(guò)程中結(jié)構(gòu)參數(shù)基本不變，利用某些物質(zhì)材料(敏感元件)本身的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化而實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。這種傳感器一般沒(méi)有可動(dòng)結(jié)構(gòu)部分，易小型化，故也被稱作固態(tài)傳感器，它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。例如熱電偶，壓電石英晶體，熱電阻以及力敏、熱敏、濕敏、氣敏、光敏等半導(dǎo)體傳感器。

  結(jié)構(gòu)型傳感器是指依靠傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸(即結(jié)構(gòu)參數(shù))的變化而將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，從而檢測(cè)出被測(cè)信號(hào)。例如電容式、電感式、應(yīng)變片式、電位差計(jì)式等傳感器。

  (6)按傳感器與被測(cè)對(duì)象的關(guān)聯(lián)方式(是否接觸)分類分為接觸式和非接觸式傳感器。

  接觸式傳感器，例如電位差計(jì)式、應(yīng)變式、電容式、電感式等傳感器。接觸式的優(yōu)點(diǎn)是傳感器與被測(cè)對(duì)象視為一體，傳感器的標(biāo)定無(wú)須在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，缺點(diǎn)是傳感器與被測(cè)對(duì)象接觸會(huì)對(duì)被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)或特性產(chǎn)生或多或少的影響。

  非接觸式傳感器可以消除由于傳感器介入而帶來(lái)的對(duì)被測(cè)量的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)也使傳感器的使用壽命增加。但是，非接觸式傳感器的輸出會(huì)受到被測(cè)對(duì)象與傳感器之間介質(zhì)或環(huán)境的影響，因此，傳感器的標(biāo)定必須在使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

  (7)按作用形式分類分為主動(dòng)型和被動(dòng)型傳感器。

  主動(dòng)型傳感器又分為作用型和反作用型傳感器，此種傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象能發(fā)出一定的探測(cè)信號(hào)，能檢測(cè)探測(cè)信號(hào)在被測(cè)對(duì)象中所產(chǎn)生的變化，或由探測(cè)信號(hào)在被測(cè)對(duì)象中產(chǎn)生某種效應(yīng)而形成檢測(cè)信號(hào)。檢測(cè)探測(cè)信號(hào)變化方式的稱為作用型，檢測(cè)產(chǎn)生響應(yīng)而形成信號(hào)方式的稱為反作用型。雷達(dá)與無(wú)線電頻率范圍探測(cè)器是作用型的實(shí)例，而光聲效應(yīng)分析裝置與激光分析器是反作用型的實(shí)例。

  被動(dòng)型傳感器只是接收被測(cè)對(duì)象本身產(chǎn)生的信號(hào)，例如紅外輻射溫度計(jì)、紅外攝像裝置等。

  (8)按照制造工藝和制造材料分類

  按照制造工藝分為集成、薄膜、厚膜等傳感器按照制造材料分為金屬、聚合物、半導(dǎo)體、陶瓷、混合物等傳感器。

  (9)按應(yīng)用領(lǐng)域分類

  分為工業(yè)、民用、科研、醫(yī)療、農(nóng)用、軍用等傳感器。