第 1 章 傳感器理論基礎(chǔ)

在系統(tǒng)學(xué)習(xí)各類傳感器之前，首先應(yīng)該掌握傳感器的基本理論及檢測技術(shù)的相關(guān)知識，主要包括傳感器的概念、分類和基本特性，檢測系統(tǒng)的組成與功能，基本測量方法，測量誤差及數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，為后續(xù)知識的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

1.1   傳感器基礎(chǔ)

在當(dāng)今的信息時代，人們越來越迫切地希望能準(zhǔn)確地掌握自然界和生產(chǎn)領(lǐng)域更多的各類信息，而傳感器則是人們獲取這些信息的主要途徑和手段，因此傳感器與人們的關(guān)系越

來越密切。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首—要環(huán)節(jié)，它對于提高生產(chǎn)的自動化程度、促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用。

1.1.1       傳感器的概念

關(guān)于傳感器的概念，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7665

1987規(guī)定：“傳感器（sensor）是能感受規(guī)

定的測量量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。也就是說，傳感器是一種按一定的精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量器件或裝置，用于滿足系統(tǒng)信息傳輸、存儲、顯示、記錄及控制等要求。

①傳感器首先是一種測量器件或裝置，它的作用體現(xiàn)在測量上。例如我們常見的發(fā)電機(jī)，它是一種可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的轉(zhuǎn)換裝置，從能量轉(zhuǎn)換的角度看，它是一種發(fā)電設(shè)備，不能稱之為傳感器；但從另一個角度看，人們可以通過發(fā)電機(jī)發(fā)電量的大小來測量調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，這時，發(fā)電機(jī)就可看成是一種用于測量轉(zhuǎn)速的測量裝置，是一種速度傳感器，通常稱之為測速發(fā)電機(jī)。應(yīng)用傳感器的目的就是為了獲得被測量的準(zhǔn)確信息，這也是本課程的學(xué)習(xí)目的。

②傳感器定義中所謂“可用輸出信號”是指便于傳輸、轉(zhuǎn)換及處理的信號，主要包括氣、光和電等信號，現(xiàn)在一般就是指電信號（如電壓、電流、電勢及各種電參數(shù)等），而“規(guī)定的測量量”一般是指非電量信號，主要包括各種物理量、化學(xué)量和生物量等，在工程中常需要測量的非電量信號有力、壓力、溫度、流量、位移、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、濃度等。正是由于這類非電量信號不能像電信號那樣可由電工儀表和電子儀器直接測量，所以就需要利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換。

③傳感器的輸入和輸出信號應(yīng)該具有明確的對應(yīng)關(guān)系，并且應(yīng)保證一定的精度。

④關(guān)于“傳感器”這個詞，目前國外還有許多提法，如變換器（transducer）、轉(zhuǎn)換器（converter）、檢測器（detector）和變送器（transmitter）等，而根據(jù)我們國家的規(guī)定，傳感器定名為sensor；當(dāng)傳感器的輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)信號（1V～5V、4mA～20mA）時，稱為變送器（transmitter），注意二者不要混淆

1.1.2       傳感器的組成和分類

1.  傳感器的組成

傳感器的種類繁多，其工作原理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，所以結(jié)構(gòu)、組成差異很大。但總的來說，傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測量電路組成，有時還加上輔助電源，如圖1.1所示。

1）  敏感元件（sensing element）

圖1.1   傳感器組成框圖

即輸出相應(yīng)的位移量。

圖1.2   氣體壓力傳感器 

2）  轉(zhuǎn)換元件（transduction element）

轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的

部分。在圖1.2中，轉(zhuǎn)換元件是可變電感線圈3，它把輸入的位移量轉(zhuǎn)換成電感的變化。需要指出的是，并不是所有的傳感器都能明顯地區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，有

的傳感器轉(zhuǎn)換元件不止一個，需要經(jīng)過若干次的轉(zhuǎn)換；有的則是二者合二為一。

3）  測量電路（measuring circuit）

測量電路又稱轉(zhuǎn)換電路或信號調(diào)理電路，它的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行進(jìn)

一步的轉(zhuǎn)換和處理，如放大、濾波、線性化、補(bǔ)償?shù)?，以獲得更好的品質(zhì)特性，便于后續(xù)

電路實(shí)現(xiàn)顯示、記錄、處理及控制等功能。測量電路的類型視傳感器的工作原理和轉(zhuǎn)換元

件的類型而定，一般有電橋電路、阻抗變換電路、振蕩電路等。 

2.  傳感器的分類

通常，一種傳感器可以檢測多種參數(shù)，一種參數(shù)又可以用多種傳感器測量，所以傳感器的分類方法也很多，至今尚無統(tǒng)一規(guī)定，歸納起來一般有以下幾種。

1）  按工作原理分類這是傳感器zui常見的分類方法，這種分類方法將物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的原理、規(guī)

律和效應(yīng)作為分類的依據(jù)，有利于對傳感器工作原理的闡述和對傳感器的深入研究與分析，本書主要就是按這一分類方法作為編寫體系介紹各種類型的傳感器。

按照傳感器工作原理的不同，傳感器可分為電參數(shù)式傳感器（包括電阻式、電感式和電容式傳感器）、壓電式傳感器、光電式傳感器（包括一般光電式、光纖式、激光式和紅外式傳感器等）、熱電式傳感器、半導(dǎo)體式傳感器、波式和輻射式傳感器等。這些類型的傳感器大部分是分別基于其各自的物理效應(yīng)原理命名的。

2）  按被測量分類按被測量的性質(zhì)進(jìn)行分類，有利于準(zhǔn)確表達(dá)傳感器的用途，對人們系統(tǒng)地使用傳感器

表1-1   基本被測量和派生被測量

3）  按結(jié)構(gòu)分類按傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)（如形狀、尺寸等）的變化，利用某些物理規(guī)律，