第1章传感器概论

1 第一章 传感器概论 第一节 传感器的基本概念 一、传感器定义 能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 传感器是一种获取信息的装置。它的定义是:借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换的大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器定义为，把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。所以一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号继续输送给后续的配套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等等。在一个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首当其冲的装置。 广义上的定义为，“凡是利用一定的物性（物理、化学、生物）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并且输出与输入严格一一对应的器件和装置均称为传感器”。 二、传感器命名及代号 1. 传感器命名：由主题词加四级修饰语构成 ①主题词——传感器 ②第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语 ③第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字 ④第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字。 ⑤第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵敏度等）。例： 题目中的用法：在有关传感器的统计表格、图书索引、检索以及计算机汉字处理等特殊场合，应采用上述之顺序： 如：传感器，位移，应变[计]式，100mm； 正文中的用法 ：在技术文件、产品样本、学术论文、教材及书刊的陈述句子中，作为产品名称应采用与上述相反的顺序 如：10mm 应变式位移传感器 2 表1-1 传感器命名构成及各级修饰语举例 第四级修饰语 技术指标 主题词 第一级修饰语 被测量 第二级修饰语 转换原理 第三级修饰语

特征描述 范围（量程、精

确度、灵敏度） 单 位

传感器 速度 加速度 加加速度 冲击 振动 力 重量（称重） 压力 声压 力矩 姿态 位移 液位 流量 温度 热流 热通量 可见光 照度 湿度 粘度 浊度 离子活[浓]度 电流 磁场 马赫数 射线 电位器[式] 电阻[式] 电流[式] 电感[式] 电容[式] 电涡流[式] 电热[式] 电磁[式] 电化学[式] 电离[式] 压电[式] 压阻[式] 应变计[式] 谐振[式] 伺服[式] 磁阻[式] 光电[式] 光化学[式] 光纤[式] 激光[式] 超声[式] (核)辐射[式] 热电 热释电 直流输出 交流输出 频率输出 数字输出 双输出 放大 离散增量 积分 开关 陀螺 涡轮 齿轮转子 振动元件 波纹管 波登管 膜盒 膜片 离子敏感FET 热丝 半导体 陶瓷 聚合物 固体电解质 自源 粘贴 非粘贴 焊接

0~1000 ±5 -100~+500 -430~445 0.5%

2.传感器代号 代号：依次为主称（传感器） 被测量—转换原理—序号 ①主称——传感器 代号C ②被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。 ③转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记 ④序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）例： 3 应变式位移传感器： C WY-YB-20 光纤压力传感器：C Y-GQ-2 三、传感器图形符号 图形符号通常用于图样或技术文件中来表示一个设备或概念的用形，标记或字符。由于它能象征性或形象化地标记信息，因而当事者可以越过语言障碍，直截了当地表达或交流设计者的思想和意图。 传感器图用图形符号是电气图用图形符号的一个组成部分。1994年2月1日国家批准实施的GB/T 14479—93《传感器图用图形符号》是与国际接轨的。按照它的规定，传感器图用图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成，如图1-1所示。

图1-1 传感器图用图形符号 在图1-1中，正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件。 在使用这种图形符号时应注意以下几个问题： （1）表示转换原理的限定符号应写进正方形内，表示被测量的限定符号应写进三角形内，如图1-2所示。 （2）当无需强调具体的转换原理时，传感器图用图形符号亦可简化，如图1-3所示。 （3）对于传感器的电气引线，应根据接线图设计需要，从正方形的三个边线垂直引出，如图1-4所示。如果引线需要接地或接壳体、接线板，应按GB 4728.2中的规定绘制，如图1-5，1-6所示。

图1-2 图1-3 图1-4 4 图1-5 图1-6 图1-7 (4)对于某些转换原理难以用图形符号简单、形象地表达时，例如离子选择电极式钠离子传感器，也可用文字符号替代，如图1-7所示。 下面给出几个典型传感器的图用图形符号，如图1-8～1-10所示。

图1-8 图1-9 图1-10 国标GB/T 14479-93给出了43种常用传感器的图用图形符号示例。标准规定，对于采用新型或特殊转换原理或检测技术的传感器，亦可参照标准的有关规定自行绘制，但必须经主管部门认可。

第二节 传感器的构成及分类 一、传感器的基本组成 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中则强调的是能量的转换，如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用员为广泛而概括的用语。 传感器的输出信号通常是电量，它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。 通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或5 响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图1-11所示。

图1-11 传感器组成框图 二、传感器的结构形式 传感器的结构形式取决于传感器的设计思想。而传感器设计的一个重要点就是依据选择信号的方式把选择出来的信号的某一方面性能在结构上予以具体化，以满足传感器的技术要求。 1． 选择固定信号方式和传感器的直接结构

图1-12 直接式传感器的构成方法 固定信号方式是把除被测量x以外的变量固定或控制在某个定值上。以金属导线的电阻变化为例，电阻是金属的种类、纯度、尺寸、温度、应力等的函数。如仅选择根据温度产生的变化作为信号时就可制成电阻温度计；如果选择由尺寸或应力而产生的变化作为信号时就可制成电阻应变片。显然，对于确定的金属材料，在设计温度计时要防止应力带来的影响；在设计应变片时要防止温度带来的影响。如果在测试中，控制前者的应力和后者的温度不变，则为选择固定的信号方式。 选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形式。这种传感器是由一个单独的传感元 6 件和其它环节构成，直接将被测量量转换成为所需输出量。直接式传感器的构成方法于图1-12。 图1-12（a）所示是仅有传感元件的最简单的一种，如热电偶和压电元件。图1-12（b）是使用电电源提供输出能量，如光敏晶体管。图1-12（c）是利用磁铁为传感元件提供能量。如磁电式传感器。而霍尔式传感器则是(b)、(c)两种情况的结合。图1-12（d）所示的传感元件是阻抗元件，输入信号改变其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，必须设计包括传感元件在内的变换电路（实际环节也可归入中间变换电路）。如具有电桥电路的电阻应变传感器等。 固定的信号方式和直接的传感器结构是最简单最基本的形式。传感器设计中常常采用这种形式。但在一些场合下这种传感器往往不能满足要求，主要原因是它的灵敏度低，易受外界干扰。 2．选择补偿信号方式和传感器的补偿结构 大多数情况下，传感器特性要受到周围环境和内部各种因素的影响不能忽略时、必须采取一定的措施，以消除这些影响。 在设计某种传感器时，面临两种变量，一种是需要的被测量x，另一种是不希望出现而又存在的各种影响量n（通称干扰量）。假设被测量x和影响量n都起作用时的变化关系为第一函数；仅仅是影响量起作用时的变化关系为第二函数。对于被测量来说，如果影响量的作用效果是叠加的，则可取两函数之差；如果影响量的作用效果是乘积递增，则可取两函数之商，即可消除n的影响。这种选择信号方式称为补偿方式。实现补偿信号方式的传感器结构是补偿式结构。其构成方法见图1-13。

图1-13 补偿式传感器的构成方法 图中使用两个原理和特性完全一样的传感元件．其中一个接受输入信号(被测量)，另一个不接受输入信号；两个传感元件对环境、内部条件的特性变化相同。虚设一个传感元件的目的在于抵消环境及内部条件对接受输入信号的传感元件的影响。图1-14是用差压计来测