0传感器与检测技术概念

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1、0传感器与检测技术概念0.1传感器的组成与分类0.1.1传感器的定义所谓传感器，至今国内外尚无统一概念。人类五官是天然的传感器，在工程中可将传感器看成是人体五官的模拟物。于是传感器可定义为“能感受规定的被测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。从这个定义出发，传感器首先是一种测量器件或装置，它的作用是用于测量，以测量为目的。例如，发电机将机械能转换为电能，不是用于测量，故把发电机用于发电时，它不是传感器。但通过发电机所发电的大小来测量调速系统的机械转速，则可将发电机看成是一种用于测量的传感器，称为测速发电机（或发电机测速传感器）。其次“规定的被测量”一般指非电量，

2、主要包括物理量、化学量和生物量等。“量”即参数，表征物质特性（或其运动形式）的参数很多，总体上可分为电量和非电量两大类。电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量是指除电量以外的参数，如压力、流量、尺寸、位移、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等等。采用一般的电工仪表和电子仪表可测量电量，而在实际测量中，大多为非电量，传感器与检测技术就是一种对非电量进行测量的技术。再次“可用信号”是指便于传输和处理的信号。就目前的科技水平而言，便于传输和处理的“可用信号”其实就是电信号。因此，在有的书上，就直接将传感器狭义地定义为“能把外界非电量按一

3、定规律转换电量输出的器件或装置”。可以想象，随着光技术的发展，人类跨入光子时代，光信号将成为便于传输和处理的信号，那时，传感器的概念就将随之发展为：“把外界非电量按一定规律转换成光信号输出的器件或装置”。所以，传感器的概念将随着科技的不断进步而发展，这也是它没有一个确定、统一定义的原因。由于传感器起到一个“转换”作用，故传感器有时又叫转换器、换能器或探测器。这些不同的提法，仅仅反映了在不同技术领域，根据器件用途的不同，对同一类型的器件使用了不同的技术术语而已。例如，在电子技术领域中，常把能感受信号的电子元件叫敏感元件，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

4、，则强调的是能量转换，如压电元件可以起到机—电（或电—机）能量的转换作用，所以把这种可以进行能量转换的器件称之为换能器；对于硅太阳能电池来说，它将光能转换成电能输出，虽也是一种换能器，但在这类器件上更强调的是转换效率，故习惯上将其叫转换器。这些提法在含义上有些狭窄，而传感器一词是使用最为广泛又具有概括性的用语。传感器的输出信号通常是电信号，这便于信号的传输、转换、处理和显示等。电信号的形式很多，有电压、电流、电容和电阻等，由传感器原理确定。0.1.2传感器的组成一般地，传感器由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件和其它辅助部件组成。如图0.1.1所示。图0.

5、1.1传感器组成方框图其中，敏感元件是直接感受（或响应）被测量的部分，并按一定规律转换成与被测非电量有确定关系的有用非电量。转换元件（又叫变换器）是将敏感元件感受到的有用非电量转换成电量。8但是，仅由这两部分构成的传感器，其输出信号一般比较微弱，因此，还需要增加其它辅助部件。这包括信号调节与转换电路，它的作用是将转换元件微弱的输出信号放大或转变为容易传输、处理、记录和显示的可用电信号。此外，辅助电源也应是传感器的组成部分。并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件，有时这二者合为一体。对于特性型传感器（后面讲），如图0.1.2所示，它没有敏感元件，转换元件直接感受被测

6、非电量而输出电量。例如半导体压敏传感器，被测非电量（压力）作用在传感元件上，传感元件直接将它转换为电阻（率）的变化。图0.1.2特性型传感器的组成框图图0.1.3结构型传感器的组成框图结构型传感器（后面讲）一般包含敏感元件和转换元件。被测非电量通过敏感元件转换为有用非电量，再由转换元件转换为有用电量输出，如图0.1.3所示。例1用大吨位电容式称重传感器来说明结构型传感器的组成。图0.1.4大吨位电容式称重传感器大吨位电容式称重传感器基于电容式传感器原理，结构如图0.1.4所示。它由定极板、动极板、弹性体、极板绝缘材料等部分组成。设极距为，则初始电容为，为极板有效面积。动极板的

7、上下位移使极距变为，电容量变为。被测非电量为外界压力，弹性体为敏感元件，将外界压力转换为电容极距的变化，变化的极距是有用的非电量。再经过电容传感器这个转换元件，将变化的极距转换为有用电量（电容量C）输出。实际上，根据被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同，传感器的结构有很大差异。从能量角度分析，典型的传感器构成方法有三种：自源型、带激励源型和外源型。前二者属于能量转换型传感器，也称为有源型；后者是能量控制型传感器，也称为无源型。1自源型这是最简单、最基本的传感器构成形式，只含有转换元件，