传感器分类及原理简介

传感器产品多种多样，可按敏感原理、被测量、材料、工艺、应用等不同方式分类。同一种被测量，可用不同原理的传感器来测量；而基于同一种传感器原理或同一类技术，又可制作多种被测量的传感器。虽然人们利用传感器测量的自然界中的物理量名目繁多，但从本质上看，它们仅是一些基本物理量和由其派生出来的其他物理量，如能了解基本物理量与派生量之间的关系，将有助于划分传感器的类型（见表1-2），从总体上认识掌握传感器的原理、性能以及选择与应用的方法。

表1-2　一些基本物理量和常见派生物理量

（一）按检测过程中对外界能源的需要与否分类

根据检测过程是否需要外界能源，传感器可分为无源传感器和有源传感器。有源传感器也称为能量转换型传感器或换能器，其特点在于敏感元件能将非电量直接转换成电量，如超声波换能器（压电转换）、热电偶（热电转换）、光电池（光电转换）等。

与有源传感器相反，无源传感器的敏感元件本身无能量转换能力，而是随输入信号改变本身的电特性，因此必须采用外加激励源对其进行激励，才能得到输出信号。大部分传感器，如湿敏电容、热敏电阻等都属于此类。由于被测量仅能在传感器中起能量控制作用，因此无源传感器也称为能量控制型传感器。

由于需要为敏感元件提供激励源，无源传感器通常比有源传感器有更多的引线，传感器的总体灵敏度也受到激励信号幅度的影响。此外，激励源的存在可能增加在易燃、易爆气体环境中引起爆炸的危险，在某些特殊场合需要引起重视。

（二）按输出信号的类型分类

根据输出信号的类型，传感器可分为模拟式与数字式2类。模拟式传感器将被测的非电学量转换成模拟电信号，其输出信号中的信息一般以信号的幅度表达。输出为矩形波信号，其频率或占空比随被测参量变化而变化的传感器称为准数字传感器。由于这类信号可直接输入到微处理器内，利用微处理器的计数器即可获得相应的测量值，因此，准数字传感器与数字集成电路具有很好的兼容性。

数字式传感器将被测的非电学量转换成数字信号输出，不仅重复性好、可靠性高，而且不需要模/数转换器（ADC），比模拟信号更容易传输。由于敏感机理、研发历史等多方面的原因，目前真正的数字式传感器种类非常少。许多所谓的数字式传感器实际只是输出为频率或占空比的准数字传感器。(www.xing528.com)

（三）按工作方式分类

传感器的工作方式可分为偏转型和零示型。在偏转型传感器中，被测量产生某种效应，在仪器的某个部分引起相应的可测量的效应。例如，在以扩散电阻为敏感元件的压力传感器中，被测量（压力）导致压力敏感膜片发生变形，引起扩散电阻的阻值发生变化。通过测量电阻的阻值，即可实现压力的测量。

零示型传感器一般是物理量传感器，通过采用某种与被测量所产生的物理效应相反的己知效应来防止测量系统偏离零点。这种传感器需要失衡检测器及用来恢复平衡的某些手段。应用零示型测量方法的最常见例子是机械天平。电子天平也是采用类似机械天平的原理，只不过是采用电磁反馈方式代替操作者手动添加砝码的方式使系统保持平衡。另外，系统平衡状态的检测也采用了力传感器。

相比于偏转型测量，零示型测量通常可得到更精确的结果。由于相反的已知效应能针对某个高精度标准或某个基准进行校准，失衡检测器只在零附近进行测量，因此，这种传感器系统的灵敏度很高。然而，零示型测量方式的速度很慢，尽管可以采用伺服机构来实现平衡的自动化，但其响应时间还是比偏转型的测量系统要长。

（四）按被测量或敏感原理分类

实际工程应用中，最常用的传感器是按被测量或敏感原理分类的。

按被测量（被测对象）分类是众多传感器用户需要的分类方式，物理量传感器如温度、压力、流量、液位、位移等传感器，化学量传感器如化学成分、气味、基因、蛋白质等传感器以及水质、血糖传感器等。这种分类方法对用户与产品生产单位来说一目了然。我国现行国家标准也是按被测量分类的，由于实际中需要测量的对象几乎有无限多种，而这种分类法把原理互不相同的同一用途的传感器归为一类，很难找出各种传感器在转换原理上的共性与差异，不利于掌握传感器的原理与性能的分析方法。

按传感器的敏感原理分类有助于减少传感器的类别，并使传感器的研究与信号调理电路直接相关。根据转换原理，传感器可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。按工作机理可分为结构型（空间型）和物性型（材料型）2大类。结构型传感器依靠传感器结构参数的变化实现信号变换，从而检测出被测量。物性型传感器利用某些材料本身的物性变化来实现被测量的变换，主要以半导体、电介质、磁性体等敏感材料制成固态器件。结构型传感器经常按能量转换种类再分类，如机械式、磁电式、电热式等。物性型主要按其物性效应分类，如压阻式、压电式、压磁式、磁电式、热电式、光电式等。按原理分类有利于对传感器的工作原理与设计进行归纳性的分析研究，使设计与应用更具有理性与灵活性，其缺点是使得对传感器不够了解的用户感到不便。

除上述分类方法外，传感器还可按敏感材料分类，如陶瓷传感器、半导体传感器、高分子聚合物传感器等；按加工工艺分类，有厚膜传感器、薄膜传感器、MEMS传感器等；按应用领域分类，有汽车传感器、机器人传感器、家电传感器、环境传感器等；按信号处理形式或功能分类，有集成传感器、智能传感器和网络化传感器等。

传感器分类方法的多样性表明传感器技术具有很强的跨学科性，几乎涉及现代科学的各个领域，但从另一个角度来看，则表明传感器技术本身的学科方向性较弱。