3-2工程中常用传感器及分类优化：全面掌握传感器分类与应用

传统传感器广泛应用于工程测试中，是一种获取信息的装置。对这种传感器的定义有多种说法，较为广义的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置被称为传感器。其被测量可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后输出的信号可以为各种非电量，但在现代的实际应用中，传感器转换后输出的信号大多为电信号。而从狭义上讲，传感器定义为：是能把外界输入的非电信号转换为电信号输出的装置。从某种意义上说，可称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号在一般情况下非常微弱，必须输送给后续配套的测量电路，以实现电信号的调理、分析、显示和记录，最后使观测者获取所需要的信息。而在各种自动化控制系统中，首先必须从被控对象中检测到信息，才能进行自动控制，因此传统传感器在自动控制系统中是首当其冲的器件。

一、工程中常用传感器的组成及分类

1.传感器的组成

传感器一般由敏感器件与其他辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。

一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。

随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种新型的“智能化传感器”。这种传感器将在本书第四章中论述。

2.传感器的分类

传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。

传感器的分类方法很多，概括起来，可按以下几个方面进行分类。

（1）按被测物理量来分，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器等。

（2）按传感器工作的物理原理来分，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式传感器等。

（3）按信号变换特征来分，可分为物性型和结构型传感器。

所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。

所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号的转换的传感器。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。

（4）按传感器与被测量之间的关系来分，可分为能量转换型和能量控制型的传感器。

能量转换型传感器（或称无源传感器），是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。

能量控制型传感器（或称有源传感器）分为两种形式。其一如图3-1（a）所示，它是由外部辅助能源供给传感器工作的，并且由被测量来控制能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，由被测量变化所引起的电阻变化控制电桥的输出。此外，电阻温度计、电感式测微仪、电容式测振仪等均属于此种类型。其二如图3-1（b）所示，由外部能源供给激励信号发生器，而激励信号发生器以信号激励被测对象。输入传感器的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤、用激光散斑技术测量应变等。

图3-1 能量控制型传感器框图

另外，按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式传感器两种，前者的输出量为连续变化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用，数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换器转换为数字量。

二、传统传感器的发展动向

最近十几年来，由于对传感器在信息社会中的作用有了新的认识和评价，各国都将传感器技术列为重点发展技术。

当今，传感器技术的主要发展动向，一是开展基础研究，重点研究传感器的新材料和新工艺；二是实现传感器的智能化。

（1）利用物理现象、化学反应和生物效应设计制作各种用途的传感器，这是传感器技术发展的重要基础工作。例如，利用某些材料的化学反应制成的识别气体的“电子鼻”；利用超导技术研制成功的高温超导磁传感器等。

（2）传感器向高精度、一体化、小型化的方向发展。工业自动化程度越高，对机械制造精度和装配精度要求就越高，相应地测量程度要求也就越高。因此，当今在传感器制造上很重视发展微机械加工技术。微机械加工技术除全面继承氧化、光刻、扩散、沉积等微电子技术外，还发展了平面电子工艺技术，各向异性腐蚀、固相键合工艺和机械分断技术。

所谓一体化，是传感器与信号调节电路一体化，即将调节电路直接集成到传感器上，这样既改善了传感器的性能，又使其体积减小。

（3）发展智能型传感器。智能型传感器是一种带有微处理器并兼有检测和信息处理功能的传感器。智能型传感器被称为第四代传感器，使传感器具备有感觉、辨别、判断、自诊断等功能，是传感器的发展方向。

实践证明，传感器技术与计算机技术在现代科学技术的发展中有着密切的关系。而当前的计算机在很多方面已具有了大脑的思维功能，甚至在有些方面的功能已超过了大脑。与此相比，传感器就显得比较落后。也就是说，现代科学技术在某些方面因电子计算机技术与传感器技术未能取得协调发展而面临许多问题。正因为如此，世界上许多国家都在努力研究各种新型传感器，改进传统的传感器。开发和利用各种新型传感器已成为当前发展科学技术的重要课题。

基于上述开发新型传感器的紧迫性，目前国际上，凡出现一种新材料、新元件或新工艺，就会很快地应用于传感器，并研制出一种新的传感器。例如，半导体材料与工艺的发展，就出现了一批能测很多参数的半导体传感器；大规模集成电路的设计成功，发展了有测量、运算、补偿功能的智能传感器；生物技术的发展，出现了利用生物功能的生物传感器。这也说明了各个学科技术的发展，促进了传感器技术的不断发展；而各种新型传感器的问世，又不断为各个部门的科学技术服务，促使现代科学技术进步。它们是相互依存、相互促进的，这也说明了目前要开发新型传感器不但重要，而且也是可能的。

在我国近20年来，传感器虽然有了较快的发展，有不少传感器走上市场，但大多数只能用于测量常用的参数、常用的量程、中等的精度，远远满足不了我国四个现代化建设的要求。而与国际水平相比，我国的传感器不论在品种、数量、质量等方面，都有较大的差距。为此，努力开发各种新型传感器，以满足我国四化建设的需要，是摆在我国科技工作者面前的紧迫任务。(www.xing528.com)

为了适应我国科学技术发展的需要，本章从实际出发，根据作者的实践和体会，在编写了典型的传感器的基础上，还编入了部分新型传感器，供读者参考。

三、传统传感器的选用原则

了解传感器的结构及其发展后，如何根据测试目的和实际条件，正确合理地选用传感器，也是需要认真考虑的问题。下面就传感器的选用问题作一些简介。

选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

1.灵敏度

一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。

其一，当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号，又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。

其二，与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。

其三，当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。

2.响应特性

传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。此外，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器（如利用光电效应、压电效应等传感器）响应时间短，可工作频率宽；而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响以及机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。

3.线性范围

任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。

传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。

然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。

4.稳定性

稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。其一，根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，温度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸入间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。其二，要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。

5.精确度

传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。

然而，在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好，这还需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。

在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须获得精确量值。但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.1～0.01μm范围内，欲测得这样的精确量值，必须要有高精确度的传感器。

6.测量方式

传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。

在机械系统中，对运动部件的被测参数（例如回转轴的误差、振动、扭力矩），往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。

在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏性检测方法。

在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，而必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、干涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方向。

除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。