传感器的构成及作用原理

传感器一般由敏感元件(Sensing Element)、转换元件(Transducing Element)、基本转换电路三部分组成,如图1.1所示。敏感元件指的是传感器中直接感受或响应被测量的部分,是输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件指的是传感器中能将敏感元件感受或相应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分,其输入就是敏感元件的输出。将上述电路参数接入基本转换电路(简称转换电路),便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换,电量输入测控电路,进行放大、运算、处理等进一步转换,以获得被测值或进行过程控制。

图1.1　传感器的组成

实际上,有些传感器很简单,有些则较复杂。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成,它感受被测量时直接输出电量,如热电偶传感器等。有些传感器由敏感元件和转换元件组成,因转换元件的输出已是电量,故无须转换电路,如压电式加速度传感器等。有些传感器的转换元件不止一个,被测量要经过若干次转换。(www.xing528.com)

敏感元件与转换元件在结构上常是安装在一起的,为了减小外界的影响,转换电路也希望和它们安装在一起,不过由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号,从而决定了转换电路是传感器的组成部分之一。

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,将它们装在一个检测器中,形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、环境适应等能力,甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集成化、智能化的发展无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。

传感器除了需要敏感元件和转换元件两部分,还需要转换电路的原因是进入传感器的信号幅度是很小的,而且混杂有干扰信号和噪声,需要相应的转换电路将其变换为易于传输、转换、处理和显示的物理量形式。另外,除一些能量转换型传感器外,大多数传感器还需外加辅助电源,以提供必要的能量,有内部供电和外部供电两种形式。为了方便随后的处理过程,要将信号整形成具有最佳特性的波形,有时还需要将信号线性化,该工作由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成。在某些情况下,这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号,并输入微处理器。

同时,传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质,也可以是化学性质。按照传感器的工作原理,传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。