传感器的定义、构成与分类详解

传感器是一种将被测量转换成电信号的装置。传感器通常要完成三大任务，首先是将被测量感应转换为特定的非电量（如应变、位移等），其次是将特定的非电量转换成电参数（如电阻、电感、电容等）或电量，最后将电参数或电量变成便于传输和处理的标准电压或电流信号。我们把被测量和电量信号之间的关系称为传感器的输出-输入关系，它是一种可用单调函数来描述的稳定关系。

直接感应被测量，并能输出相应非电量的元件称为敏感元件；将敏感元件输出的非电量转换成电参数或电量的元件称为转换元件；把电参数或电量变成标准电压或电流这种有利于传输、显示、记录和处理的电信号是依靠测量电路完成的。因此，传感器一般由敏感元件与转换元件及部分测量电路构成。

弹性悬臂金属梁，如图1.1-1所示，在自由端受到外界力F的作用时，它发生弯曲变形。悬臂梁作为敏感元件直接感受到了外界作用力（被测量）并转换成自身的形变（非电量），其上表面的延展和下表面的收缩程度与外作用力成正比。粘在悬臂梁上表面的电阻应变片将随着悬臂梁上表面的延展而拉长，被拉长的电阻应变片的电阻值变大，这样就将非电量转换成了电参数。在此例中，电阻应变片是转换元件。如果匹配适当的测量电路来提高灵敏度，并补偿环境温度等外界影响，就构成了一个测量作用力F的传感器。在悬臂梁的弹性变形范围及规定环境条件下传感器的输出-输入关系可以用一个单调的数学函数关系表达。

图1.1-1　弹性悬臂梁

上述测力传感器是电阻式传感器，属于“敏感元件＋转换元件＋测量电路”的C型结构的传感器［见图1.1-2（c）］，这种结构的传感器还有电位器传感器、电感式传感器、压磁式传感器。有些传感器的敏感元件和转换元件是同一元件，属于B型结构的传感器［图1.1-2（b）］，如热敏电阻式传感器、电容式传感器、感应同步器、角度编码器等。B型和C型都是电参数传感器，其转换元件都是无源元件。属于A型结构的传感器［图1.1-2（a）］，被称为电量传感器，其转换元件多是有源元件。如热电偶、磁电式传感器、光电池和压电式传感器，这些传感器的敏感元件和转换元件是合一的，把感应到的外界非电量的变化直接转换成电流（电荷）或电压（电势）输出。如果将两个传感器构造成一个测量正增益变化（＋Δx），一个测量负增益变化（－Δx），它们的输出（＋Δy和－Δy）经差动电路处理后再输出，这就是D型结构的传感器，也称为差动结构型传感器［图1.1-2（d）］。

图1.1-2　传感器的结构类型

（a）A型；（b）B型；（c）C型；（d）D型

传感器是按照信息转换过程中的特征量或原理来分类的，一般分为以下几类。(www.xing528.com)

1.按被测物理量（输入量）分类

按照被测量的物理性质（位移、速度、温度、压力、流量……）分类的方法，可直接阐明传感器的用途，如位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器等等。使用者可以根据被测量选择相对应的传感器。由于可用多种原理来测量某一物理量（如位移），所以很难归纳传感器在原理上的共性。这种分类法不利于学习和掌握传感器的工作原理和分析方法。

2.按工作原理（转换原理）分类

这种分类方法是按照将被测量转换成电量的转换原理来分类的，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电传感器等等。此方法直接描述了传感器的工作原理，揭示了传感器内部的本质问题，有助于研究人员从基本原理上归纳传感器的共性和特性。

3.按能量的传递方式分类

将非电量转换成电量的转换元件均可分为两类：有源元件和无源元件。

有源元件是一种能量转换器，可将非电能量转换成电能量。如热电偶可将热能转换成热电势，光电池可将光能转换成光电势等等。这类传感器有些是可逆的，如压电材料组成的传感器，受压力（或拉力）时，由于压电材料形体的变化将有电荷产生；当给压电材料通上变化的电流时，其形体将随电流的变化而发生形变。所以这样的传感器，当输入机械能时，通过它可转换成电能；反之，当输入电能时，通过它可转换成机械能。这样具有可逆特性的传感器还有磁电式传感器等。

无源元件本身不是一个换能器。被测量直接或间接的作用引起该元件的某一电参数（电阻、电容、电感、电阻率、介电常数……）的变化，要想获得电压和电流的变化值，必须匹配测量电路和辅助电源。由于它不进行能量转换，因此一般是不可逆的。

本篇将按传感器的工作原理，分类讲解和分析其转换原理。学完本篇之后，读者可按被测物理量和能量的传递方式自己归类，以此考核掌握的知识，加深印象，增强灵活应用的能力。