传感器的组成及类别分析

传感器由敏感元件、传感元件和其他辅助部件组成，如图1.3所示。

图1.3　传感器的组成框图

·敏感元件：直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测非电量具有确定关系的有用非电量。

·传感元件：又称变换器，将敏感元件输出的有用非电量直接转换成电量。

·信号调节与转换电路：把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。

·辅助电路：包括电源等环节。

对于结构型和物性型传感器而言，其传感器的组成是不同的。对于物性型传感器，其组成环节比较简单，如图1.4所示。它没有敏感元件，传感元件能直接感受被测非电量而输出电量。例如，对于半导体压敏传感器，被测非电量“压力”作用在传感元件上时，传感元件直接将它转换为电阻（率）的变化，即直接转换成了有用电量输出。

图1.4　物性型传感器的组成框图

结构型传感器一般包括敏感元件和传感元件两个环节，即被测非电量通过敏感元件转换为有用非电量，再由传感元件转换为有用电量输出，如图1.5所示。

图1.5　结构型传感器的组成框图

【例1.2】　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1.6所示，它由定极板、动极板、弹性体、极板绝缘体等部分组成。设极板间距为d，则传感器的初始电容为，A为极板有效面积。这种大吨位称重传感器一般埋于地下，当载重车辆在上面经过时，弹性体受压力作用而产生形变，反应为动极板的上下位移，导致极板间距离减小为d′，电容量也发生相应的变化，变为。

图1.6　大吨位电容式称重传感器

这里，被测非电量为外界压力，弹性体则作为敏感元件，将外界压力转换为电容器极板间距离的变化，这是一个有用非电量，然后，再经电容传感器这个传感元件，将其转换为有用电量（电容量C）输出。

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实际上，传感器的具体构成方法，根据被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况不同，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，即自源型、带激励源型和外源型。前两者属于能量转换型传感器，也称为有源型传感器；后者是能量控制型传感器，也称为无源型传感器。

1）自源型

自源型是最简单、最基本的传感器构成形式，如图1.7所示，只含有转换元件。自源型传感器的特点是不需要外能源，其转换元件能从被测对象直接吸取能量，并转换成电量输出，但输出电量较弱。例如，热电偶、压电器件等都属于自源型传感器。

图1.7　自源型传感器的构成

【例1.3】　热电偶传感器。

图1.8是热电偶传感器的原理示意图。热电偶是利用热电效应构成的传感器，即将两种不同性质的导体A、B组成回路，若节点（1）、（2）处于不同温度时，即，两者间将产生热电势，回路中形成电流，电流的大小与两节点的温度差有关。

图1.8　热电偶传感器的原理示意图

这里，被测量是节点温度，热电偶传感器将被测温度场的能量（热量）直接转换成电量的输出，并不需要其他外能源。因此，它是一种自源型传感器，属于能量转换型传感器。

2）带激励源型

带激励源型传感器由转换元件和辅助能源两部分组成，如图1.9所示。这里的辅助能源起激励作用，可以是电源或磁源。它的特点是不需要变换电路即可有较大的电量输出。例如，磁电式传感器、霍尔电磁式传感器等都属于带激励源型传感器。

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图1.9　带激励源型传感器的构成

【例1.4】　霍尔电磁感应式传感器。

图1.10所示霍尔电磁感应式传感器是依据霍尔效应制成的。所谓霍尔效应，是指将一载流导体放在磁场中，如磁场方向（z方向）与电流方向（x方向）正交，则在与磁场和电流两者都垂直的方向上（y方向），将会出现横向电势，即霍尔电势，其大小为

式中　KH——霍尔灵敏度；

RH——霍尔系数；

d——霍尔元件的厚度。

图1.10　霍尔效应示意图

由此可见，对于霍尔电磁感应式传感器，假设被测量为外加磁场，则转换元件（霍尔传感器）需在辅助能源（激励电流）的作用下，将磁场的变化转换为电量（霍尔电势UH）的输出。它是一种带激励源型传感器，仍属于能量转换型传感器。

【例1.5】　磁电式传感器。

图1.11所示磁电式传感器是根据电磁感应定律制成的。“电磁感应定律”是指，变化的磁场产生电场，即当W匝线圈在均恒磁场中运动时，设通过线圈的磁通为Φ，则线圈内产生的感应电势e与磁通变化率的关系为

图1.11　磁电式传感器原理示意图

根据电磁感应定律，可以制成磁电式传感器。

磁电式传感器由永久磁铁、线圈和动铁芯等部分组成。永久磁铁和线圈固定不动，当动铁芯上下移动时，使永久磁铁和动铁芯之间的气隙δ变化，同时，磁路磁阻也发生变化，引起线圈内磁通的变化，即变化，这样，在线圈中将产生感应电势。这里，被测量是动铁芯上下移动的距离，辅助能源是永久磁铁与动铁芯构成的磁源，磁电式传感器在辅助能源（磁源）的激励下，将被测量（气隙δ的变化）转换为线圈感应电势输出。因此，这种磁电式传感器属于带激励源型传感器，是一种能量转换型传感器。

3）外源型

外源型传感器由转换元件、变换电路和外加电源组成，如图1.12所示。这里的“变换电路”是指信号调理与转换电路，把转换元件输出的电信号，调理成便于显示、记录、处理和控制的可用信号，例如，电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器及脉冲调宽电路等。可见，外源型传感器必须通过带外电源的变换电路，才能获得有用的电量输出，这与前面介绍的属于能量转换型的自源型、带激励源型传感器显然不同，外源型传感器是一种能量控制型传感器。

图1.12　外源型传感器的构成

实际使用中的传感器，其特性会受到环境变化的影响。为消除环境干扰的影响，目前广泛采用的线路补偿法有三种构成形式，即相同传感器的补偿型、差动结构补偿型和不同传感器的补偿型。

相同传感器的补偿型如图1.13所示，采用两个完全相同的转换元件，并置于同一环境中。其中一个转换元件接收输入信号并接受环境影响，另一个只接受环境影响，然后，通过线路，使后者消除前者环境干扰的影响。这种方法在应变式传感器中常被采用。

图1.13　相同传感器补偿型的构成

差动结构的补偿型如图1.14所示，采用两个完全相同的转换元件，它们同时接收被测输入量，并置于同一环境中。但两个转换元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，这样，通过测量电路，使有用输出量增加，干扰量相互抵消。

图1.14　差动结构补偿型的构成

不同传感器的补偿型如图1.15所示，转换元件1和2是两个性质不同的转换元件，转换元件2接收输入信号，并已知其受环境影响的特性，转换元件1接受环境影响，并通过电路向转换元件2提供等效的抵消环境影响的补偿信号。

图1.15　不同传感器补偿型的构成