传感器的组成和定义

1.传感器的定义

传感器是一种装置或器件，是与人的感觉器官相对应的元件。国家标准（GB/T 7665—2005）给传感器的定义是：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。它包含以下几层意思：

传感器是测量器件或装置，能完成一定的检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量等，一般情况下是电量；电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定，输出/输入有对应关系，且应有一定的精确度。

在有些学科领域，传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法，反映了在不同的技术领域中，只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域，常把能感受信号的电子元件称为敏感元件，如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等，在超声波技术中，则强调的是能量的转换，如压电式换能器。变送器将传感器输出的信号变换成便于传输和处理的信号，大多数变送器的输出信号是统一的标准信号（目前多为4～20mA直流电流），信号标准是系统各环节之间的通信协议。

2.传感器的组成

传感器是能感受被测量（物理量、化学量、生物量等）的大小，并按照一定的规律将其转换成可用输出信号（一般多为电量）的被测量的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。传感器转换能量的理论基础都是利用物理学、化学、生物学现象和效应来进行能量形式的变换。被测量和它们之间的能量的相互转换是各种各样的。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。在实际情况中，由于有一些敏感元件直接就可以输出变换后的电信号，而一些传感器又不包括敏感元件在内，故常常无法将敏感元件与转换元件严格加以区别。

常见的转换元件中，例如，可以将位移量直接变换为电容、电阻及电感的电容变换器、电阻变换器及电感变换器；能直接把温度变换为电动势的热电偶变换器等。

但是有些传感器输出信号微弱，需要其他技术处理。例如，半导体、气体和湿度传感器等都是将其感受的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节。但由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等，将其放大或变换为容易传输、处理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源，因此，信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等是敏感元件与转换元件两者合二为一的传感器。(https://www.xing528.com)

图1-2所示是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体1固接，上半部通过连杆与铁芯4相连，铁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力p_a相通，内部感受被测压力p。当被测压力p变化时，引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图1-2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。基本转换电路：上述电感变化量接入基本转换电路（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，然后输入到测控电路，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1-2 气体压力传感器的示意图

1—壳体 2—敏感元件膜盒 3—转换元件电感线圈 4—铁芯 5—转换电路

如果把传感器看作一个二端口网络，则其输入信号主要是被测的物理量（如长度、力）等时，必然还会有一些难以避免的干扰信号（如温度、电磁信号）等混入。严格地说，传感器的输出信号可能为上述各种输入信号的复杂函数。就传感器设计来说，希望尽可能做到输出信号仅仅是（或分别是）某一被测信号的确定性单值函数，且最好呈线性关系。对使用者来说，则要选择合适的传感器及相应的电路，保证整个测量设备的输出信号能唯一、正确地反映某一被测量的大小，而对其他干扰信号能加以抑制或对不良影响能设法加以修正。

图1-3所示为传感器组成框图，此图说明了传感器的基本组成和工作原理。

图1-3 传感器组成框图