传感器基础(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室-
1 传 感 器 基 础 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室
目录一、传感器的含义二、传感器的功能三、传感器组成及各部分的作用四、传感器的命名五、传感器的分类六、对传感器的性能要求七、传感器选用的基本原则八、传感器的发展方向九、传感技术的应用补充问题1、作为传感器工作的物理基础有哪些基本定律？2、为什么把传感器比喻为“电五官”？3、工业生产过程中对各种非电量进行检测的元件有哪些？4、传感器的构成法有哪些？5、传感器与变送器的分类方法有哪些？6、如何根据传感器的性能要求来选用传感器？7、如何正确使用传感器？8、传感器的发展经历了哪几个阶段？9、数字式传感器有哪些特点？10、微处理器与传感器、测量仪表相结合从哪几个方面革新了它们的功能？11、从哪几个方面来实现传感器的集成化？12、智能传感器具有哪些功能？13、智能式传感器有哪几种结构形式？2
2 目 录 一、传感器的含义 二、传感器的功能 三、传感器组成及各部分的作用 四、传感器的命名 五、传感器的分类 六、对传感器的性能要求 七、传感器选用的基本原则 八、传感器的发展方向 九、传感技术的应用 补 充 问 题 1、作为传感器工作的物理基础有哪些基本定律？ 2、为什么把传感器比喻为“电五官”？ 3、工业生产过程中对各种非电量进行检测的元件有哪些？ 4、传感器的构成法有哪些？ 5、传感器与变送器的分类方法有哪些？ 6、如何根据传感器的性能要求来选用传感器？ 7、如何正确使用传感器？ 8、传感器的发展经历了哪几个阶段？ 9、数字式传感器有哪些特点？ 10、微处理器与传感器、测量仪表相结合从哪几个方面革新了它 们的功能？ 11、从哪几个方面来实现传感器的集成化? 12、智能传感器具有哪些功能？ 13、智能式传感器有哪几种结构形式？
一、传感器的含义传感器是一种将各种被测非电量以一定的精度按一定规律转换成与之有确定对应关系的某种可用信号输出的另一种物理量（一般为电量）的测量装置或元件。按照传感器的定义，传感器实际上是一种能量转换器。传感器有时也叫做变换器、变送器、发送器、换能器或探测器、测量头等。这一定义包含了以下几方面的意思：1）传感器是一种测量装置或元件，能完成检测任务：2）它的输入量是某一非电量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量、机械量等：3）它的输出量是某种物理量，可以是气、光、电量等，但一般是电量；4）输出与输入有确定的对应关系，且应有一定的精度，符合一定的规律。应当指出，这里所谓的“可用信号”是指便于传输、处理、显示、记录和控制的信号：当今只有电信号满足上述要求，因此，可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的装置。可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的装置。二、传感器的功能从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。它应具有两方面的功能：1）能感受非电量，如感受压力、位移、温度、气体浓度等；2）可将感受到的非电量转换为电量，如将机械位移量转换为电阻、电容、电感的变化。在现代科学技术发展过程中，非电量测量技术已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中必不可少的部份，获取这些参数的传感器无疑掌握着这些系统的命脉。传感器技术与电子测量技术相结合，形成了非电量电测技术，称为检测技术的第一次变革。到70年代中期，由于微型计算机的问世并应用于检测领域，从根本上打破了检测的传统概念和结构模式，使检测技术又一次发生了根本变革，进入了智能化的时代。3
3 一、传感器的含义 传感器是一种将各种被测非电量以一定的精度按一定规律转换成与之有确 定对应关系的某种可用信号输出的另一种物理量（一般为电量）的测量装置或元 件。 按照传感器的定义，传感器实际上是一种能量转换器。 传感器有时也叫做变换器、变送器、发送器、换能器或探测器、测量头等。 这一定义包含了以下几方面的意思： 1）传感器是一种测量装置或元件，能完成检测任务； 2）它的输入量是某一非电量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量、 机械量等； 3）它的输出量是某种物理量，可以是气、光、电量等，但一般是电量； 4）输出与输入有确定的对应关系，且应有一定的精度，符合一定的规律。 应当指出，这里所谓的“可用信号”是指便于传输、处理、显示、记录和控 制的信号．当今只有电信号满足上述要求，因此，可把传感器狭义地定义为：能 把外界非电信息转换成电信号输出的装置。可以预料，当人类跨入光子时代，光 信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发 展成为：能把外界信息转换成光信号输出的装置。 二、传感器的功能 从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功能材料。 它应具有两方面的功能： 1）能感受非电量，如感受压力、位移、温度、气体浓度等； 2）可将感受到的非电量转换为电量，如将机械位移量转换为电阻、电容、 电感的变化。 在现代科学技术发展过程中，非电量测量技术已经成为各个应用领域，特别 是自动检测、自动控制系统中必不可少的部份，获取这些参数的传感器无疑掌握 着这些系统的命脉。 传感器技术与电子测量技术相结合，形成了非电量电测技术，称为检测技术 的第一次变革。到 70 年代中期，由于微型计算机的问世并应用于检测领域，从 根本上打破了检测的传统概念和结构模式，使检测技术又一次发生了根本变革， 进入了智能化的时代
传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，那么一切测量和控制都是不可能实现的。传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一，信息系统包括三个主要组成部分：传感器、通信系统和计算机，分别相当于人的“感官”（电五官）、“神经”和“大脑”。三、传感器组成及各部分的作用传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制造工艺研制出来的，因此，传感器的组成将随不同情况而有较大差异，但是总的来说，传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加上辅助电源，可用框图来表示：电量被测非电量敏感元件转换元件测量电路辅助电源传感器组成框图1）敏感元件它直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量，其输出量包括电量和非电量。如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用（例如热电偶测温度时产生的热电势可以驱动动圈式毫伏计），那么，就只要由传感器和显示仪表便可构成一个非电量测量系统。这真是再简单不过的了。然而，很多情况下，我们所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器能够接受和转换的非电量（即可用非电量）的装置或器件。这种能把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置我们称之为敏感元件。如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称作预变换器。例如用电阻应变片测压力时就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为4
4 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，如果没有传感器对原始信息 进行精确可靠的捕获和转换，那么一切测量和控制都是不可能实现的。 传感器技术是构成现代信息技术系统的主要内容之一．信息系统包括三个主 要组成部分：传感器、通信系统和计算机，分别相当于人的“感官”（电五官）、 “神经”和“大脑”。 三、传感器组成及各部分的作用 传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或原理按照一定的制 造工艺研制出来的，因此，传感器的组成将随不同情况而有较大差异，但是总的 来说，传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要加 上辅助电源，可用框图来表示： 1）敏感元件 它直接感受被测非电量，并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它 量，其输出量包括电量和非电量。 如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转 换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用(例如热电偶测温度时产生 的热电势可以驱动动圈式毫伏计)，那么，就只要由传感器和显示仪表便可构成一 个非电量测量系统。这真是再简单不过的了。 然而，很多情况下，我们所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能 转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传 感器能够接受和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件。这种能把被测非电 量转换为可用非电量的器件或装置我们称之为敏感元件。如果把传感器称为变换 器，那么敏感器则可称作预变换器。例如用电阻应变片测压力时就要将应变片粘 贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为 被测非电量 敏感元件 转换元件 测量电路 辅助电源 电量 传感器组成框图
电阻变化。这单弹性元件便是敏感元件，通常同时作用在敏感元件上有多种非电信号，例如：压力、温度、湿度等，我们希望选取的敏感元件只对被测量敏感，对其它量均不反映，这些其它量均被视为干扰量。2）转换元件能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。敏感元件的输出就是它的输入，它把输入非电量转换成电量。应该指出的是，并不是所有的传感器必需包括敏感元件、转换元件。如果敏感元件感受被测量时直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，例如压电晶体、热电偶、热敏电租、光电器件等。因此，敏感元件和转换元件两者合二为一的传感器是很多的。有些传感器的转换元件不只一个，要经过若于次转换。3）测量电路在很多情况下，传感器所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如电阻应变式传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但不能像热电偶产生的热电势那样被电压显示仪表所接受，这就需要用某种电路来对传感器转换出来的电量进行变换和处理，使之成为便于显示、记录、传输或处理的可用电信号（电流、电压、频率等）。接在传感器后面具有这种功能的电路我们称之为测量电路或传感器接口电路。例如电阻应变片接人电桥，特电阻变化转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。测量电路的类型视转换元件的类型而定，经常采用的有电桥电路及其它特殊电路。如高阻抗输入电路，脉冲调宽电路，振荡回路等。例如电阻应变式压力传感器由弹性元件、电阻应变片、测量电桥组成，弹性元件就是敏感元件，它将压力转换成弹性元件的应变（形变）：应变片的电阻丝就是转换元件，它能够将应变转换成电阻的变化，而测量电桥电路可将电阻的变化转换为电流或电压的变化。需要指出的是，并不是所有的传感器必需包括测量电路，而测量电路后面的后续电路，如信号放大、滤波、处理和显示等电路就不再也不应包括在传感器范围之内了。5
5 电阻变化。这里弹性元件便是敏感元件。 通常同时作用在敏感元件上有多种非电信号，例如：压力、温度、湿度等， 我们希望选取的敏感元件只对被测量敏感，对其它量均不反映，这些其它量均被 视为干扰量。 2）转换元件 能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。敏感元件的输出就是 它的输入，它把输入非电量转换成电量。 应该指出的是，并不是所有的传感器必需包括敏感元件、转换元件。如果敏 感元件感受被测量时直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，例如压电晶体、 热电偶、热敏电租、光电器件等。因此，敏感元件和转换元件两者合二为一的传 感器是很多的。有些传感器的转换元件不只一个，要经过若干次转换。 3）测量电路 在很多情况下，传感器所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直 接利用的。例如电阻应变式传感器把应变转换为电阻变化，电阻虽然属电量，但 不能像热电偶产生的热电势那样被电压显示仪表所接受，这就需要用某种电路来 对传感器转换出来的电量进行变换和处理，使之成为便于显示、记录、传输或处 理的可用电信号（电流、电压、频率等）。接在传感器后面具有这种功能的电路， 我们称之为测量电路或传感器接口电路。例如电阻应变片接人电桥，特电阻变化 转换为电压变化，这里电桥便是电阻传感器常用的测量电路。 测量电路的类型视转换元件的类型而定，经常采用的有电桥电路及其它特殊 电路。如高阻抗输入电路，脉冲调宽电路，振荡回路等。 例如电阻应变式压力传感器由弹性元件、电阻应变片、测量电桥组成，弹性 元件就是敏感元件，它将压力转换成弹性元件的应变(形变)；应变片的电阻丝就 是转换元件，它能够将应变转换成电阻的变化，而测量电桥电路可将电阻的变化 转换为电流或电压的变化。 需要指出的是，并不是所有的传感器必需包括测量电路，而测量电路后面的 后续电路，如信号放大、滤波、处理和显示等电路就不再也不应包括在传感器范 围之内了