2.1　傳感器

2.1.1　傳感器的組成

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。如圖2-1所示為傳感器工作原理簡圖。

在傳感器的工作原理中，對于敏感元件與轉(zhuǎn)換元件，其實(shí)并無嚴(yán)格的界限。比如：熱電偶傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成熱電勢輸出，因此熱電偶就是一個完整的傳感器工作單元，它既是敏感元件，又是轉(zhuǎn)換元件，也不需要信號調(diào)理電路；電感式壓力傳感器，實(shí)際應(yīng)用中往往是由膜盒和電感線圈組成，因此膜盒就是敏感元件，電感線圈則是轉(zhuǎn)換元件，這種類型的傳感器就是由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件共同組成一個完整的傳感器工作單元；應(yīng)變式密度傳感器，如圖2-2所示，浮子先將被測液體的密度轉(zhuǎn)換成浮力變化，浮力作用在懸臂梁上使梁產(chǎn)生變形，粘貼在懸臂梁上的電阻應(yīng)變片再將梁的變形轉(zhuǎn)換成電阻量變化，因此在這個完整的傳感工作過程就存在了浮子、懸臂梁、應(yīng)變片等多個以上的敏感元件。

2.1.2　傳感器的分類

（1）按能量關(guān)系（被測量與輸出電信號的關(guān)系）分類

能量轉(zhuǎn)換型：直接將被測量轉(zhuǎn)換為電信號（電壓等）。例如：熱電偶傳感器、壓電式傳感器。

能量控制型：先將被測量轉(zhuǎn)換為電參量（電阻等），在外部輔助電源作用下才能輸出電信號。例如：應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器。

（2）按工作機(jī)理分類

結(jié)構(gòu)型傳感器：結(jié)構(gòu)形狀或幾何尺寸變化來感受被測量。

物性型傳感器：功能材料內(nèi)在特性及效應(yīng)來感受被測量。

（3）按輸出信號分類

模擬型傳感器：輸出連續(xù)變化的模擬信號。

數(shù)字型傳感器：輸出“1”或“0”兩種信號電平。

（4）按被測量分類

①常見的被測物理量

機(jī)械量：長度、厚度、位移、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、力、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、真空度、力矩、風(fēng)速、流速、流量等。

聲：聲壓、噪聲等。

磁：磁通、磁場等。

溫度：溫度、熱量、比熱容等。

光：亮度、色彩等。

②常見的傳感器

位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、力矩傳感器、滑覺傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、濃度傳感器等。

2.1.3　傳感器的選擇

選擇傳感器時應(yīng)考慮的因素有：與測量條件有關(guān)的因素；與傳感器性能有關(guān)的因素；與使用環(huán)境有關(guān)的因素；與購買和維護(hù)有關(guān)的因素。

選擇傳感器一般步驟：①借助于傳感器的分類表，根據(jù)被測量的性質(zhì)，找出符合用戶需要的傳感器類別，再從典型應(yīng)用中初步確定幾種；②借助于常用傳感器的比較表、價格表，按被測量的測量范圍、精度要求、環(huán)境要求等情況再次確定傳感器的類別；③借助于傳感器的產(chǎn)品目錄選型樣本或傳感器手冊，查出傳感器的規(guī)格型號和性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。

2.1.4　不同類型的傳感器簡介

（1）電阻式傳感器

電阻式傳感器又分為以下幾種：應(yīng)變式傳感器（金屬電阻應(yīng)變片）、壓阻式傳感器（半導(dǎo)體應(yīng)變片）、電位器式傳感器（變阻器式傳感器）和熱電阻傳感器。

①應(yīng)變式傳感器（金屬電阻應(yīng)變片）是利用的電阻應(yīng)變效應(yīng)工作原理，如圖2-3所示。

金屬電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值隨著所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化。金屬電阻應(yīng)變片按敏感柵的結(jié)構(gòu)可分為絲繞式和箔式。

②壓阻式傳感器（半導(dǎo)體應(yīng)變片）是利用壓阻效應(yīng)的工作原理：

式中，R為原電阻值；ΔR為電阻變化值；ν為泊松比；λ為壓阻系數(shù)；E為彈性模量；ε為縱向應(yīng)變。

電阻變化主要由電阻率變化引起，變形導(dǎo)致的電阻變化可以忽略，主要是壓阻效應(yīng)，上式可簡化為，為電阻絲電阻率相對變化，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)λE=70～140。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高、體積小、便于集成；缺點(diǎn)是：溫度誤差大、在較大應(yīng)變下線性較差。類型包括：體型、薄膜型和擴(kuò)散型等三種。

③電位器式傳感器（變阻器式傳感器）是利用機(jī)械位移通過電位器轉(zhuǎn)換，變?yōu)榕c之成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或者電壓輸出的工作原理，一般由電阻元件、骨架及電刷等組成。電位器式傳感器（變阻器式傳感器）除了用于線位移和角位移測量外，還廣泛應(yīng)用于測量壓力、加速度、液位等物理量。該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、精度高、重量輕、輸出信號大、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是：要求輸入能量大、電刷與電阻元件之間容易磨損。

④熱電阻傳感器是利用電阻值隨溫度變化的特性原理制作而成，常用的電阻有：金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻。

金屬熱電阻的正電阻溫度系數(shù)為-200～500℃（鉑電阻：0～630℃；銅電阻：-50～150℃；銦電阻：-296～258℃；錳電阻：-271～210℃）。金屬熱電阻傳感器的測量電路主要是采用三線接法或者四線接法電橋方法。

半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻值隨溫度變化特性可分為三種類型，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTR）以及在某一特定溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻器（CTR）。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器，它隨溫度變化一般比正溫度系數(shù)熱敏電阻器易觀察，電阻值連續(xù)下降明顯。若選正溫度系數(shù)熱敏電阻器，實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)在該元件居里點(diǎn)溫度附近。

NTC型（負(fù)電阻溫度系數(shù)）溫度測量：

式中　R_T——在規(guī)定溫度T時的NTC熱敏電阻阻值；

R₀——在額定溫度T₀時的NTC熱敏電阻阻值；

β——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。

PTR型溫度測量：正電阻溫度系數(shù)（過熱保護(hù)）。

CTR型溫度測量：臨界電阻溫度系數(shù)（開關(guān)元件）。

這種傳感器的特點(diǎn)是：熱敏電阻溫度范圍窄；靈敏度高，體積小，便于集成；特定溫度點(diǎn)檢測靈敏。

用途是：檢測元件、電路保護(hù)元件、溫度補(bǔ)償元件、溫度報警元件等；缺點(diǎn)是：溫度誤差大，在較大應(yīng)變下線性較差。類型包括：體型、薄膜型和擴(kuò)散型等三種。

（2）電容式傳感器

工作原理：將被測量變化轉(zhuǎn)換為電容量變化，如圖2-4所示。

如圖2-4所示兩平行極板構(gòu)成的電容器，其電容量為

式中　C——平行極板構(gòu)成的電容器電容值；

ε——介電常數(shù)；

ε₀——真空介電常數(shù)；

ε_r——相對介電常數(shù)；

A——正對面積；

δ——極板間距離。

由上式可以看出，δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容量的變化。

變極距式電容傳感器，其原理圖如圖2-5所示。

（3）電感式傳感器

電感式傳感器工作原理：基于電磁感應(yīng)原理，將被測量變化轉(zhuǎn)換為電感量（自感和互感）變化。電感式傳感器分類如圖2-6所示。

舉例：變磁阻式傳感器（自感型）的一種類型是變氣隙式自感型傳感器，如圖2-7所示。

自感量：

　　（2-1）

式中，N為線圈匝數(shù)；R_m為磁路總磁阻；l_i為各段導(dǎo)磁體的長度；μ_i為各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；A_i為鐵芯材料的截面積；δ為氣隙的厚度；μ₀為空氣的磁導(dǎo)率；A₀為空氣隙的截面積。

初始自感量：

　　（2-2）

靈敏度：

　　（2-3）

非線性誤差：

　　（2-4）

聲發(fā)射傳感器主要類型有：高靈敏度聲發(fā)射傳感器，是應(yīng)用最多的一種諧振式聲發(fā)射傳感器；寬頻帶聲發(fā)射傳感器，通常由多個不同厚度的壓電元件組成；高溫聲發(fā)射傳感器，通常由鈮酸鋰或鈦酸鉛陶瓷制成；差動聲發(fā)射傳感器，由兩只正負(fù)極差接的壓電元件組成，輸出相應(yīng)的差動信號，信號因疊加而增大；此外，還有微型聲發(fā)射傳感器、磁吸附聲發(fā)射傳感器、低頻抑制聲發(fā)射傳感器和電容式聲發(fā)射傳感器等。就聲發(fā)射源定位而言，實(shí)際運(yùn)用中大量遇到的是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的金屬材料（如壓力容器等），這類材料的聲向各向異性較小，聲波衰減系數(shù)也很小，頻帶范圍大多是25kHz～10MHz，因此選用諧振式聲發(fā)射傳感器比較適合。

聲發(fā)射檢測診斷特點(diǎn)：

①聲發(fā)射檢測診斷是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，能判斷發(fā)射的部位和狀態(tài)，了解缺陷的形成過程和發(fā)展趨勢。

②聲發(fā)射檢測診斷靈敏度高，被檢對象的缺陷在形成初期就有聲發(fā)射現(xiàn)象，只要及時檢測，就可以盡早發(fā)現(xiàn)被檢對象的缺陷。

利用聲發(fā)射傳感器進(jìn)行軸承故障診斷，如圖2-8所示。

（4）壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種利用基于壓電效應(yīng)原理的傳感器，也是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。壓電材料是其敏感元件，利用壓電材料受力后在表面產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為電的非電物理量。

壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)是指當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應(yīng)。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型五種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這五種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)，例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。

壓電式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。缺點(diǎn)是某些壓電材料需要做防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。

壓電式加速度傳感器是傳感器與試件剛性連接，傳感器感受與試件相同頻率的振動。壓電元件兩個表面電荷量與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。測量時，通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性連接，傳感器感受與試件相同頻率的振動。質(zhì)量塊以正比于加速度的交變力作用在壓電元件上，壓電元件的兩個表面就有電荷產(chǎn)生，其電荷量與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。

（5）霍爾傳感器

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A. H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。霍爾效應(yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

霍爾傳感器分為開關(guān)型霍爾傳感器和線性型霍爾傳感器兩種。

a. 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，其輸出數(shù)字量。開關(guān)型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。

b. 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，其輸出模擬量。

①典型產(chǎn)品

霍爾電流電壓傳感器：當(dāng)電流通過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，磁場通過鉗形軟磁鐵芯來聚集，然后用霍爾元件進(jìn)行檢測。基于霍爾閉環(huán)零磁通原理，可以測量直流電壓、交流電壓和混合波形的電壓。此特點(diǎn)區(qū)別于電磁隔離原理的電壓互感器，電壓互感器只能測量交流電壓信號。

②應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

a. 非接觸檢測。在進(jìn)口設(shè)備的再改造中，以及老舊設(shè)備的技術(shù)改造中，顯示出非接觸測量的優(yōu)越性，原有設(shè)備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的數(shù)值。

b. 使用分流器的弊端是不能電隔離，且還有插入損耗，電流越大，損耗越大，體積也越大，人們還發(fā)現(xiàn)分流器在檢測高頻大電流時帶有不可避免的電感性，不能真實(shí)傳遞被測電流波形，更不能真實(shí)傳遞非正弦波形。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊端，且精度和輸出電壓值可以和分流器做的一樣，如精度0.5、1.0級，輸出電壓50mV、75mV和100mV均可。

c. 使用非常方便。取一只LT100-C型電流傳感器，在M端與電源零端串入一只100mA的模擬表頭或數(shù)字萬用表，接上工作電源，將傳感器套在電線回路上，即可準(zhǔn)確顯示主回路0～100A電流值。

d. 傳統(tǒng)的電流電壓互感器，雖然工作電流電壓等級多，在規(guī)定的正弦工作頻率下有較高的精度，但它能適合的頻帶非常窄，且不能傳遞直流；此外，工作時存在勵磁電流，所以這是電感性器件，使它在響應(yīng)時間上只能做到數(shù)十毫秒。眾所周知的電流互感器二次側(cè)一旦開路將產(chǎn)生高壓危害，在使用微機(jī)檢測中需進(jìn)行信號的多路采集，人們正尋求能隔離又能采集信號的方法。電流電壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的優(yōu)點(diǎn)，又解決了傳遞變送器價昂體積大還要配用互感器的缺陷，給微機(jī)檢測等自動化管理系統(tǒng)提供了模數(shù)轉(zhuǎn)換的機(jī)會。在使用中，傳感器輸出信號既可直接輸入到高阻抗模擬表頭或數(shù)字面板表，也可經(jīng)二次處理，模擬信號送給自動化裝置，數(shù)字信號送給計算機(jī)接口。

在3kV以上的高壓系統(tǒng)，電流電壓傳感器都能與傳統(tǒng)的高壓互感器配合，替代傳統(tǒng)的電量變送器，為模數(shù)轉(zhuǎn)換提供方便。

e. 傳統(tǒng)的檢測元件受規(guī)定頻率、規(guī)定波形、響應(yīng)滯后等很多因素的限制，不能適應(yīng)大功率變流技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)運(yùn)而產(chǎn)生的新一代霍爾電流電壓傳感器，以及電流電壓傳感器與真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器組合成為一體化的變送器，已成為人們熟知的最佳檢測模塊。另外，電子電力裝置向高頻化、模塊化、組件化、智能化發(fā)展，使裝置設(shè)計者得心應(yīng)手，這將是電子電力技術(shù)史上劃時代的根本性變革。

由于霍爾電流電壓傳感器的以上優(yōu)點(diǎn)，故而可廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、逆變焊機(jī)、電解電鍍、數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和需要隔離檢測電流電壓的各個領(lǐng)域。

（6）智能傳感器

智能傳感器（intelligent sensor）將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，具有感知的本能，是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有邏輯判斷、信息處理等功能，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，其信號處理流程如圖2-10所示。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個優(yōu)點(diǎn)：通過軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力；功能多樣化。

目前，智能傳感器有智能傾角RS232傳感器、IC總線數(shù)字溫度傳感器、振動網(wǎng)絡(luò)傳感器、智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器等。相比一般傳感器，智能式傳感器有如下顯著特點(diǎn)。

①提高了傳感器的精度。智能式傳感器具有信息處理功能，通過軟件不僅可修正各種確定性系統(tǒng)誤差（如傳感器輸入輸出的非線性誤差、零點(diǎn)誤差、正反行程誤差等），而且還可適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償隨機(jī)誤差、降低噪聲，大大提高了傳感器精度。

②提高了傳感器的可靠性。集成傳感器系統(tǒng)小型化，消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的某些不可靠因素，改善整個系統(tǒng)的抗干擾性能；同時它還有診斷、校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)存儲功能（對于智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)還有自適應(yīng)功能），具有良好的穩(wěn)定性。

③提高了傳感器的性能價格比。在相同精度的需求下，多功能智能傳感器與單一功能的普通傳感器相比，性能價格比明顯提高，尤其是在采用較便宜的單片機(jī)后更為明顯。

④促成了傳感器多功能化。智能式傳感器可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)綜合測量，有一定自適應(yīng)能力，提供數(shù)字通信接口，數(shù)據(jù)輸出形式多樣化（如RS232串行輸出、PIO并行輸出、IEE-488總線輸出以及經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出等）。