第一節 傳感器的基本概念

一、對傳感器的感性認識

凡是自然界中的物質都必定以一定的量的形式而存在，對各種量的確定便構成了測量的內涵。若對某些量的確定關系到國計民生的問題，則對這些量的研究就容易引起共同重視，測量的準確度就會不斷提高。隨著社會的發展，不斷有新的量值需要被精確確定，久而久之，就逐漸形成了我們現在所從事的測量學科。傳感器技術就屬于測量學科中的關鍵內容。

不妨以我們日常生活中密切相關的測量問題作為學習傳感器技術的切入點。我們在市場和超市會經常看到電子計價秤（圖1-1），其核心元件就是稱重傳感器（圖1-2）；交通警察手持的呼吸式酒精含量測試儀（圖1-3）的核心元件是化學氣體傳感器（圖1-4）；保障我們健康的醫療儀器如B超、CT等帶有多種現代傳感器。可以毫不夸張地說，傳感器已同我們的衣食住行息息相關，我們已經生活在一個離不開傳感器的時代。對于國際貿易、軍事科學，傳感器更是扮演著不可或缺的角色。由此可見，傳感器在現代科學技術中占有非常重要的地位。

對于學習測控信息類專業的學生而言，傳感器技術可能會影響到未來的職業生涯，也就是說學好這門知識可能是獲益終身的。因此，有必要通過本課程的學習對傳感器有比較系統、深入的了解和掌握。

二、傳感器的作用與地位

（一）傳感器在測控系統中的作用與地位

把計算機稱作“電腦”幾乎為人所共知，而知道把傳感器俗稱為“電五官”的人可能還不是很多。在測量與控制領域，傳感器確實在為“電腦”提供五官的功能，離開了傳感器，“電腦”將無法接收到所需要的檢測信號，相當于變成“殘疾”。當然，也就無法完成系統的功能。由此可見，業內人士給傳感器以這樣的形象稱呼可充分表達出傳感器在測量與控制中的重要作用。

測量科學屬于信息科學領域，且處于源頭位置。傳感技術屬于測量科學領域，也處于測量科學的源頭位置。因而，傳感技術在信息科學領域中處于最前端的位置，是源頭的起點，承擔著信息獲取的任務。不妨設想，對于一個重要的信息如果在源頭“失之毫厘”，等到了下游時就可能“謬以千里”。也就是說，在源頭時可能是容易解決的小問題，若在未引起充分重視的情況下傳遞到下游的用戶時就可能成為一個很大的隱患。例如，我國在進口石油時通常是采用容積計價的方法，當負責這方面的國際貿易部門或企業采用油輪運輸時就需要準確知道油輪倉容的信息，而獲得符合要求的信息目前為止依然是一個難題。問題的解決最終還是要歸結到流量、溫度及激光等傳感器的精確程度上去。可見，源頭信息質量的好壞將直接對中下游信息造成影響，由傳感器構成儀器時傳感器的指標直接影響儀器的指標，由傳感器作為控制系統檢測元件時傳感器的性能及精度直接影響整個系統的功能。因此，各國在發展高科技時一直把先進傳感技術放在優先發展的位置。

事實上，在一個測量系統中，傳感器也是處于前端的位置，后面要與測控電路、微機原理等課程銜接。因此，在學習本課程的同時，要注重與后續課程的關聯。

（二）傳感器本身的作用

從上述敘述中可以看出，傳感器有著把各種微弱或微小的物理量轉化為可供宏觀使用的信號的作用。它不僅遠比人的感官靈敏，而且其探測的領域和范圍也極其廣泛。

（三）傳感器研究與應用的側重點

盡管傳感器的應用包羅萬象，種類五花八門，但我們還是能夠根據傳感器的先進程度了解其研究和應用的側重點。

（1）傳感器研究的側重點

如前所述，傳感器的輸出信號的準確性至關重要，這樣就使傳感器的地位非常突出，最新的傳感技術屬于商業機密，是國家間技術保密和競爭的內容。對于新型傳感器技術的研發，主要是對基礎理論進行創新性研究、對制造工藝進行改革以及對新材料進行探索。例如用于位移或長度測量的電感式傳感器，其原理并不復雜，若將我國產品與國外同類產品進行比較，我國產品的售價大概為國外產品的1/5，若應用在高檔圓度儀或表面粗糙度儀上，價格要相差10倍以上，盡管這樣，在進口時往往還要受到對方政府的限制，需要進行煩瑣的商務談判。因此，對特殊用途的新型傳感器技術必須以自主研發的方式獲得，而且要注意及時申請知識產權以對已有技術進行必要的保護。知識產權保護方面的工作在整個傳感器領域中只占很小的比例，但極具重要性，現已成為發達國家的長期任務。

（2）傳感器應用的側重點

對于一些常規的通用類傳感器而言，由于技術成熟所以價格往往很低廉，比如說電子計價秤中的電阻應變片就屬于此類，因此，在整個系統中所占的硬件成本的比例就很低。所以，在應用時要把側重點放在傳感器的正確選購和特性補償方面，必要時還要向廠家進行特殊定制。盡管如此，對傳感器原理的學習還是要認真對待的，因為對其原理的掌握是合理選擇、應用和開發傳感器的基礎。

三、傳感器的定義

（一）傳感器的廣義定義

一種能把特定的（物理、化學、生物）信息按一定的規律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。根據這個定義，我們常用的體溫計、腕表等都屬于傳感器。

（二）傳感器的狹義定義

能把外界非電量信息轉換成電信號輸出的器件稱為傳感器。這其實就是本書中所介紹的主要內容。該定義中沒有對輸入量的大小進行說明，通常都是很微小的量。值得注意的是，該定義中特別強調了用電信號作為輸出量，這是因為電信號是為我們所熟悉且易于處理的信號，信號的強度雖沒提及但應該達到宏觀量級。從該定義中我們還能看到傳感器具有信息敏感的功能和信號放大的作用，是人類延伸自身感官的特殊而有效的手段。

（三）我國標準對傳感器的定義

我國國家標準GB/T 7665-2005《傳感器通用術語》中對傳感器是這樣定義的：能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成。

以上定義均表明，傳感器是由敏感元件和轉換元件所構成的一種檢測裝置，能按一定規律將被測量轉換為電信號輸出，輸出信號與輸入信號間存在確定的關系。

四、傳感器的組成與分類

（一）傳感器的組成

以圖1-2所示的稱重傳感器為例，該傳感器為懸臂梁式傳感器，安裝時將一端固定，另一端懸空并承載被稱物體的重力，重力的作用使彈性體產生變形，黏合在彈性體最易變形部位（圖1-2中彈性體最薄的部位）的敏感元件——電阻應變片就有信號輸出，若這個信號比較微弱或已被調制就還需要基本電路進行放大及變換，從而實現了將非電量轉換為電量的過程。由此可見，傳感器通常由敏感元件、轉換元件和信號調節與轉換電路三部分組成，如圖1-5所示。

在圖1-5中，敏感元件起感受被測量的作用，圖1-2中的稱重傳感器的彈性梁就屬于敏感元件，用它上面材料最薄的部分感受被測力值的大小而產生應變，其幾何參數需要設計，用經過處理的、性能穩定的金屬材料制成。轉換元件可將響應到的被測量轉換為電量，粘貼在彈性梁易變形部位的電阻應變片就屬于轉換元件。信號調節與轉換電路的作用是使輸出信號達到后續處理電路的接口要求，稱重傳感器的信號調節與轉換電路為電橋，實現對應變片輸出信號進行放大的功能，以達到滿足后續電路接口對信號強度要求的目的。

（二）傳感器的分類

對傳感器的分類有多種方式，常用的有以下幾種。

（1）按傳感器的輸入量分類

按輸入的被測物理量如溫度、位移、力值、速度及濕度等進行分類，相應地稱為溫度傳感器、位移傳感器等。由于直觀簡便，所以習慣于用這種分類稱呼的傳感器使用者占有相當的比例。

（2）按傳感器的轉換原理分類

目前在常規傳感器中應用的物理原理主要基于電學、固體物理學及光學等，例如根據電磁感應原理來分有電感式、差動變壓器式及電渦流式傳感器；根據半導體理論來分有熱敏、磁敏及光敏傳感器等。

（3）按傳感器的靈敏度獲得方式分類

按這種分類方法可把傳感器大體上分為兩類，即結構型和物性型。所謂結構型傳感器是指傳感器輸出信號的強度與傳感器的結構有關，例如電感式傳感器、電容式傳感器等。對這類傳感器必須進行結構的優化設計，才能獲得更強的信號。這類傳感器目前應用最為廣泛。所謂物性型傳感器是指利用某些材料本身內在的物理特性和效應感受信號，基本與結構無關，例如以半導體、電介質等作為敏感材料的霍爾傳感器、壓電傳感器等都屬于這一類。

（4）按傳感器的能量轉換方式分類

按轉換元件的能量轉換方式，傳感器可分為有源型和無源型兩類。

有源型也稱能量轉換型或發電型，它把非電量直接變成電壓量、電流量及電荷量等，如磁電式、壓電式、光電池及熱電偶傳感器等。

無源型也稱能量控制型或參數型，它把非電量變成電阻、電容及電感等。