1.3 信號的獲取及傳輸
1.3.1 信號的獲取
現代電子信息系統信號的獲取是通過不同類型的傳感器完成的。
1.信號獲取的基本概念
傳感是指將被測的量或被觀察的量通過傳感器或敏感元件轉換成一個電的、液壓的、氣動的或其他形式的物理輸出量的過程。被測的量或被觀察的量與被轉換的物理輸出量之間根據可利用的物理定律應該具有一種明確的關系。而用來完成這種轉換的裝置則稱為傳感器或敏感元件。
傳感器和敏感元件是兩個不同的概念。敏感元件是指直接感受被測物理量并對其進行轉換的元件或單元，而傳感器則是由敏感元件及其相關的輔助元件和電路組成的整個裝置，其中敏感元件是傳感器的核心部件。因此，傳感器和敏感元件是密切相連的。例如，在彈簧秤中，彈簧便是一個敏感元件，用于敏感所受的力并產生相應的位移。而指針和刻度盤（有時還包括用于指示放大的杠桿機構）則是輔助元件，它們共同組成了一個力傳感器。本書著重于對裝置的信號轉換規律的研究，因此并不嚴格區分它究竟是一個敏感元件還是一個傳感器，如無特殊說明，均將兩者統稱為傳感器。
一個傳感器的輸入及其輸出的兩個量之間的關系可通過傳感器的特性曲線來表示。若特性曲線是一條直線，則稱該傳感器是線性傳感器，其特性曲線的數學表達式為
y=x0+k·x （1-3-1）
式中，x、y分別為傳感器的輸入與輸出；x0為初始值，在大多數線性傳感器中，x0為零，也即輸出信號與輸入信號成正比；常數k稱為傳感系數、轉換比、靈敏度或斜率（但是在許多場合，傳感器的特性曲線不是一條直線，則稱該傳感器是非線性傳感器，此時的靈敏度或斜率在整個特性曲線過程中便不是一個常數，而是時間的函數）。
在輸入量與輸出量之間所期望的關系稱為設定特性曲線，由于測得的實際特性曲線與設定特性曲線之間一般均存在有偏差，便形成了系統誤差。對一線性的設定特性曲線，則稱對它的偏差為線性誤差。
傳感器的不可逆變化是引起誤差的一個主要原因。引起不可逆變化的原因有多種，如老化、零件接觸點狀況變化、熱的或機械的過載及化學變化，摩擦、彈簧的彈性后效、磁性材料的遲滯效應，以及間隙和松動等。在選擇傳感器時對此應加以注意，應盡量選擇對上述情況不敏感的傳感器。此外，溫度的變化、傳感器的老化等也會引起特性曲線的漂移，從而引起誤差。
2.傳感器的分類
傳感器一般都是根據物理學、化學、生物學的效應和規律設計而成的，因此大體上可分為物理型、化學型和生物型三大類。化學型傳感器是利用電化學反應原理，把無機和有機化學物質的成分、濃度等轉換為電信號的傳感器。生物型傳感器是利用生物活性物質選擇性識別及測定生物和化學物質的傳感器。這兩類傳感器廣泛應用于化學工業、環保監測和醫學診斷。物理型傳感器則廣泛應用于工業測控技術領域。
按構成原理，物理型傳感器又可分為物性型傳感器和結構型傳感器。物性型傳感器利用其物理特性變化實現信號轉換，如熱敏電阻、光敏電阻等。結構型傳感器利用其結構參數變化實現信號轉換，如變極距型電容傳感器、變氣隙式電感傳感器等。
根據能量觀點，物理型傳感器又可分為能量轉換型和能量控制型兩類。前者將非電能量轉換為電能量，不需要外電源，因此又稱為有源傳感器，也稱為換能器。壓電式、磁電式傳感器和熱電偶等都屬于這一類。后者需要外部電源供給能量，因此又稱為無源傳感器。這類傳感器本身不是一個換能器，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調節作用。電阻式、電感式和電容式傳感器等都屬于這一類。
按輸出信號表示形式，物理型傳感器又可分為模擬式和數字式兩類。另外，按照制備傳感器所用的材料，物理型傳感器可以分為半導體傳感器、金屬傳感器、陶瓷傳感器、光纖傳感器、高分子傳感器和生物傳感器等；按傳感器的檢測對象，物理型傳感器可以分為溫度傳感器、光敏傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、氣敏傳感器、濕度傳感器、離子傳感器等。還有更為具體的分類形式，如按照轉換原理分類的（如電磁傳感器和光電傳感器），按照用途分類的（如工業、民用、醫療、軍用及汽車傳感器）等。
傳感器按照被測物理量的分類如表1.3.1所示，按照輸出量性質的分類如表1.3.2所示。
表1.3.1 傳感器按照被測物理量的分類
表1.3.2 傳感器按照輸出量性質的分類
當前，傳感器技術發展的速度很快。隨著各行各業對測量任務的需要的不斷增長，新型的傳感器層出不窮。同時，隨著現代信息技術的高速發展，傳感器也朝著小型化、集成化和智能化的方向發展。傳感器已不再是傳統概念上的傳感器。一些現代傳感器常常將傳感器和處理電路集成在一起，甚至和一個微處理器相結合，構成所謂的“智能傳感器”。另外，利用微電子技術或微米/納米技術可在硅片上制造出微型傳感器，使傳感器的應用范圍更加擴大。可以預見，隨著科學技術的發展，傳感器技術也將得到更進一步的發展。
1.3.2 信號的傳輸
傳感器信號的傳輸方式大體上可分為四線式、三線式和兩線式三種，可根據傳感器的種類和不同的需要來選擇。
兩線式傳輸采用兩根導線作為電源和信號的公用線。采用兩線式傳輸方式的傳感器相當于一個可變電阻，其阻值與被測參數有關，此時電源、傳感器和過程通道中的接收器件采用串聯方式，當被測參數變化時，流過接收器件的負載電流也隨之變化。由于半導體器件工作時需要一定的工作電流，即使當被測參數處于零點時，也要有一定的工作電流，故兩線式傳輸方式有一個零點電流。國際統一電流信號4～20mA中的4mA就是零點電流。此外，兩線式傳輸還要求使用以零電位起始的單電源供電，不能使用正、負電源。
電源與信號分別占用一根導線，另外還有一根專門的公共地線，便形成三線式傳輸方式。三線式傳輸方式采用集中電源供電時，傳感器之間相互影響，信號零點不易調整，因此三線式傳輸方式要求使用獨立電源供電。
電源與信號分別采用兩根導線傳送，便形成四線式傳輸方式，由于信號與電源分別傳送，所以該方式對傳感器的零點沒有嚴格要求。
傳感器的信號傳輸分兩種情況，即敏感元件與傳感器電路間的信號傳輸和傳感器電路之間的信號傳輸。對前一種情況，主要考慮敏感元件拾取的信號在傳輸中受導線電阻的影響，如熱敏電阻，如果熱敏電阻較大且信號傳遞的距離較近，此時，導線電阻可以忽略不計，用兩線式傳輸就可以了；如果熱敏電阻較小，信號傳輸的距離又較遠，就必須考慮導線電阻的影響，因此此時需采用三線式或四線式信號傳輸方式，以消除導線電阻的影響。對后一種情況，傳輸的信號有電流信號和電壓信號之分，由于電壓信號易受導線電阻和干擾信號的影響，所以多采用電流信號傳輸，即兩線式傳輸方式。