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传感器的组成和分类

1 传感器的组成

传感器通常由敏感元件(Sensing Element)和转换元件(Transduction Element)组成,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量(一般为非电量)的部分;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成有用输出信号(一般为电信号)的部分。例如,应变式压力传感器由弹性膜片和电阻应变片组成,其中弹性膜片是敏感元件,将压力转换为弹性膜片的应变;电阻应变片是转换元件,弹性膜片的应变施加在电阻应变片上,电阻应变片将其转换成电阻的变化量。这里需要说明的是,并不是所有的传感器都能明显区分出敏感

元件和转换元件两个部分,有的是二者合为一体。例如,热电偶是一种感温元件,可以测量温度,被测热源的温度变化可以由热电偶直接转换成热电势输出。

传感器转换元件输出的信号(一般为电信号)都很微弱,传感器一般还需配以测量电路,有时还需要加辅助电源。测量电路是将转换元件输出的信号进行放大和补偿等,以便于传输、处理、显示、记录和控制等。随着集成技术在传感器中的应用,敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源常组合在一起,集成在同一芯片上。

1.1为传感器的组成框图,包括敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源。传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量,是具有某种信息处理能力的系统。其中,敏感元件直接感受被测量,并输出与被测量有确定关系的物理量;转换元件将敏感元件的输出作为它的输入,将输入物理量转换为电路参量;测量电路将上述电路参量接入,最后以电信号的方式输出。这样,传感器就完成了从感知被测量到输出电信号的全过程。感知被测量到输出电信号的全过程。

2 传感器的分类

传感器的品种丰富、原理各异,检测对象几乎涉及各种参数,通常一种传感器可以检测多种参数,一种参数又可以用多种传感器测量。因此,传感器的分类方法非常多,至今为止传感器没有统一的分类方法,人们通常站在不同的角度,突出某一侧面对传感器进行分类。下面是几种常见的传感器分类方法。

1.按工作原理分类

按工作原理的不同,传感器可分为物理型、化学型和生物型三大类,其中,物理型传感器又分为物性型传感器和结构型传感器,见表1.2。这种分类方法对传感器的工作原理有比较清楚的分析,类别较少,本书就是按工作原理对传感器进行分类的。物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应,将被测量直接转换为电量的传感器。例如,热电偶制成的温度传感器是物性型传感器,它利用金属导体材料的温差电动势效应和不同导体间的接触电动势效应,实现对温度的测量。这类传感器仅与材料有关,通常具有响应速度快的特点,而且易于小型化、集成化。

结构型传感器是以结构(形状、尺寸等)为基础,在待测量的作用下,结构发生变化,利用某些物理规律,获得与待测非电量成比例关系的电信号输出。例如,电容式压力传感器是结构型传感器,当被测压力作用在电容式敏感元件的极板上时,引起电容极板间隙的变化,导致电容值变化,从而实现对压力的测量。这类传感器与材料的关系不大,仅与“结构变化”有关。

2)化学型传感器化学型传感器是利用电化学反应原理,把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电信号的传感器。例如,气体传感器和离子传感器都是化学型传感器。

3)生物型传感器

生物型传感器是利用各种生物效应构成的传感器。例如,酶传感器、微生物传感器、生理量传感器(血液成分、血压等)、免疫传感器等都是生物型传感器。


2.按被测量分类

按被测量(输入量)分类,能方便地表示传感器的功能和用途,便于用户应用。生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。

按照这种分类方法,传感器可以分为位移、速度、加速度、温度、光、压力、湿度、浓度和流量传感器等。这种分类方法又可以把被测量分为基本物理量和派生物理量两大类,基本物理量和派生物理量的关系见表1.3

[图片]1.3 基本物理量和派生物理量的关系

3.按敏感材料分类

按制造传感器的材料进行分类,可分为半导体传感器、陶瓷传感器、光导纤维传感器和金属传感器等。

4.按能量关系分类按能量的关系分类,分为有源传感器和无源传感器两大类。有源传感器是能量转换型传感器,将一种能量形式直接转换成另一种能量形式,一般是将非电能量转换为电能量。无源传感器是能量控制型传感器,不能直接转换能量形式,仅对传感器中的能量起到控制或调节的作用。

5.按应用范围分类

按应用范围分类,可分为工业用、民用、医用和军用等。若按具体场合,还可以分为汽车用、飞机用和舰船用等。

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