傳感器的基本知識

將壓力轉換為電信號輸出的傳感器。通常把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件（見位移傳感器）或應變計（見電阻應變計、半導體應變計）轉換為與壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體，如壓阻式傳感器中的固態壓力傳感器。壓力是生產過程和航天、航空、國防工業中的重要過程參數，不僅需要對它進行快速動態測量，而且還要將測量結果作數字化顯示和記錄。大型煉油廠、化工廠、發電廠和鋼鐵廠等的自動化還需要將壓力參數遠距離傳送（見遙測），并要求把壓力和其他參數，如溫度、流量、粘度等一起轉換為數字信號送入計算機。因此壓力傳感器是極受重視和發展迅速的一種傳感器。壓力傳感器的發展趨勢是進一步提高動態響應速度、精度和可靠性以及實現數字化和智能化等。常用壓力傳感器有電容式壓力傳感器、變磁阻式壓力傳感器（見變磁阻式傳感器、差動變壓器式壓力傳感器）、霍耳式壓力傳感器、光纖式壓力傳感器（見光纖傳感器）、諧振式壓力傳感器等。

傳感器的基本知識

一、傳感器的定義

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成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。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

二、傳感器的分類

目前對傳感器尚無一個統一的分類方法，但比較常用的有如下三種：

１、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器

２、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

３、按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量（“１”和"０”或“開”和“關”）的開關型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器。

關于傳感器的分類：

1.按被測物理量分：如：力，壓力，位移，溫度，角度傳感器等；

2.按照傳感器的工作原理分：如：應變式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等；

3.按照傳感器轉換能量的方式分：

（1）能量轉換型：如：壓電式、熱電偶、光電式傳感器等；

（2）能量控制型：如：電阻式、電感式、霍爾式等傳感器以及熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等；

4.按照傳感器工作機理分：

（1）結構型：如：電感式、電容式傳感器等；

（2）物性型：如：壓電式、光電式、各種半導體式傳感器等；

5.按照傳感器輸出信號的形式分：

（1）模擬式：傳感器輸出為模擬電壓量；

（2）數字式：傳感器輸出為數字量，如：編碼器式傳感器。

三、傳感器的靜態特性

傳感器的靜態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。

四、傳感器的動態特性

所謂動態特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。zui常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

五、傳感器的線性度

通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。

擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為zui小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為zui小二乘法擬合直線。

六、傳感器的靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。

它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數。否則，它將隨輸入量的變化而變化。

靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。

當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。

提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往往愈差。

七、傳感器的分辨力

分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的zui小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發生變化。

通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的zui大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。

八、電阻式傳感器

電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

九、電阻應變式傳感器

傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優點。

十、壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。

用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感 材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態壓阻式傳感器應用zui為普遍。

十一、熱電阻傳感器

熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。

十二、傳感器的遲滯特性

遲滯特性表征傳感器在正向（輸入量增大）和反向（輸入量減小）行程間輸出-一輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的zui大差值△MAX與滿量程輸出F·S的百分比表示。

遲滯可由傳感器內部元件存在能量的吸收造成