第一节　传感器的定义

国家标准GB/T 7665—2005对传感器下的定义是:“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。”传感器是一种检测装置,它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器能感受到被测量的信息,并能将检测、感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展,都有利于传感器的开发。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统性能的增强,作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个结构组成,其重要性变得越来越明显。广义上来说,传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Commission)将传感器定义为:“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号。”按照Gopel等的说法,传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件,而传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器。传感器是传感器系统的一个组成部分,它是被测量信号输入的第一道关口。

传感器系统的原则框图见图1⁃2,进入传感器的信号幅度是很小的,而且混杂有干扰信号和噪声。

图1⁃2　传感器系统的原则框图

为了方便随后的处理过程,首先要将信号转换成具有最佳特性的波形,有时还需要将信号线性化,该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下,这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号,并输入到微处理器。德国和俄罗斯学者认为传感器应由两部分组成,即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解,传感器还包含了信号成形器的电路部分。

传感器系统的性能主要取决于传感器的组成环节和输入量,传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。传感器有两类:有源传感器和无源传感器。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种,不需要外接的能源或激励源。无源传感器不能直接转换能量形式,但它能控制从另一输入端输入的能量或激励源。传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其对象可以是固体、液体或气体,而它们的状态可以是静态的,也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的,也可以是化学性质的。按照其工作原理,传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量,然后将此电信号分离出来,送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象,也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加,其包含的处理过程日益完善。

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟,如图1⁃3所示。

图1⁃3　传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟

与传感器相比,人类的感觉能力较强,但传感器的部分性能比人的感觉功能优越。例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射,感觉不到电磁场、无色无味的气体等。

传感器被设定了许多技术要求,有一些要求对所有类型传感器都适用,也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需达到的基本要求是:高灵敏度、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、线性容易调节(校准简易)、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)、可重复性好、抗老化、高响应速率、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力强、选择性好、安全性强(传感器应是无污染的)、具有互换性、低成本、宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围。