第1章　传感器概述

1.1　基本概念

1.传感器的定义

传感器（Transducer/Sensor）是一种以一定的准确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种物理量要便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电量等，但主要是电量。传感器的输入-输出转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。

传感器应用场合（领域）不同，叫法也不同，如在过程控制中称为变送器，标准化的传感器在射线检测中则称为发送器、接收器或探头。

作为对比，下面介绍一下敏感器。敏感器是一种把被测的某种非电量转换为传感器可用非电量的器件或装置。设x为被测非电量，z为传感器可用非电量，y为传感器输出电量，则敏感器传输函数为

z=ψ（x）

传感器传输函数为

y=φ（z）

敏感器传感器复合函数为

y=φ（z）=φ［ψ（x）］=f（x）

2.传感器的组成

传感器的组成如图1-1所示。其中：敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出信号作为它的输入信号，并将其转换成电路参量；将上述电路参量接入转换电路，便可转换成电量输出。

图1-1　传感器的组成

由半导体材料制成的物性型传感器基本是将敏感元件和转换元件合二为一的，它可以直接将被测量转换为电量输出，如压电传感器、光电池、热敏电阻等。

3.传感器的分类

传感器的品种很多，原理各异，检测对象各种各样，因此其分类方法众多，至今尚无规定统一的分类方法。人们通常是站在不同的角度，突出某一侧面而进行分类的。下面是几种常见的分类方法。

1）按工作机理分类　这种分类方法将物理、化学和生物等学科的原理、规律、效应作为分类的依据，其中按构成原理可分为结构型、物性型和复合型三大类。

结构型传感器:是利用物理学的定律等构成的传感器，其性能与构成材料关系不大。此类传感器的结构几何尺寸（如厚度、角度、位置等）在被测量作用下会发生变化，并可获得与被测非电量有比例关系的电信号。

物性型传感器:是利用物质的某种或某些客观属性构成的传感器，其性能因其构成材料的不同而有明显的区别。此类传感器的构成材料的物理特性、化学特性或生物特性直接敏感于被测非电量，并可将被测非电量转换成电信号。

复合型传感器:是指将中间转换环节与物性型敏感元件复合而成的传感器。之所以采用中间环节，是因为在大量被测非电量中，只有少数（如应变、光、磁、热、水分和某些气体）可直接利用某些敏感材料的物质特性转换成电信号，所以为了增加非电量的测量种类，就必须将不能直接转换成电信号的非电量变换成上述少数物理量中的一种，然后再利用相应的物性型敏感元器件将其转换成电信号。

按工作机理进行分类的优点是对于传感器的工作原理分析得比较清楚，类别少，有利于从原理与设计上进行归纳性的分析和研究。

2）按能量关系分类　按能量关系分类可将传感器分为能量控制型和能量转换型两种。能量控制型传感器又称无源传感器，它本身不是一个换能装置，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用，所以它必须具有辅助能源，这类传感器分为电阻式、电容式和电感式等，常用电桥和谐振电路等实现测量。能量转换型传感器又称换能器或有源传感器，它一般是将非电能量转换成电能量，通常配有电压测量和放大电路，如压电式传感器、热电式传感器、压阻式传感器等。

3）按输入量分类　按输入量分类，传感器可分为常用的有机、光、电和化学等传感器，如位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等。

4）按输出信号的性质分类　可分为模拟式传感器和数字式传感器两种。

4.传感器技术的发展方向

1）开发新的敏感/传感材料　在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体材料的性能发生改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，人们更加重视相关的基础研究，寻找具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。

2）研发新型传感器及组成新型测试系统

利用MEMS技术研制微型传感器，如用于微型侦察机的CCD传感器，用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器等。