传感器原理

传感器为几乎所有工业自动化领域提供重要信息，例如位置、电流、流速、温度、距离和角度的数字和模拟信号。作为现代传感器技术的联合创始人和，我们为这些目的提供适当的产品范围。您可以从5,000多种接近开关、光电、流量和位置传感器中进行选择，以实施您的定制解决方案。

传感器是一种检测装置，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。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。

国际电工委员会(IEC：International electrotechnical Committee)的定义是：“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"。“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"。

传感器是一种把非电量转变成电信号的器件，是检测仪表的主要组成部分。检测仪表一般包括传感器、检测点取样设备及信号放大器（进行抗干扰处理及信号传输），以及电源及现场显示部分。电信号一般包括连续量、离散量两种，实际上还可分成模拟量、开关量、脉冲量等。模拟信号传输采用统一信号（4-20mADC等）。

根据不同的分类标准，有不同的类型区分：

　　１.按照被测物理量：温度、湿度、位移、力、速度、气体成份等传感器；

　　２.按照工作原理：电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。

　　３.按照传感器输出信号的性质，可分为：输出为开关量（“１"和"０"或“开"和“关"）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

电阻式传感器：将被测量（如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等物理量）转换式成电阻值。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等。

电阻应变式传感器：电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

压阻式传感器：是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片（或称膜片）可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。基片材料主要为硅片和锗片。

热电阻传感器：热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

（一）根据被测信号的性质，分为物理传感器和化学传感器二大类。

1.物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

2.化学传感器的工作原理基于那些以化学吸附、电化学反应等。被测信号量的微小变化将转换成电信号。

有些传感器既不属于物理类，也不属于化学类。大多数传感器是以物理原理为基础。化学传感器存在技术问题较多，如可靠性问题，规模生产的可能性问题等。

（二）按照用途或者使用场合，可分为：

压敏传感器、力敏传感器 、位置传感器 液面传感器 、能耗传感器 速度传感器 、热敏传感器 加速度传感器 、射线辐射传感器 振动传感器、 湿敏传感器 磁敏传感器、气敏传感器 、真空度传感器、生物传感器等等。

（三）按照输出信号类型可分为：

模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

（四）按照使用的敏感材料可分：

在外界因素作用下，敏感材料会作出反应。即那些具有特定功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。

(1)按照其所用材料的类别分为：金属、 聚合物、 陶瓷、 混合物

(2)按材料的物理性质分为：导体、 绝缘体、 半导体、 磁性材料

(3)按材料的晶体结构分为：单晶、多晶、 非晶材料

（五）按照制造工艺，可以分为：

集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器

1、集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。

2、薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。

3、厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

4、陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。

（六）按照能量观点来分类：有源传感器和无源传感器

1.有源传感器：需要外加电源才能工作。通常配有电压测量电路和放大器。输出信号能量部分来自被测对象，另一部分由电源提供。

2.无源传感器：不需要外部电源即可工作，通过吸收被测对象的能量来输出信号。例如，基于压阻效应、热电效应、光电效应构成的传感器都属于无源传感器。不需要使用外来接电源的传感器且可以通过外部获取到无限制的能源的感应传感器。

无源传感器结构简单，但对被测对象的影响大，灵敏度不高，输出信号能量不高，易受干扰；有源传感器结构较复杂，对被测对象的影响小，灵敏度高，输出信号能量高，不易受干扰。[4]

三、传感器的性能

1.静态特性：是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

2.动态特性：是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

3.线性度：通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

4.灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数；否则，它将随输入量的变化而变化。

　　灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

　　当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

5.分辨力：分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

　　通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。