1.3 傳感器的基本概念

傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。這一概念包含以下四方面的含義。

(1）傳感器是測量裝置，能完成感測任務。

(2）它的輸入量是某一被測量，該被測量既可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。

(3）它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等。它可以是氣、光、電量，但主要是電量。

(4）輸出與輸入有對應關系，且應有一定的精確程度。

一種非電量常常可以采用多種電測方法來測量，盡管非電量的電測方法很多，但就其轉換方法而言可以歸納為兩大類：直接轉換法和間接轉換法。

直接轉換法就是用傳感器直接將被測非電量x轉換為電量y。直接轉換法所使用的傳感器的可用非電量必須正好是被測量，而且其輸出電量y應是被測量x的單值函數，即

直接轉換法所使用的這種傳感器，稱為直接傳感器。

間接轉換法就是先用敏感器將被測量x轉換為傳感器的可用非電量z，再用傳感器將可用非電量z轉換為電量y。設傳感器的轉換關系為

敏感器的轉換關系為

由敏感器與傳感器組合成的非電量x的電測裝置的轉換關系便為復合函數，即

按照傳感器的定義，這種敏感器與傳感器的組合裝置仍可稱為傳感器，但卻不是原來的非電量z的傳感器，而是被測量x的傳感器。因為其轉換關系為復合函數，故稱之為復合傳感器或間接傳感器。

在很多情況下，傳感器所轉換得到的電量并不是后面的顯示記錄電路所能直接利用的。例如，電阻應變傳感器把應變轉換為電阻的變化，雖然電阻屬于電量，但不能像熱電偶產生的熱電勢那樣被電壓顯示儀表所接受，這就需要使用某種電路來對傳感器轉換出來的電量進行變換和處理，使之成為便于顯示、記錄、傳輸或處理的可用電信號。接在傳感器后面的具有這種功能的電路，稱為傳感器接口電路。例如，電阻應變片接入電橋，將電阻變化轉換成電壓變化，這里的電橋便是電阻式傳感器常用的接口電路。

很多傳感器產品的廣告和說明書中把凡能夠輸出標準信號的傳感器稱為變送器。也就是說，“變送器”是“傳感器”配接能輸出標準信號的“接口電路”后構成的將非電量轉換為標準信號的器件或裝置。所謂“標準信號”是物理量的形式和數值范圍都符合國際標準的信號。由于直流信號具有不受線路中電感、電容及負載性質的影響，不存在相移問題等優點，所以國際電工委員會（IEC）將電流信號4～20mA（DC）和電壓信號1～5V（DC）確定為過程控制系統電模擬信號的統一標準。有了統一的信號形式和數值范圍，就便于將各種變送器和其他儀表組成感測系統或調節系統。無論什么儀表或裝置，只要有同樣標準的輸入電路或接口，就可以從各種變送器獲得被測變量的信號。這樣，兼容性和互換性大為提高，儀表的配套也極為方便。傳感器與被測對象的關聯方式有接觸式和非接觸式兩種。接觸式的優點是傳感器與被測對象被視為一體，傳感器的標定無須在使用現場進行，其缺點是傳感器與被測對象接觸會對被測對象的狀態或特性不可避免地產生或多或少的影響。非接觸式則沒有這種影響，但是非接觸式傳感器的輸出會受到被測對象與傳感器之間介質或環境的影響。因此，傳感器標定必須在使用現場進行。

傳感器的功用是一感二傳，即感知被測信息，并傳送出去。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路和輔助電源四部分組成，如圖1-2所示。

1．敏感元件

敏感元件是能夠直接感知（響應）被測量，并按一定規律將其轉換成與被測量有確定關系的其他量的元件。例如，應變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，其作用是將壓力轉換成彈性膜片的變形。敏感元件是直接感受被測量，并且輸出與被測量成確定關系的某一物理元件。

2．轉換元件

轉換元件指能將敏感元件的輸出量直接轉換成電量輸出的元件，一般情況下不直接感知（響應）被測量（特殊情況例外）。例如，應變式壓力傳感器中的應變片就是轉換元件，其作用是將彈性膜片的變形轉換成電阻值的變化。

3．轉換電路

轉換電路又稱信號調節（轉換）電路，也稱二次儀表，是把轉換元件輸出的電信號放大、轉換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。這些電路的類型視傳感器類型而定，通常采用的有電橋電路、放大器電路、變阻器電路、A/D與D/A轉換電路、調制電路和振蕩器電路等。

4．電源電路

有的傳感器需要外部電源供電，有的傳感器則不需要外部電源供電，如壓電式傳感器。

實際上，傳感器的構成方法因被測量（對象）、轉換原理、使用環境及性能指標要求等具體情況的不同而有較大的差異。最簡單的傳感器由一個敏感元件（兼轉換元件）組成，它感知被測量后直接輸出電量，如熱電偶。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成，沒有轉換電路，如壓電式加速度傳感器，其中質量塊是敏感元件，壓電片是轉換元件。有些傳感器的轉換元件不止一個，而且被測信號要經過若干次轉換。

如果所要測量的非電量正好是某傳感器能轉換的那種非電量，而該傳感器轉換出來的電量又正好能為后面的顯示記錄電路所利用（如熱電偶測溫度時產生的熱電勢可以驅動動圈式毫伏計），則只要有這種傳感器和顯示儀表便可構成一個非電量測量系統。

如果把傳感器稱為變換器，那么敏感器則可稱為預變換器。例如，用電阻應變片測壓力時，就要將應變片粘貼到受壓力的彈性元件上，彈性元件將壓力轉換為應變，應變片再將應變轉換為電阻變化，這里的應變片便是傳感器，而彈性元件便是敏感器。敏感器與傳感器雖然都是對被測非電量進行轉換的，但敏感器是把被測非電量轉換為可用非電量，而不是像傳感器那樣把非電量轉換成電量。