傳感器的構(gòu)成方法框圖和分類

敏感元件：直接感受被測(cè)量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量（包括電學(xué)量）。

轉(zhuǎn)換元件：將敏感元件輸出的非電物理量，如位移、應(yīng)變、應(yīng)力、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)換為電學(xué)量（包括電路參數(shù)量、電壓、電流等）。

轉(zhuǎn)換電路：將電路參數(shù)（如電阻，電感、電容等）量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量，例如電壓，電流頻率等。

有些傳感器只有敏感元件，如熱電偶，它感受到被測(cè)溫差時(shí)直接輸出電動(dòng)勢(shì)。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需轉(zhuǎn)換電路，例如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器只由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不只一個(gè)，要經(jīng)若干次轉(zhuǎn)換后才輸出電量。

目前，由于空間的限制或技術(shù)等原因，轉(zhuǎn)換電路一般不和敏感元件、轉(zhuǎn)換元件裝在一個(gè)殼體內(nèi)，而是裝入電箱中，但不少傳感器需通過轉(zhuǎn)換電路才能輸出便于測(cè)量的電量，而轉(zhuǎn)換電路的類型又與不同工作原理的傳感器有關(guān)，因此要把轉(zhuǎn)換電路作為傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

傳感器種類繁多，應(yīng)用極廣，但為了滿足各種參數(shù)的檢測(cè)，除了需要研制新型敏感元件、增加元件品種以及改善其性能外，還需要設(shè)計(jì)正確的構(gòu)成傳感器的方法，即用敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路之間的不同組合方法，去達(dá)到檢測(cè)各種參數(shù)的目的。根據(jù)傳感器的各種組成，其構(gòu)成方法框圖如圖1－5所示，可將傳感器分成如下幾類。

基本型

基本型是一種只用敏感元件構(gòu)成的傳感器。它包括有能量變換基本型、輔助能源基本型和能量控制基本型3種。

基礎(chǔ)型傳感器的構(gòu)成方框圖 a、b、c示意圖

（一）能量變換基本型

如圖 a 所示，它是最簡(jiǎn)單的只有敏感元件的傳感器。其輸入是被測(cè)非電量，輸出是電壓或電流，典型的例子有基于熱電效應(yīng)的熱電偶、基于光生伏特效應(yīng)的光電池、基于壓電效應(yīng)的壓電式力傳感器（如下圖所示）和固體電解質(zhì)氣體傳感器等。

壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

能量變換基本型傳感器的特點(diǎn)是：傳感器從被測(cè)對(duì)象本身獲得能量，不需外加電源，敏感元件就是能量變換元件，因此屬于能量變換型的傳感器，也稱為無源型傳感器；它是利用熱平衡或傳輸現(xiàn)象中的一次效應(yīng)構(gòu)成的。由于一次效應(yīng)存在逆效應(yīng)，當(dāng)敏感元件輸入信號(hào)時(shí)，其輸出將產(chǎn)生逆效應(yīng)而影響輸入，因此對(duì)被測(cè)對(duì)象有負(fù)荷效應(yīng)；輸出端所輸出的能量不可能大于被測(cè)對(duì)象的能量。

（二）輔助能源基本型

某些由敏感元件構(gòu)成的傳感器，為了增加其抗干擾能力，提高穩(wěn)定性，以及取出電信號(hào)而采用了電源，或因工作原理需要而使用固定磁場(chǎng)，但它們輸出的能量是從被測(cè)對(duì)象上獲得的，因此仍是一種能量變換型傳感器，上面提到的電源或磁場(chǎng)稱為輔助能源或偏壓源，如圖 b 所示輔助能源基本型傳感器的例子有：光電管、光敏二極管、磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器等。

（三）能量控制基本型

如圖 c 所示，能量控制基本型也只由敏感元件構(gòu)成，但需用外加電源才能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電壓等電量輸出，其典型例子有聲表面波傳感器、變壓器式位移傳感器、感應(yīng)同步器、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電化學(xué)電解電池傳感器等。

能量控制基本型的特點(diǎn)是：需外加電源；輸出能量可大于被測(cè)對(duì)象所輸入的能量。

電路參數(shù)型傳感器的構(gòu)成圖 d示意圖

電路參數(shù)型

它是由敏感元件，以及包含該敏感元件在內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路和電源組成，如圖 d 所示。其特點(diǎn)是：敏感元件對(duì)輸入非電信號(hào)進(jìn)行阻抗變換；電源向包含有敏感元件的轉(zhuǎn)換電路提供能量，從而輸出電壓或電流，因此屬于能量控制（或稱調(diào)制）型傳感器；輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量。利用熱平衡或傳輸現(xiàn)象中的二次效應(yīng)的傳感器均屬此類。

電路參數(shù)型傳感器有電阻應(yīng)變式、電感位移式、電渦流位移式、電容位移式等傳感器以及氣敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、熱敏電阻等傳感器。

多級(jí)變換型

目前，大多數(shù)傳感器都是利用敏感元件把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成某種可利用的中間變換物理量，再通過轉(zhuǎn)換元件，有時(shí)還需用轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量輸出，如圖1－5（e）所示。如利用彈性體作為力、壓力等敏感元件，再通過應(yīng)變片和電橋輸出電信號(hào)，就能測(cè)量出壓電元件所不能測(cè)出的小壓力。這種二級(jí)或二級(jí)以上的變換增加了傳感器設(shè)計(jì)的自由度，因而可設(shè)計(jì)出測(cè)量各種非電參數(shù)，適應(yīng)各種條件的傳感器。

e 多級(jí)變換型 示意圖

可利用的中間變換物理量是指那些容易轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的物理量，如1—6所列。

表1－6 可利用的中間變換物理量

多級(jí)變換型又分為能量變換型和能量控制型兩類。前者的例子有壓電式加速度傳感器、L—氨基酸梅傳感器等；后者的例子有應(yīng)變式力傳感器、電容式加速度傳感器、霍爾式壓力傳感器、光纖式加速度傳感器、酶熱敏電阻式傳感器等。

參比補(bǔ)償型

為了消除環(huán)境條件變化（如溫度變化、電源電壓波動(dòng)等）的影響，傳感器采用兩個(gè)性能完全相同的敏感元件，如圖 f 所示，其中一個(gè)敏感元件感受被測(cè)量和環(huán)境條件量，另一個(gè)只感受環(huán)境條件量而作為補(bǔ)償用，以達(dá)到消除或減小環(huán)境干擾的影響，這種組合形式稱為參比補(bǔ)償型。例如壓電式壓力傳感器，當(dāng)被測(cè)壓力變化與環(huán)境溫度變化相接近時(shí)，采用溫度補(bǔ)償片構(gòu)成參比補(bǔ)償型傳感器，以減小溫度變化的影響。又如，用電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)成參比補(bǔ)償型傳感器時(shí)，則將其兩個(gè)（或兩個(gè)以上）敏感元件（一個(gè)為工作片，另一個(gè)為補(bǔ)償片）同時(shí)接到電橋電路的相鄰兩臂，這樣就能對(duì)溫度、電源電壓等變化的影響起到補(bǔ)償或消除作用，因此參比補(bǔ)償傳感器有利于提高測(cè)量精度。

f 參比補(bǔ)償型 示意圖

差動(dòng)結(jié)構(gòu)型

為了提高傳感器的靈敏度和線性度，并減小或消除環(huán)境等因素的影響，傳感器常采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，即用兩個(gè)性能完全相同的敏感元件同時(shí)感受相同的環(huán)境量和方向相反的被測(cè)量，如圖 g 所示。其例子有差動(dòng)電阻應(yīng)變式、差動(dòng)電容式、差動(dòng)電感式等屬于能量控制型的傳感器，當(dāng)用壓電元件測(cè)量壓力時(shí)，如果其加速度效應(yīng)的影響不可忽略，則需采用兩個(gè)壓電元件反極性安裝構(gòu)成差動(dòng)型，以補(bǔ)償加速度的影響，同時(shí)還可提高傳感器的靈敏度，但壓電元件屬于能量變換型傳感器。

g 差動(dòng)結(jié)構(gòu)性示意圖

反饋型

反饋型傳感器是一種閉環(huán)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是傳感器的敏感元件（或轉(zhuǎn)換元件）同時(shí)兼作反饋元件，使傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，因此亦稱為平衡式傳感器，如圖 h 所示，目前，主要有力反饋型（包括位移反饋型）和熱反饋型兩類，其例子有差動(dòng)電容力平衡式加速度傳感器和熱線熱反饋式流速傳感器等。

反饋型傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用于特殊場(chǎng)合，如高精度微差壓的測(cè)量，以及高流速的測(cè)量等。

h 反饋型 示意圖

綜合上述傳感器的各種構(gòu)成方法及它們的組合，則可利用有限的敏感元件（包括轉(zhuǎn)換元件）設(shè)計(jì)出多種性能的傳感器，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的測(cè)量，傳感器的主要敏感元件如表1－7所列。

表1－7 傳感器的主要敏感元件