傳感器原理

傳感器為幾乎所有工業自動化領域提供重要信息，例如位置、電流、流速、溫度、距離和角度的數字和模擬信號。作為現代傳感器技術的聯合創始人和，我們為這些目的提供適當的產品范圍。您可以從5,000多種接近開關、光電、流量和位置傳感器中進行選擇，以實施您的定制解決方案。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

國際電工委員會(IEC：International electrotechnical Committee)的定義是：“傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。

傳感器是一種把非電量轉變成電信號的器件，是檢測儀表的主要組成部分。檢測儀表一般包括傳感器、檢測點取樣設備及信號放大器（進行抗干擾處理及信號傳輸），以及電源及現場顯示部分。電信號一般包括連續量、離散量兩種，實際上還可分成模擬量、開關量、脈沖量等。模擬信號傳輸采用統一信號（4-20mADC等）。

根據不同的分類標準，有不同的類型區分：

　　１.按照被測物理量：溫度、濕度、位移、力、速度、氣體成份等傳感器；

　　２.按照工作原理：電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

　　３.按照傳感器輸出信號的性質，可分為：輸出為開關量（“１”和"０”或“開”和“關”）的開關型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數字型傳感器。

電阻式傳感器：將被測量（如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等物理量）轉換式成電阻值。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等。

電阻應變式傳感器：電阻應變片具有金屬的應變效應，即在外力作用下產生機械形變，從而使電阻值隨之發生相應的變化。電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優點。

壓阻式傳感器：是根據半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經擴散電阻而制成的器件。其基片（或稱膜片）可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內接成電橋形式。當基片受到外力作用而產生形變時，各電阻值將發生變化，電橋就會產生相應的不平衡輸出。基片材料主要為硅片和鍺片。

熱電阻傳感器：熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數大、線性好、性能穩定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。

（一）根據被測信號的性質，分為物理傳感器和化學傳感器二大類。

1.物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。

2.化學傳感器的工作原理基于那些以化學吸附、電化學反應等。被測信號量的微小變化將轉換成電信號。

有些傳感器既不屬于物理類，也不屬于化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎。化學傳感器存在技術問題較多，如可靠性問題，規模生產的可能性問題等。

（二）按照用途或者使用場合，可分為：

壓敏傳感器、力敏傳感器 、位置傳感器 液面傳感器 、能耗傳感器 速度傳感器 、熱敏傳感器 加速度傳感器 、射線輻射傳感器 振動傳感器、 濕敏傳感器 磁敏傳感器、氣敏傳感器 、真空度傳感器、生物傳感器等等。

（三）按照輸出信號類型可分為：

模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。

數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。

膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出。

開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。

（四）按照使用的敏感材料可分：

在外界因素作用下，敏感材料會作出反應。即那些具有特定功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。

(1)按照其所用材料的類別分為：金屬、 聚合物、 陶瓷、 混合物

(2)按材料的物理性質分為：導體、 絕緣體、 半導體、 磁性材料

(3)按材料的晶體結構分為：單晶、多晶、 非晶材料

（五）按照制造工藝，可以分為：

集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器

1、集成傳感器是用標準的生產硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

2、薄膜傳感器則是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

3、厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。

4、陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產。

（六）按照能量觀點來分類：有源傳感器和無源傳感器

1.有源傳感器：需要外加電源才能工作。通常配有電壓測量電路和放大器。輸出信號能量部分來自被測對象，另一部分由電源提供。

2.無源傳感器：不需要外部電源即可工作，通過吸收被測對象的能量來輸出信號。例如，基于壓阻效應、熱電效應、光電效應構成的傳感器都屬于無源傳感器。不需要使用外來接電源的傳感器且可以通過外部獲取到無限制的能源的感應傳感器。

無源傳感器結構簡單，但對被測對象的影響大，靈敏度不高，輸出信號能量不高，易受干擾；有源傳感器結構較復雜，對被測對象的影響小，靈敏度高，輸出信號能量高，不易受干擾。[4]

三、傳感器的性能

1.靜態特性：是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。

2.動態特性：是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

3.線性度：通常情況下，傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀數，常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個近似程度的一個性能指標。

擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿量程輸出點相連的理論直線作為擬合直線；或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。

4.靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化△y對輸入量變化△x的比值。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系，則靈敏度S是一個常數；否則，它將隨輸入量的變化而變化。

　　靈敏度的量綱是輸出、輸入量的量綱之比。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應表示為200mV/mm。

　　當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時，靈敏度可理解為放大倍數。提高靈敏度，可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高，測量范圍愈窄，穩定性也往往愈差。

5.分辨力：分辨力是指傳感器可能感受到的被測量的最小變化的能力。也就是說，如果輸入量從某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時，傳感器的輸出不會發生變化，即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時，其輸出才會發生變化。

　　通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標。上述指標若用滿量程的百分比表示，則稱為分辨率。