第一节 传感器的基本概念

一、对传感器的感性认识

凡是自然界中的物质都必定以一定的量的形式而存在，对各种量的确定便构成了测量的内涵。若对某些量的确定关系到国计民生的问题，则对这些量的研究就容易引起共同重视，测量的准确度就会不断提高。随着社会的发展，不断有新的量值需要被精确确定，久而久之，就逐渐形成了我们现在所从事的测量学科。传感器技术就属于测量学科中的关键内容。

不妨以我们日常生活中密切相关的测量问题作为学习传感器技术的切入点。我们在市场和超市会经常看到电子计价秤（图1-1），其核心元件就是称重传感器（图1-2）；交通警察手持的呼吸式酒精含量测试仪（图1-3）的核心元件是化学气体传感器（图1-4）；保障我们健康的医疗仪器如B超、CT等带有多种现代传感器。可以毫不夸张地说，传感器已同我们的衣食住行息息相关，我们已经生活在一个离不开传感器的时代。对于国际贸易、军事科学，传感器更是扮演着不可或缺的角色。由此可见，传感器在现代科学技术中占有非常重要的地位。

对于学习测控信息类专业的学生而言，传感器技术可能会影响到未来的职业生涯，也就是说学好这门知识可能是获益终身的。因此，有必要通过本课程的学习对传感器有比较系统、深入的了解和掌握。

二、传感器的作用与地位

（一）传感器在测控系统中的作用与地位

把计算机称作“电脑”几乎为人所共知，而知道把传感器俗称为“电五官”的人可能还不是很多。在测量与控制领域，传感器确实在为“电脑”提供五官的功能，离开了传感器，“电脑”将无法接收到所需要的检测信号，相当于变成“残疾”。当然，也就无法完成系统的功能。由此可见，业内人士给传感器以这样的形象称呼可充分表达出传感器在测量与控制中的重要作用。

测量科学属于信息科学领域，且处于源头位置。传感技术属于测量科学领域，也处于测量科学的源头位置。因而，传感技术在信息科学领域中处于最前端的位置，是源头的起点，承担着信息获取的任务。不妨设想，对于一个重要的信息如果在源头“失之毫厘”，等到了下游时就可能“谬以千里”。也就是说，在源头时可能是容易解决的小问题，若在未引起充分重视的情况下传递到下游的用户时就可能成为一个很大的隐患。例如，我国在进口石油时通常是采用容积计价的方法，当负责这方面的国际贸易部门或企业采用油轮运输时就需要准确知道油轮仓容的信息，而获得符合要求的信息目前为止依然是一个难题。问题的解决最终还是要归结到流量、温度及激光等传感器的精确程度上去。可见，源头信息质量的好坏将直接对中下游信息造成影响，由传感器构成仪器时传感器的指标直接影响仪器的指标，由传感器作为控制系统检测元件时传感器的性能及精度直接影响整个系统的功能。因此，各国在发展高科技时一直把先进传感技术放在优先发展的位置。

事实上，在一个测量系统中，传感器也是处于前端的位置，后面要与测控电路、微机原理等课程衔接。因此，在学习本课程的同时，要注重与后续课程的关联。

（二）传感器本身的作用

从上述叙述中可以看出，传感器有着把各种微弱或微小的物理量转化为可供宏观使用的信号的作用。它不仅远比人的感官灵敏，而且其探测的领域和范围也极其广泛。

（三）传感器研究与应用的侧重点

尽管传感器的应用包罗万象，种类五花八门，但我们还是能够根据传感器的先进程度了解其研究和应用的侧重点。

（1）传感器研究的侧重点

如前所述，传感器的输出信号的准确性至关重要，这样就使传感器的地位非常突出，最新的传感技术属于商业机密，是国家间技术保密和竞争的内容。对于新型传感器技术的研发，主要是对基础理论进行创新性研究、对制造工艺进行改革以及对新材料进行探索。例如用于位移或长度测量的电感式传感器，其原理并不复杂，若将我国产品与国外同类产品进行比较，我国产品的售价大概为国外产品的1/5，若应用在高档圆度仪或表面粗糙度仪上，价格要相差10倍以上，尽管这样，在进口时往往还要受到对方政府的限制，需要进行烦琐的商务谈判。因此，对特殊用途的新型传感器技术必须以自主研发的方式获得，而且要注意及时申请知识产权以对已有技术进行必要的保护。知识产权保护方面的工作在整个传感器领域中只占很小的比例，但极具重要性，现已成为发达国家的长期任务。

（2）传感器应用的侧重点

对于一些常规的通用类传感器而言，由于技术成熟所以价格往往很低廉，比如说电子计价秤中的电阻应变片就属于此类，因此，在整个系统中所占的硬件成本的比例就很低。所以，在应用时要把侧重点放在传感器的正确选购和特性补偿方面，必要时还要向厂家进行特殊定制。尽管如此，对传感器原理的学习还是要认真对待的，因为对其原理的掌握是合理选择、应用和开发传感器的基础。

三、传感器的定义

（一）传感器的广义定义

一种能把特定的（物理、化学、生物）信息按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。根据这个定义，我们常用的体温计、腕表等都属于传感器。

（二）传感器的狭义定义

能把外界非电量信息转换成电信号输出的器件称为传感器。这其实就是本书中所介绍的主要内容。该定义中没有对输入量的大小进行说明，通常都是很微小的量。值得注意的是，该定义中特别强调了用电信号作为输出量，这是因为电信号是为我们所熟悉且易于处理的信号，信号的强度虽没提及但应该达到宏观量级。从该定义中我们还能看到传感器具有信息敏感的功能和信号放大的作用，是人类延伸自身感官的特殊而有效的手段。

（三）我国标准对传感器的定义

我国国家标准GB/T 7665-2005《传感器通用术语》中对传感器是这样定义的：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

以上定义均表明，传感器是由敏感元件和转换元件所构成的一种检测装置，能按一定规律将被测量转换为电信号输出，输出信号与输入信号间存在确定的关系。

四、传感器的组成与分类

（一）传感器的组成

以图1-2所示的称重传感器为例，该传感器为悬臂梁式传感器，安装时将一端固定，另一端悬空并承载被称物体的重力，重力的作用使弹性体产生变形，黏合在弹性体最易变形部位（图1-2中弹性体最薄的部位）的敏感元件——电阻应变片就有信号输出，若这个信号比较微弱或已被调制就还需要基本电路进行放大及变换，从而实现了将非电量转换为电量的过程。由此可见，传感器通常由敏感元件、转换元件和信号调节与转换电路三部分组成，如图1-5所示。

在图1-5中，敏感元件起感受被测量的作用，图1-2中的称重传感器的弹性梁就属于敏感元件，用它上面材料最薄的部分感受被测力值的大小而产生应变，其几何参数需要设计，用经过处理的、性能稳定的金属材料制成。转换元件可将响应到的被测量转换为电量，粘贴在弹性梁易变形部位的电阻应变片就属于转换元件。信号调节与转换电路的作用是使输出信号达到后续处理电路的接口要求，称重传感器的信号调节与转换电路为电桥，实现对应变片输出信号进行放大的功能，以达到满足后续电路接口对信号强度要求的目的。

（二）传感器的分类

对传感器的分类有多种方式，常用的有以下几种。

（1）按传感器的输入量分类

按输入的被测物理量如温度、位移、力值、速度及湿度等进行分类，相应地称为温度传感器、位移传感器等。由于直观简便，所以习惯于用这种分类称呼的传感器使用者占有相当的比例。

（2）按传感器的转换原理分类

目前在常规传感器中应用的物理原理主要基于电学、固体物理学及光学等，例如根据电磁感应原理来分有电感式、差动变压器式及电涡流式传感器；根据半导体理论来分有热敏、磁敏及光敏传感器等。

（3）按传感器的灵敏度获得方式分类

按这种分类方法可把传感器大体上分为两类，即结构型和物性型。所谓结构型传感器是指传感器输出信号的强度与传感器的结构有关，例如电感式传感器、电容式传感器等。对这类传感器必须进行结构的优化设计，才能获得更强的信号。这类传感器目前应用最为广泛。所谓物性型传感器是指利用某些材料本身内在的物理特性和效应感受信号，基本与结构无关，例如以半导体、电介质等作为敏感材料的霍尔传感器、压电传感器等都属于这一类。

（4）按传感器的能量转换方式分类

按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。

有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量及电荷量等，如磁电式、压电式、光电池及热电偶传感器等。

无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容及电感等。