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第三章 常用的传感器

§3.1传感器的分类

一、传感器的定义

通俗的讲，传感器就是将被测信息转换成某种信号的器件。也就是将被测物理量转换成于之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置，称之为传感器。传感器通常直接作用于被测量。

传感器是对信号进行感受与传送的装置，它是测试装置的输入环节，因此传感器的性能直接影响着整个测试装置的工作可靠性。

近来，随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这个领域内的一个重要构成因素，被视为90年代的重要技术之一受到了普遍的重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中的自动测量和自动控制的发展，以及在科学技术领域里实现现代化都有重要意义。

二、传感器的组成

物理量输入

物理量

输入

敏感元件 传感元件 测量电路

输入

输出

辅助电源

图4-1传感器的组成

由于其用途的不同或是结构原理的不同，其繁简程度相差很大。因此，传感器的组成将依不同情况而有差异。

敏感元件——传感器的核心，它直接感受被测量（一般为非电量）并转换成信号形成，即输出与被测量成确定关系的其它量的元件，如膜片、热电偶，波纹管等。

传感元件——又称变换器，是传感器的重要组成部分。传感元件可以直接感受被测量（一般为非电量）而输出与被测量成确定关系的电量。如热电偶和热敏电阻等。传感元件也可以不只感受被测量，而只是感受与被测两或确定关系的其它非电量；如应变式压力传感器的电阻片，并不直接感受压力，只是感受与被测压力成确定关系的应变，然后输出电量，在多数情况下，使用的就是这种传感元件。

测量电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路。测量电路视传感元件的类型而定。

三、传感器的分类

在生产和科研中应用的传感器种类很多，一种被测量有时可以用集中传感器来测量，用一种传感器往往可以测量多种物理量。为了对传感器有一个概括的认识，对传感器进行研究是很必要的。

传感器的分类方法很多。目前还找不到尽善尽美的分类方法（使用者多与厂家通常习惯于按被测对象分类，而对于一些从事检测技术的专业学者、工程技术人员，则习惯于按传感器的变换原理及结构进行分类）。可以按被测量、传感器工作原理、信号变换特征、敏感元件与被测对象之间的能量关系、输出信号分类等等进行分类。按被测量分类，可分为传移传感器、力传感器、温度传感器等；按传感器工作原理可分为机械式、电气式、光电式、流体式等；按信号变换特征可概括分为物理型和结构型；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，可以分为能量转换型与能量控制型；按输出信号分类可分为模拟式和数字式等等。

其中，物理型传感器是依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变

换的。水银温度计（热胀冷缩）、压电测力计（压电效应）。结构型敏感器则是依靠传感器结构参量的变化而实现信号转换的。

能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输出能量使其工作的。如热电偶温度计、弹性压力计等。

能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给辅助能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。

四、对传感器的性能要求

由于传感器的种类很多，因此对传感器的性能要求不可能相同，现给出几项基本的性能要求：

1、测量范围——是指该传感器在测量中使用的上下界限；（上限和下限的代数差称为电量程）

2、超载能力——表示传感器在不致造成所规定性能指标永久改变的条件下，使用时允许超过测量范围的能力。一般用允许超过测量上限（或下限）的被测量值与量程的百分比表示，但这只是说，出现此种情况时，传感器不致损坏，并不保证规定的性能。

3、灵敏度——传感器输出的变化值与相应的被测量的变化值之比。

4、分辩力——它是传感器可能检测出的被测信号的最小变化量。

5、误差——是指传感器之测量值与被测量之真实值的偏差程度。这里指静态误差，常用非线性误差、滞后性误差和重复性误差三项指标来表示。

6、动态性能——是指传感器对于随时间变化的输入信号的影响能力。通常用频率响应特性或阶跃响应特性来表示，在选用传感器时，应根据测量的具体情况来适当地提出指标要求。

除上述主要指标外，还应考虑使用的环境要求、使用寿命等。对于特定情况下使用的传感器，还有特定的性能指标要求。

§3.2电阻式传感器及应变仪

电阻式传感器是把被测的量，如位移、力等转换为电阻变化的一种传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。

一.变阻器式传感器

变阻式传感器也称为电位计式传感器，其工作原理是通过改变电位计触头位置，实

现将位移转换为电阻的变化。常用的有直线位移型、角位移型和非线性等。见书P 图

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对于直线型，当被测位移变动时，触点C沿变阻器移动，若移动x,则C点与A点之

间的电阻值为：

R?k