1.3 传感器的基本概念

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。这一概念包含以下四方面的含义。

(1）传感器是测量装置，能完成感测任务。

(2）它的输入量是某一被测量，该被测量既可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。

(3）它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等。它可以是气、光、电量，但主要是电量。

(4）输出与输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

一种非电量常常可以采用多种电测方法来测量，尽管非电量的电测方法很多，但就其转换方法而言可以归纳为两大类：直接转换法和间接转换法。

直接转换法就是用传感器直接将被测非电量x转换为电量y。直接转换法所使用的传感器的可用非电量必须正好是被测量，而且其输出电量y应是被测量x的单值函数，即

直接转换法所使用的这种传感器，称为直接传感器。

间接转换法就是先用敏感器将被测量x转换为传感器的可用非电量z，再用传感器将可用非电量z转换为电量y。设传感器的转换关系为

敏感器的转换关系为

由敏感器与传感器组合成的非电量x的电测装置的转换关系便为复合函数，即

按照传感器的定义，这种敏感器与传感器的组合装置仍可称为传感器，但却不是原来的非电量z的传感器，而是被测量x的传感器。因为其转换关系为复合函数，故称之为复合传感器或间接传感器。

在很多情况下，传感器所转换得到的电量并不是后面的显示记录电路所能直接利用的。例如，电阻应变传感器把应变转换为电阻的变化，虽然电阻属于电量，但不能像热电偶产生的热电势那样被电压显示仪表所接受，这就需要使用某种电路来对传感器转换出来的电量进行变换和处理，使之成为便于显示、记录、传输或处理的可用电信号。接在传感器后面的具有这种功能的电路，称为传感器接口电路。例如，电阻应变片接入电桥，将电阻变化转换成电压变化，这里的电桥便是电阻式传感器常用的接口电路。

很多传感器产品的广告和说明书中把凡能够输出标准信号的传感器称为变送器。也就是说，“变送器”是“传感器”配接能输出标准信号的“接口电路”后构成的将非电量转换为标准信号的器件或装置。所谓“标准信号”是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。由于直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题等优点，所以国际电工委员会（IEC）将电流信号4～20mA（DC）和电压信号1～5V（DC）确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。有了统一的信号形式和数值范围，就便于将各种变送器和其他仪表组成感测系统或调节系统。无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就可以从各种变送器获得被测变量的信号。这样，兼容性和互换性大为提高，仪表的配套也极为方便。传感器与被测对象的关联方式有接触式和非接触式两种。接触式的优点是传感器与被测对象被视为一体，传感器的标定无须在使用现场进行，其缺点是传感器与被测对象接触会对被测对象的状态或特性不可避免地产生或多或少的影响。非接触式则没有这种影响，但是非接触式传感器的输出会受到被测对象与传感器之间介质或环境的影响。因此，传感器标定必须在使用现场进行。

传感器的功用是一感二传，即感知被测信息，并传送出去。传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，如图1-2所示。

1．敏感元件

敏感元件是能够直接感知（响应）被测量，并按一定规律将其转换成与被测量有确定关系的其他量的元件。例如，应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，其作用是将压力转换成弹性膜片的变形。敏感元件是直接感受被测量，并且输出与被测量成确定关系的某一物理元件。

2．转换元件

转换元件指能将敏感元件的输出量直接转换成电量输出的元件，一般情况下不直接感知（响应）被测量（特殊情况例外）。例如，应变式压力传感器中的应变片就是转换元件，其作用是将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化。

3．转换电路

转换电路又称信号调节（转换）电路，也称二次仪表，是把转换元件输出的电信号放大、转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。这些电路的类型视传感器类型而定，通常采用的有电桥电路、放大器电路、变阻器电路、A/D与D/A转换电路、调制电路和振荡器电路等。

4．电源电路

有的传感器需要外部电源供电，有的传感器则不需要外部电源供电，如压电式传感器。

实际上，传感器的构成方法因被测量（对象）、转换原理、使用环境及性能指标要求等具体情况的不同而有较大的差异。最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感知被测量后直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块是敏感元件，压电片是转换元件。有些传感器的转换元件不止一个，而且被测信号要经过若干次转换。

如果所要测量的非电量正好是某传感器能转换的那种非电量，而该传感器转换出来的电量又正好能为后面的显示记录电路所利用（如热电偶测温度时产生的热电势可以驱动动圈式毫伏计），则只要有这种传感器和显示仪表便可构成一个非电量测量系统。

如果把传感器称为变换器，那么敏感器则可称为预变换器。例如，用电阻应变片测压力时，就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为电阻变化，这里的应变片便是传感器，而弹性元件便是敏感器。敏感器与传感器虽然都是对被测非电量进行转换的，但敏感器是把被测非电量转换为可用非电量，而不是像传感器那样把非电量转换成电量。