傳感器及其概述

楊天娟　施偉斌　王婷

摘 要

傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是直接作用于被測量、并能按一定規律將其轉化為同種或別種量值輸出的器件。目前，傳感器轉換后的信號大多是電信號，因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換為電信號的裝置。

【關鍵詞】傳感器 種類 新型

1 前言

傳感器是測試系統的一部分，其作用類似于人類的感覺器官，也可以認為是人類感官的延伸。人們借助傳感器可以去探測那些人們無法用或不便用感官直接感知的事物，如用熱電偶可以測量熾熱物體的溫度；用超聲波換能器可以測海水深度；用紅外遙感器可從高空探測地面形貌、河流狀態及植被的分布等。因此，可以說傳感器是人們認識自然界事物的有力工具，是測量儀器與被測量物體之間的接口。通常情況下，傳感器處于測試裝置的輸入端，是測試系統的第一個環節，其性能直接影響著整個測試系統，對測試精度有很大影響。

2 傳感器的分類

按被測物理量的不同，可以分為位移、力、溫度、流量傳感器等；按工作的基礎不同，可以分為機械式傳感器、電氣式傳感器、光學式傳感器、流體式傳感器等；按信號變換特征可以分為物性型傳感器和結構型傳感器；根據敏感元件與被測對象直接的能量關系，可以分為能量轉換型傳感器與能量控制型傳感器。

3 常見傳感器介紹

3.1 電阻應變式傳感器

電阻應變式傳感器又叫電阻應變計，其敏感元件是電阻應變。應變片是在用苯酚，環氧樹脂等絕緣材料浸泡過的玻璃基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成。敏感元件也叫敏感柵。其具有體積小、動態響應快、測量精度高、使用簡單等優點。在航空、機械、建筑等各行業獲得了廣泛應用。電阻應變片的工作原理是基于金屬的應變效應，即金屬導體在外力作用下產生機械形變，其電阻值隨機械變形的變化而變化。其可以分為：金屬電阻應變片和半導體應變片式兩類。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。它們的主要區別在于：金屬電阻應變片式是利用導體形變引起電阻變化，而半導體應變片式則是利用電阻率變化引起電阻的變化。

3.2 電容式傳感器

電容式傳感器是將被測物理量轉換成電容量變化的裝置，它實質是一個具有可變參數的電容器。由于電容與極距成反比，與正對面積和介質成正比，因此其可以分為極距變化型、面積變化型和介質變化型三類。極距變化型電容傳感器的優點是可進行動態非接觸式測量，對被測系統的影響小，靈敏度高，適用于較小位移的測量，但這種傳感器有非線性特性，因此使用范圍受到一定限制。面積變化型傳感器的優點是輸出與輸入成線性關系，但與極距型傳感器相比，靈敏度較低，適用于較大的直線或角位移的測量。介質變化型則多用于測量液體的高度等場合。

3.3 電感式傳感器

電感式傳感器是將被測物理量，如力、位移等，轉換為電感量變換的一種裝置，其變換是基于電磁感應原理。電感式傳感器種類很多，常見的有自感式，互感式和渦流式三種。

電感式傳感器具有以下特點：結構簡單，傳感器無活動電觸點，因此工作可靠壽命長。靈敏度和分辨力高，能測出0.01微米的位移變化。傳感器的輸出信號強，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達數百毫伏的輸出。線性度和重復性都比較好，在一定位移范圍（幾十微米至數毫米）內，傳感器非線性誤差可達0.05%～0.1%。同時，這種傳感器能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，它在工業自動控制系統中廣泛被采用。但不足的是，它有頻率響應較低，不宜快速動態測控等缺點。

3.4 磁電式傳感器

磁電式傳感器是把被測物理量轉換為感應電動勢的一種傳感器，又稱電磁感應式或電動力式傳感器。其工作原理是一個匝數為N的線圈，當穿過它的磁通量變化時，線圈產生了感應電動勢。磁通量的變化可通過多種方式來實現，如磁鐵與線圈做切割磁力線運動、磁路的磁阻變化、恒定磁場中線圈面積的變化，因此可制造出不同類型的傳感器用于測量速度、扭矩等。

3.5 壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種可逆傳感器，是利用某些物質的壓電效應進行工作的器件。最簡單的壓電式傳感器是在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極。當晶片受壓力時，兩個極板上聚集數量相等而極性相反的電荷，形成電場。因此壓電傳感器可以看成是電荷發生器，又可以看作電容器。

4 新型傳感器

4.1 生物傳感器

生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學換能器有機結合的一門交叉學科，是發展生物技術必不可少的一種先進的檢測方法與監控方法，也是物質分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結構：包括一種或數種相關生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表達的信號轉換為電信號的物理或化學換能器（傳感器），二者組合在一起，用現代微電子和自動化儀表技術進行生物信號的再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。生物傳感器的原理：待測物質經擴散作用進入生物活性材料，經分子識別，發生生物學反應，產生的信息繼而被相應的物理或化學換能器轉變成可定量和可處理的電信號，再經二次儀表放大并輸出，便可知道待測物濃度。

4.2 激光傳感器

激光傳感器：利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光傳感器原理：激光傳感器工作時，先由激光發射二極管對準目標發射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉化為相應的電信號。

5 結束語

隨著科技的飛速發展，人們不斷提高著自身認知世界的能力。傳感器在獲取自然和生產領域中發揮著巨大上的作用。目前，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面起到重要的推動作用。相信未來，傳感器技術將會出現一個飛躍。

作者簡介

楊天娟（1991-），女，河北省邯鄲市人。現為鄭州大學本科生，主要研究方向為機械工程及自動化。

作者單位

鄭州大學機械工程學院 河南省鄭州市 450001endprint