2.1 传感器
2.1.1 传感器的组成
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。如图2-1所示为传感器工作原理简图。
图2-1 传感器工作原理简图
在传感器的工作原理中，对于敏感元件与转换元件，其实并无严格的界限。比如：热电偶传感器，在实际应用中可以直接将被测温度转换成热电势输出，因此热电偶就是一个完整的传感器工作单元，它既是敏感元件，又是转换元件，也不需要信号调理电路；电感式压力传感器，实际应用中往往是由膜盒和电感线圈组成，因此膜盒就是敏感元件，电感线圈则是转换元件，这种类型的传感器就是由敏感元件和转换元件共同组成一个完整的传感器工作单元；应变式密度传感器，如图2-2所示，浮子先将被测液体的密度转换成浮力变化，浮力作用在悬臂梁上使梁产生变形，粘贴在悬臂梁上的电阻应变片再将梁的变形转换成电阻量变化，因此在这个完整的传感工作过程就存在了浮子、悬臂梁、应变片等多个以上的敏感元件。
图2-2 应变式密度传感器
2.1.2 传感器的分类
（1）按能量关系（被测量与输出电信号的关系）分类
能量转换型：直接将被测量转换为电信号（电压等）。例如：热电偶传感器、压电式传感器。
能量控制型：先将被测量转换为电参量（电阻等），在外部辅助电源作用下才能输出电信号。例如：应变式传感器、电容式传感器。
（2）按工作机理分类
结构型传感器：结构形状或几何尺寸变化来感受被测量。
物性型传感器：功能材料内在特性及效应来感受被测量。
（3）按输出信号分类
模拟型传感器：输出连续变化的模拟信号。
数字型传感器：输出“1”或“0”两种信号电平。
（4）按被测量分类
①常见的被测物理量
机械量：长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转速、质量、力、应力、应变、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量等。
声：声压、噪声等。
磁：磁通、磁场等。
温度：温度、热量、比热容等。
光：亮度、色彩等。
②常见的传感器
位移传感器、转速传感器、力矩传感器、滑觉传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器、浓度传感器等。
2.1.3 传感器的选择
选择传感器时应考虑的因素有：与测量条件有关的因素；与传感器性能有关的因素；与使用环境有关的因素；与购买和维护有关的因素。
选择传感器一般步骤：①借助于传感器的分类表，根据被测量的性质，找出符合用户需要的传感器类别，再从典型应用中初步确定几种；②借助于常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量范围、精度要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别；③借助于传感器的产品目录选型样本或传感器手册，查出传感器的规格型号和性能参数及结构尺寸。
2.1.4 不同类型的传感器简介
（1）电阻式传感器
电阻式传感器又分为以下几种：应变式传感器（金属电阻应变片）、压阻式传感器（半导体应变片）、电位器式传感器（变阻器式传感器）和热电阻传感器。
①应变式传感器（金属电阻应变片）是利用的电阻应变效应工作原理，如图2-3所示。
图2-3 应变式传感器
1—敏感元件；2，4—基底；3—引线
金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化。金属电阻应变片按敏感栅的结构可分为丝绕式和箔式。
②压阻式传感器（半导体应变片）是利用压阻效应的工作原理：
式中，R为原电阻值；ΔR为电阻变化值；ν为泊松比；λ为压阻系数；E为弹性模量；ε为纵向应变。
电阻变化主要由电阻率变化引起，变形导致的电阻变化可以忽略，主要是压阻效应，上式可简化为
，
为电阻丝电阻率相对变化，半导体应变片的灵敏系数
λE=70～140。这种传感器的优点是：灵敏度高、体积小、便于集成；缺点是：温度误差大、在较大应变下线性较差。类型包括：体型、薄膜型和扩散型等三种。
③电位器式传感器（变阻器式传感器）是利用机械位移通过电位器转换，变为与之成一定函数关系的电阻或者电压输出的工作原理，一般由电阻元件、骨架及电刷等组成。电位器式传感器（变阻器式传感器）除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。该传感器的优点是：结构简单、尺寸小、精度高、重量轻、输出信号大、性能稳定；缺点是：要求输入能量大、电刷与电阻元件之间容易磨损。
④热电阻传感器是利用电阻值随温度变化的特性原理制作而成，常用的电阻有：金属热电阻、半导体热敏电阻。
金属热电阻的正电阻温度系数为-200～500℃（铂电阻：0～630℃；铜电阻：-50～150℃；铟电阻：-296～258℃；锰电阻：-271～210℃）。金属热电阻传感器的测量电路主要是采用三线接法或者四线接法电桥方法。
半导体热敏电阻的电阻值随温度变化特性可分为三种类型，即负温度系数热敏电阻器（NTC）、正温度系数热敏电阻器（PTR）以及在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。负温度系数热敏电阻器，它随温度变化一般比正温度系数热敏电阻器易观察，电阻值连续下降明显。若选正温度系数热敏电阻器，实验温度应在该元件居里点温度附近。
NTC型（负电阻温度系数）温度测量：
式中 RT——在规定温度T时的NTC热敏电阻阻值；
R0——在额定温度T0时的NTC热敏电阻阻值；
β——NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
PTR型温度测量：正电阻温度系数（过热保护）。
CTR型温度测量：临界电阻温度系数（开关元件）。
这种传感器的特点是：热敏电阻温度范围窄；灵敏度高，体积小，便于集成；特定温度点检测灵敏。
用途是：检测元件、电路保护元件、温度补偿元件、温度报警元件等；缺点是：温度误差大，在较大应变下线性较差。类型包括：体型、薄膜型和扩散型等三种。
（2）电容式传感器
工作原理：将被测量变化转换为电容量变化，如图2-4所示。
图2-4 电容式传感器简图
如图2-4所示两平行极板构成的电容器，其电容量为
式中 C——平行极板构成的电容器电容值；
ε——介电常数；
ε0——真空介电常数；
εr——相对介电常数；
A——正对面积；
δ——极板间距离。
由上式可以看出，δ、A或ε发生变化时，都会引起电容量的变化。
变极距式电容传感器
，其原理图如图2-5所示。
图2-5 变极距式电容传感器原理示意简图
（3）电感式传感器
电感式传感器工作原理：基于电磁感应原理，将被测量变化转换为电感量（自感和互感）变化。电感式传感器分类如图2-6所示。
图2-6 电感式传感器分类图
举例：变磁阻式传感器（自感型）的一种类型是变气隙式自感型传感器，如图2-7所示。
图2-7 变气隙式自感型传感器工作原理简图
自感量：
（2-1）
式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻；li为各段导磁体的长度；μi为各段导磁体的磁导率；Ai为铁芯材料的截面积；δ为气隙的厚度；μ0为空气的磁导率；A0为空气隙的截面积。
初始自感量：
（2-2）
灵敏度：
（2-3）
非线性误差：
（2-4）
声发射传感器主要类型有：高灵敏度声发射传感器，是应用最多的一种谐振式声发射传感器；宽频带声发射传感器，通常由多个不同厚度的压电元件组成；高温声发射传感器，通常由铌酸锂或钛酸铅陶瓷制成；差动声发射传感器，由两只正负极差接的压电元件组成，输出相应的差动信号，信号因叠加而增大；此外，还有微型声发射传感器、磁吸附声发射传感器、低频抑制声发射传感器和电容式声发射传感器等。就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料（如压力容器等），这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数也很小，频带范围大多是25kHz～10MHz，因此选用谐振式声发射传感器比较适合。
声发射检测诊断特点：
①声发射检测诊断是一种动态无损检测技术，能判断发射的部位和状态，了解缺陷的形成过程和发展趋势。
②声发射检测诊断灵敏度高，被检对象的缺陷在形成初期就有声发射现象，只要及时检测，就可以尽早发现被检对象的缺陷。
利用声发射传感器进行轴承故障诊断，如图2-8所示。
图2-8 轴承故障诊断
（4）压电式传感器
压电式传感器是一种利用基于压电效应原理的传感器，也是一种自发电式和机电转换式传感器。压电材料是其敏感元件，利用压电材料受力后在表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为电的非电物理量。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
正压电效应是指当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。
逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型五种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这五种状态下产生压电效应，例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
压电式传感器的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要做防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。
压电式加速度传感器是传感器与试件刚性连接，传感器感受与试件相同频率的振动。压电元件两个表面电荷量与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。测量时，通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性连接，传感器感受与试件相同频率的振动。质量块以正比于加速度的交变力作用在压电元件上，压电元件的两个表面就有电荷产生，其电荷量与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。压电式加速度传感器结构如图2-9所示。
图2-9 压电式加速度传感器结构
（5）霍尔传感器
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A. H. Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
霍尔传感器分为开关型霍尔传感器和线性型霍尔传感器两种。
a. 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，其输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。
b. 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，其输出模拟量。
①典型产品
霍尔电流电压传感器：当电流通过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流成正比，磁场通过钳形软磁铁芯来聚集，然后用霍尔元件进行检测。基于霍尔闭环零磁通原理，可以测量直流电压、交流电压和混合波形的电压。此特点区别于电磁隔离原理的电压互感器，电压互感器只能测量交流电压信号。
②应用优点
a. 非接触检测。在进口设备的再改造中，以及老旧设备的技术改造中，显示出非接触测量的优越性，原有设备的电气接线不用丝毫改动就可以测得电流的数值。
b. 使用分流器的弊端是不能电隔离，且还有插入损耗，电流越大，损耗越大，体积也越大，人们还发现分流器在检测高频大电流时带有不可避免的电感性，不能真实传递被测电流波形，更不能真实传递非正弦波形。电流传感器完全消除了分流器以上的种种弊端，且精度和输出电压值可以和分流器做的一样，如精度0.5、1.0级，输出电压50mV、75mV和100mV均可。
c. 使用非常方便。取一只LT100-C型电流传感器，在M端与电源零端串入一只100mA的模拟表头或数字万用表，接上工作电源，将传感器套在电线回路上，即可准确显示主回路0～100A电流值。
d. 传统的电流电压互感器，虽然工作电流电压等级多，在规定的正弦工作频率下有较高的精度，但它能适合的频带非常窄，且不能传递直流；此外，工作时存在励磁电流，所以这是电感性器件，使它在响应时间上只能做到数十毫秒。众所周知的电流互感器二次侧一旦开路将产生高压危害，在使用微机检测中需进行信号的多路采集，人们正寻求能隔离又能采集信号的方法。电流电压传感器继承了互感器原副边可靠绝缘的优点，又解决了传递变送器价昂体积大还要配用互感器的缺陷，给微机检测等自动化管理系统提供了模数转换的机会。在使用中，传感器输出信号既可直接输入到高阻抗模拟表头或数字面板表，也可经二次处理，模拟信号送给自动化装置，数字信号送给计算机接口。
在3kV以上的高压系统，电流电压传感器都能与传统的高压互感器配合，替代传统的电量变送器，为模数转换提供方便。
e. 传统的检测元件受规定频率、规定波形、响应滞后等很多因素的限制，不能适应大功率变流技术的发展，应运而产生的新一代霍尔电流电压传感器，以及电流电压传感器与真有效值AC/DC转换器组合成为一体化的变送器，已成为人们熟知的最佳检测模块。另外，电子电力装置向高频化、模块化、组件化、智能化发展，使装置设计者得心应手，这将是电子电力技术史上划时代的根本性变革。
由于霍尔电流电压传感器的以上优点，故而可广泛应用于变频调速装置、逆变装置、UPS电源、逆变焊机、电解电镀、数控机床、微机监测系统、电网监控系统和需要隔离检测电流电压的各个领域。
（6）智能传感器
智能传感器（intelligent sensor）将敏感技术和信息处理技术相结合，具有感知的本能，是具有信息处理功能的传感器。智能传感器带有微处理机，具有逻辑判断、信息处理等功能，是传感器集成化与微处理机相结合的产物，其信号处理流程如图2-10所示。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的编程自动化能力；功能多样化。
图2-10 智能传感器的信号处理流程
目前，智能传感器有智能倾角RS232传感器、IC总线数字温度传感器、振动网络传感器、智能压力网络传感器等。相比一般传感器，智能式传感器有如下显著特点。
①提高了传感器的精度。智能式传感器具有信息处理功能，通过软件不仅可修正各种确定性系统误差（如传感器输入输出的非线性误差、零点误差、正反行程误差等），而且还可适当地补偿随机误差、降低噪声，大大提高了传感器精度。
②提高了传感器的可靠性。集成传感器系统小型化，消除了传统结构的某些不可靠因素，改善整个系统的抗干扰性能；同时它还有诊断、校准和数据存储功能（对于智能结构系统还有自适应功能），具有良好的稳定性。
③提高了传感器的性能价格比。在相同精度的需求下，多功能智能传感器与单一功能的普通传感器相比，性能价格比明显提高，尤其是在采用较便宜的单片机后更为明显。
④促成了传感器多功能化。智能式传感器可以实现多传感器多参数综合测量，有一定自适应能力，提供数字通信接口，数据输出形式多样化（如RS232串行输出、PIO并行输出、IEE-488总线输出以及经D/A转换后的模拟量输出等）。