传感器的构成法

0.2　传感器的构成法

由上已知，当今的传感器是一种能把非电输入信息转换成电信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其典型的组成及功能框图如图0-1所示。其中敏感元件是构成传感器的核心。传感器主要敏感元件见表0-1。

图0-1　传感器典型组成及功能框图

图0-1的功能原理具体体现在结构型传感器中。

对物性型传感器而言，其敏感元件集敏感、转换功能于一身，即可实现“被测非电量→有用电量”的直接转换。

实际上，传感器的具体构成方法，视被测对象、转换原理、使用环境及性能要求等具体情况的不同而有很大差异。图0-2所示为典型的传感器构成方法:

（a）自源型　为仅含有敏感元件的最简单、最基本的传感器构成型式。此型式的特点是无需外能源，故又称无源型；其敏感元件具有从被测对象直接吸取能量，并转换成电量的效应；但输出能量较弱，如热电偶、压电器件等。

（b）辅助能源型　它是敏感元件外加辅助激励能源的构成型式。辅助能源可以是电源，也可以是磁源。传感器输出的能量由被测对象提供，因此是“能量转换型”结构。如光电管、光敏二极管、磁电式和霍尔等电磁感应式传感器即属此型。特点是，不需要变换（测量）电路即可有较大的电量输出。

表0-1　传感器的主要敏感元件

（c）外源型　它由能对被测量实现阻抗变换的敏感元件和带有外电源的变换（测量）电路构成。其输出能量由外电源提供，是属于“能量控制（调制）型”结构，如电阻应变式、电感、电容式位移传感器及气敏、湿敏、光敏、热敏等传感器均属于此。所谓“变换（测量）电路”，是指能把转换元件输出的电信号，调理成便于显示、记录、处理和控制的可用信号的电路，故又称“信号调理与转换电路”。常用的变换（测量）电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器和脉冲调宽电路等。

实用中，这种构成形式的传感器特性要受到使用环境变化的影响，图0-2中（d）、（e）、（f）是目前消除环境变化的干扰而广泛采用的线路补偿法构成型式。

（d）相同敏感元件的补偿型　采用两个原理和特性完全相同的敏感元件，并置于同一环境中，其中一个接受输入信号和环境影响，另一个只接受环境影响，通过线路，使后者消除前者的环境干扰影响。这种构成法在应变式、固态压阻式等传感器中常被采用。

（e）差动结构补偿型　它也采用了两个原理和特性完全相同的敏感元件，同时接收被测输入量，并置于同一环境中。巧妙的是，两个敏感元件对被测输入量作反向转换，对环境干扰量作同向转换，通过变换（测量）电路，使有用输出量相加，干扰量相消。如差动电阻式、差动电容式、差动电感式传感器等即属此型。

（f）不同敏感元件的补偿型　采用两个原理和性质不相同的敏感元件，两者同样置于同一环境中。其中一个接受输入信号，并已知其受环境影响的特性；另一个接受环境影响量，并通过电路向前者提供等效的抵消环境影响的补偿信号。如采用热敏元件的温度补偿，采用压电补偿片的温度和加速度干扰补偿等，即为此例。

（g）反馈型　这种构成法引入了反馈控制技术，用正向、反向两个敏感元件分别作测量和反馈元件，构成闭环系统，使传感器输入处于平衡状态。因此，亦称为闭环式传感器或平衡式传感器^{［19］［43］}，如图0-2（g）所示。这种传感器系统具有高精度、高灵敏度、高稳定、高可靠性等特点，例如力平衡式压力、称重、加速度传感器等。

图0-2　传感器的构成型式^[2]

在此，我们再引入“传感器系统”的构成概念。

目前，人们已日益重视借助于各种先进技术和技术手段来实现传感器的系统化。例如利用自适应控制技术、微型计算机软硬件技术来实现传统传感器的多功能与高性能。这种由传感器技术和其他先进技术相结合，从结构与功能的扩展上构成了一个传感器系统。或者，可根据复杂对象监控的需要，将上述各种基本型式的传感器作选择组合，构成一个复杂的多传感器系统。由此，近年来也相应出现了多传感器信息融合技术（见14.5）。很显然，智能传感器（见14.3）是十分先进的传感器系统。