传感器的定义和分类

传感器是一种设备、模块或子系统，其目的是检测环境中的事件或变化，并将信息发送给其他电子设备，通常是计算机处理器。
传感器（英文名称：transducer/sensor）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，按一定规律变换成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。
传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。
通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

一、传感器的定义

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International
Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。

传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。

德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。

传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源

有源(a)和无源(b)传感器的信号流程

无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。

各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：
光敏传感器——视觉� 声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉 �化学传感器——味觉
压敏、温敏、流体传感器——触觉

与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。

对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：

高灵敏度 抗干扰的稳定性(对噪声不敏感) 线性 容易调节(校准简易)

高精度 高可靠性 无迟滞性 工作寿命长(耐用性)

可重复性 抗老化 高响应速率 抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力

选择性 安全性(传感器应是无污染的) 互换性 低成本

宽测量范围 小尺寸、重量轻和高强度 宽工作温度范围

二、传感器的分类

器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

按照其用途，传感器可分类为：

压力敏和力敏传感器 �位置传感器

液面传感器 �能耗传感器

速度传感器 �热敏传感器

加速度传感器 �射线辐射传感器

振动传感器� 湿敏传感器

磁敏传感器� 气敏传感器

真空度传感器� 生物传感器等。�

以其输出信号为标准可将传感器分为：

模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。�

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。�

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。�

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
�
在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

(1)按照其所用材料的类别分�

金属� 聚合物� 陶瓷� 混合物�

(2)按材料的物理性质分� � 导体� 绝缘体� 半导体� 磁性材料�

(3)按材料的晶体结构分�

单晶� 多晶� 非晶材料�

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向：�

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。�

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。�

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。�

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。

按照其制造工艺，可以将传感器区分为：

集成传感器�薄膜传感器�厚膜传感器�陶瓷传感器

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。
�
薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。
�
厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。�

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。�

每种工艺技术都有自已的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。下面为大家介绍传感器技术的相关内容。
一、传感器技术特性
(1) 传感器的动态性。动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性输入信号变化时，输出信号随时间变化而相应地变化，这个过程称为响应。传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性好的传感器，当输入信号是随时间变化的动态信号时，传感器能及时精确地跟踪输入信号，按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时，是容易跟踪的，但随着输入信号的变化加快，传感器的及时跟踪性能会逐渐下降。通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小，而且还能复现被测量随时间变化的规律，这也是传感器的重要特性之一。
(2) 传感器的线性度。通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度(非线性误差)就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
(3) 传感器的灵敏度。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示为200mV/mm.当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。
(4) 传感器的稳定性。稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候，传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上，随着时间的推移，大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感器件或构成传感器的部件，其特性会随时间发生变化，从而影响传感器的稳定性。
(5) 传感器的分辨力。分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。
(6) 传感器的迟滞性。迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大)和反向(输入量减小)行程间输出-输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。
(7) 传感器的重复性。重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。各条特性曲线越靠近，说明重复性越好，随机误差就越小。
二、传感器技术参数
(1) 额定载荷：传感器的额定载荷是指在设计此传感器时，在规定技术指标范围内能够丈量的最大轴向负荷。但实际使用时，一般只用额定量程的2/3~1/3。
(2) 答应使用负荷(或称安全过载)：传感器答应施加的最大轴向负荷。答应在一定范围内超负荷工作。一般为120%~150%。
(3) 极限负荷(或称极限过载)：传感器能承受的不使其丧失工作能力的最大轴向负荷。意即当工作超过此值时，传感器将会受到损坏。
(4) 灵敏度： 输出增量与所加的负荷增量之比。通常每输进1V电压时额定输出的mV。本公司产品与其它公司产品配套时，其灵敏系数必须一致。
(5) 非线性： 这是表征此传感器输出的电压信号与负荷之间对应关系的精确程度的参数。
(6) 重复性： 重复性表征传感器在同一负荷在同样条件下反复施加时，其输出值是否能重复一致，这项特性更重要，更能反映传感器的品质。国标对重复性的误差的表述：重复性误差可与非线性同时测定。传感器的重复性误差(R)按下式计算：R=ΔθR/θn×100%。ΔθR -- 同一试验点上3次丈量的实际输出信号值之间的最大差值(mv)。
(7) 滞后： 滞后的通俗意思是：逐级施加负荷再依次卸下负荷时，对应每一级负荷，理想情况下应有一样的读数，但事实上下一致，这不一致的程度用滞后误差这一指标来表示。国标中是这样来计算滞后误差的：传感器的滞后误差(H)按下式计算：H=ΔθH/θn×100%。ΔθH --同一试验点上3次行程实际输出信号值的算术均匀与3次上行程实际输出信号值的算术均匀之间的最大差值(mv)。
(8) 蠕变和蠕变恢复：要求从两个方面检验传感器的蠕变误差：其一是蠕变：在5-10秒时间无冲击地加上额定负荷，在加荷后5~10秒读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器蠕变(CP)按下式计算：CP=θ2 - θ3/θn×100%。其二是蠕变恢复：尽快往掉额定负荷(在5~10秒时间内)，卸荷后在5~10秒内立即读数，然后在30分钟内按一定的时间间隔依次记下输出值。传感器的蠕变恢复(CR)按下式计算：CR=θ5 - θ6 /θn×100%。
(9) 答应使用温度：规定了此传感器能适用的场合。例常温传感器一般标注为：-20℃ --- +70℃。高温传感器标注为：-40℃ --- 250℃。
(10) 温度补偿范围：说明此传感器在生产时已在这样的温度范围内进行了补偿。例常温传感器一般标注为-10℃ - +55℃。
(11) 零点温度影响(俗称零点温漂)：表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。
(12) 输出灵敏系数的温度影响(俗称系数温漂)：此参数表征此传感器在环境温度变化时输出灵敏度的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。
(13) 输出阻抗：本公司传感器与其它厂祖传感器并联使用时，必须弄清该公司产品的输出阻抗，此值必须与其一致，否则它会直接影响电子秤的输出特征和四角误差的调试。
(14) 输进阻抗：由于传感器的输进端弹模补偿电阻和灵敏系数调整电阻，所以传感器的输进电阻都大于输出电阻，但可通过并联电阻方法使其变化。要求各传感器的输进阻抗一致，若与其它厂家的传感器匹配。则应使输进阻抗与其一致，否则在调试四角误差时会增加工时，由于传感器的输进阻抗对稳压电源而言是一个负载，只有负载一样，同一稳压电源才会提供一样的电源电压。
(15) 尽缘阻抗：尽缘阻抗相当于传感器桥路与地之间串了一个阻值与其相当的的电阻，尽缘电阻的大小会影响传感器的各项性能。而当尽缘阻抗低于某一个值时，电桥将无法正常工作。
(16) 推荐激励电压：一般为5~10伏。因一般称重仪表内配的稳压电源为5或10伏。
(17) 答应最大激励电压：为了进步输出信号，在某些情况下(例如大皮重)要求利用加大激励电压来获得较大的信号。
(18) 电缆长度：它与现场布局有关，定货前必须看清楚公司产品的常规电缆长度。另外，留意环境是否有腐蚀性、是否有冲击情况、是否高温或低温。
(19) 密封防护等级IP67：防浸水影响 ，以规定的压力和时间浸进水中性能不受影响 。灌胶保护的传感器可达到IP67。除可防油、防水外，还可防一般的腐蚀性气体，腐蚀性介质

定义:
传感器英文是"Sensor"意思是感觉或知觉等，传感器通俗的定义可以说成“信息拾取的器件或装置”严格的定义是：把被测量的量值形式（如物理量，化学量生物量等。）变换为另一种与之有确定对应关系，而且便于计量的量值形式的器件或装置。
分类:
按输入量分类：位移，压力，温度，速度等传感器，以被测物理量命名。
按工作原理分类：热电，压电,应变......
按物理现象分类：结构，物性......
按能量关系分类：......
按输出信号分类：......

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