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传感器的构成方法合集 | 干货

敏感元件:直接感受被测量,并以确定关系输出某一物理量(包括电学量)。

转换元件:将敏感元件输出的非电物理量,如位移、应变、应力、光强等转换为电学量(包括电路参数量、电压、电流等)。

转换电路:将电路参数(如电阻,电感、电容等)量转换成便于测量的电量,例如电压,电流频率等。

有些传感器只有敏感元件,如热电偶,它感受到被测温差时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成,无需转换电路,例如压电式加速度传感器。还有些传感器只由敏感元件和转换电路组成,如电容式位移传感器。有些传感器,转换元件不只一个,要经若干次转换后才输出电量。

目前,由于空间的限制或技术等原因,转换电路一般不和敏感元件、转换元件装在一个壳体内,而是装入电箱中,但不少传感器需通过转换电路才能输出便于测量的电量,而转换电路的类型又与不同工作原理的传感器有关,因此要把转换电路作为传感器的组成环节之一。

传感器种类繁多,应用极广,但为了满足各种参数的检测,除了需要研制新型敏感元件、增加元件品种以及改善其性能外,还需要设计正确的构成传感器的方法,即用敏感元件、转换元件、转换电路之间的不同组合方法,去达到检测各种参数的目的。根据传感器的各种组成,其构成方法框图如图1-5所示,可将传感器分成如下几类。

基本型

基本型是一种只用敏感元件构成的传感器。它包括有能量变换基本型、辅助能源基本型和能量控制基本型3种。


(一)能量变换基本型

如图 a 所示,它是*简单的只有敏感元件的传感器。其输入是被测非电量,输出是电压或电流,典型的例子有基于热电效应的热电偶、基于光生伏特效应的光电池、基于压电效应的压电式力传感器(如下图所示)和固体电解质气体传感器等。



压电式压力传感器结构示意图 

能量变换基本型传感器的特点是:传感器从被测对象本身获得能量,不需外加电源,敏感元件就是能量变换元件,因此属于能量变换型的传感器,也称为无源型传感器;它是利用热平衡或传输现象中的一次效应构成的。由于一次效应存在逆效应,当敏感元件输入信号时,其输出将产生逆效应而影响输入,因此对被测对象有负荷效应;输出端所输出的能量不可能大于被测对象的能量。

(二)辅助能源基本型

某些由敏感元件构成的传感器,为了增加其抗干扰能力,提高稳定性,以及取出电信号而采用了电源,或因工作原理需要而使用固定磁场,但它们输出的能量是从被测对象上获得的,因此仍是一种能量变换型传感器,上面提到的电源或磁场称为辅助能源或偏压源,如图 b 所示辅助能源基本型传感器的例子有:光电管、光敏二极管、磁电感应式传感器、霍尔式传感器等。


(三)能量控制基本型

如图 c 所示,能量控制基本型也只由敏感元件构成,但需用外加电源才能将被测非电量转换成电压等电量输出,其典型例子有声表面波传感器、变压器式位移传感器、感应同步器、离子敏场效应晶体管、电化学电解电池传感器等。

能量控制基本型的特点是:需外加电源;输出能量可大于被测对象所输入的能量。

它是由敏感元件,以及包含该敏感元件在内的转换电路和电源组成,如图 d 所示。其特点是:敏感元件对输入非电信号进行阻抗变换;电源向包含有敏感元件的转换电路提供能量,从而输出电压或电流,因此属于能量控制(或称调制)型传感器;输出能量远大于输入能量。利用热平衡或传输现象中的二次效应的传感器均属此类。

电路参数型传感器有电阻应变式、电感位移式、电涡流位移式、电容位移式等传感器以及气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、热敏电阻等传感器。

多级变换型

目前,大多数传感器都是利用敏感元件把被测非电量转换成某种可利用的中间变换物理量,再通过转换元件,有时还需用转换电路,转换成便于测量的电量输出,如图1-5(e)所示。如利用弹性体作为力、压力等敏感元件,再通过应变片和电桥输出电信号,就能测量出压电元件所不能测出的小压力。这种二级或二级以上的变换增加了传感器设计的自由度,因而可设计出测量各种非电参数,适应各种条件的传感器。




可利用的中间变换物理量是指那些容易转换成电学量的物理量,如1—6所列。


多级变换型又分为能量变换型和能量控制型两类。前者的例子有压电式加速度传感器、L—氨基酸梅传感器等;后者的例子有应变式力传感器、电容式加速度传感器、霍尔式压力传感器、光纤式加速度传感器、酶热敏电阻式传感器等。

参比补偿型

为了消除环境条件变化(如温度变化、电源电压波动等)的影响,传感器采用两个性能完全相同的敏感元件,如图 f 所示,其中一个敏感元件感受被测量和环境条件量,另一个只感受环境条件量而作为补偿用,以达到消除或减小环境干扰的影响,这种组合形式称为参比补偿型。例如压电式压力传感器,当被测压力变化与环境温度变化相接近时,采用温度补偿片构成参比补偿型传感器,以减小温度变化的影响。又如,用电阻应变式传感器构成参比补偿型传感器时,则将其两个(或两个以上)敏感元件(一个为工作片,另一个为补偿片)同时接到电桥电路的相邻两臂,这样就能对温度、电源电压等变化的影响起到补偿或消除作用,因此参比补偿传感器有利于提高测量精度。



为了提高传感器的灵敏度和线性度,并减小或消除环境等因素的影响,传感器常采用差动结构,即用两个性能完全相同的敏感元件同时感受相同的环境量和方向相反的被测量,如图 g 所示。其例子有差动电阻应变式、差动电容式、差动电感式等属于能量控制型的传感器,当用压电元件测量压力时,如果其加速度效应的影响不可忽略,则需采用两个压电元件反极性安装构成差动型,以补偿加速度的影响,同时还可提高传感器的灵敏度,但压电元件属于能量变换型传感器。


反馈型

反馈型传感器是一种闭环系统。其特点是传感器的敏感元件(或转换元件)同时兼作反馈元件,使传感器输入处于平衡状态,因此亦称为平衡式传感器,如图 h 所示,目前,主要有力反馈型(包括位移反馈型)和热反馈型两类,其例子有差动电容力平衡式加速度传感器和专线热反馈式流速传感器等。

反馈型传感器结构复杂,应用于特殊场合,如高精度微差压的测量,以及高流速的测量等。



综合上述传感器的各种构成方法及它们的组合,则可利用有限的敏感元件(包括转换元件)设计出多种性能的传感器,实现各种参数的测量,传感器的主要敏感元件如表1-7所列。