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传感器的构成方法及其工作原理(上)

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。

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       当前,由于电子技术、微电子技术、计算机技术的迅速发展,使电学量具有便于处理、便于测量等特点,因此传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成,并输出电学量。这些元件的功能如下所述。

传感器的构成方法及其原理(上)

传感器组成构图

  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。

传感器的构成方法及其原理(上)

基础型传感器的构成方框图 a、b、c示意图

  (一)能量变换基本型

  如图 a 所示,它是最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。

传感器的构成方法及其原理(上)

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。

传感器的构成方法及其原理(上)

电路参数型传感器的构成图 d示意图

    电路参数型

  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。

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