一 传感器概述
1 传感器的概念
何谓传感器？生物体的感官就是天然的传感器。如人的五官-----眼、耳、鼻、舌、皮肤分别具有视、听、嗅、味、触觉。人们的大脑通过五官就能感知外界的世界。
在工程科学与技术领域里，可以认为：传感器是人体五官的工程模拟物。
它是一种能把特定的被测量信息（包括物理量、化学量、生物量等）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。
这里所谓的“可用信号”是指便于处理、传输的信号。当今电信号最易于处理和便于传输，因此，可把传感器狭义底定义为：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
可以预料，当人类跨入光子时代，光信息成为更便于快速、高效地处理与传输的可用信号时，传感器的概念将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。
2 传感器的组成
传感器一般由敏感元件、传感元件和其它辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源做为传感器的组成部分。
（1） 敏感元件
直接感受被测量（非电量），并输出与被测量成确定关系的其它量的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片就是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的变形。敏感元件如果直接输出电量（热电偶），它就同时兼为传感元件了。还有些传感器的敏感元件和传感元件是合为一体的，如压阻式压力传感器。
（2） 传感元件
又称转换元件，一般情况下它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件，如应变式压力传感器中的应变片就是传感元件，它的作用是将弹性膜片的变形转换成电阻的变化。
（3） 信号调节转换电路
把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换电路的种类要视传感元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器，等等。
二 传感器的一般特性
传感器的输出－输入关系特性是其基本特性。
传感器所测量的物理量基本上有两种形式，一种是稳态（静态或准静态）的形式，这种信号不随时间变化（或变化很缓慢），另一种是动态（周期变化或瞬态）的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量状态不同，传感器所表现出来的输出－输入特性也不同，因此存在所谓静态特性和动态特性。
1 传感器的静态特性
传感器在稳态信号作用下，其输出－输入关系称为静态特性。衡量传感器静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。
（1） 线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。从传感器的性能看，希望具有线性关系，但实际遇到的传感器大多为非线性，这时传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示 y=a0+a1x+a2x2+…+anxn
式中：a0―――输入量x为零时的输出量；
a1，a2，…an――非线性项系数。
a0即是传感器的零位输出；
a1即是传感器的线性灵敏度。
（2） 滞后（迟滞）
滞后是反映传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出－输入曲线的不重合程度的指标。通常用正反行程输出的最大差值计算，并以相对值表示。
（3） 重复性
重复性是衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度的指标。各条特性曲线越靠近，重复性越好。
（4） 灵敏度
灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率，非线性传感器的灵敏度不是常数，应以 dy/dx 表示。
（5） 分辩力
分辩力是传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。有时用该值相对满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。例如，某量程为0～5g的加速度计，分辩力为10mg。
（6） 阈值（阈yu，门坎）
阈值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小输入量值，即零位附近的分辩力。
（7） 稳定性
又称长期稳定性，即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一规定的时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。
（8） 漂移
漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着有与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。
零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的零点或灵敏度漂移。
（9） 静态误差（精度）
这是评价传感器静态性能的综合指标，指传感器在满量程内任一点输出值相对其理论值的可能偏离（逼近）程度。
静态误差的计算方法国内外尚不统一，目前国内常用的方法如下：将非线性、滞后、重复性误差按几何方法或代数法综合
2 传感器的动态特性
动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。
传感器对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变化过程的波形。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。
动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析；为了便于比较和评价，常常采用正弦变化和阶跃变化的输入信号。
在采用正弦输入研究传感器的频域动态特性时，常用幅频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。工程上通常将±3dB所对应的频率范围作为频响范围。
三 传感器的工作原理
1 电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。
2 电容式传感器
电容式传感器是一个具有可变参数的电容器。多数场合下，电容是由两个金属平行极板组成，并且以空气为介质，
如果保持其中两个参数不变，而改变另一个参数，就可以把改参数的变化转换为电容量的变化。在实际使用中，改变平行极板间距d的传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的传感器则适用于测量厘米数量级的位移，变介电常数式传感器适用于液面、厚度的测量。
3 压电式传感器
压电式传感器是利用某些物质的压电效应制作的传感器。
压电效应－－－当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。
具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅等。
4 电感式传感器
电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成自感系数的变化或互感系数的变化，再由测量电路转换为压力或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。
将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感器（又称电感式传感器），而将非电量转换成互感系数变化的传感器通常称为互感式传感器（又称差动变压器式传感器）。
5 压阻式传感器
固体受到力的作用后，其电阻率（电阻）就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测量装置。压阻式传感器主要用于压力、加速度和载荷等参数的测量。
压阻式传感器又分为两种类型：一类为粘贴型压阻式传感器，它的传感元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；另一类为扩散型压阻式传感器，它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。
6 光电式传感器
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动等。
7 热电式传感器
热电式传感器是利用其敏感元件的特征参数随温度变化的特性，对温度及与温度有关的参数进行测量的装置。其中，将温度量转换为电阻和电势是目前工业生产和控制中应用最为普遍的方法。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为电势变化的称为热电偶传感器。
四 其它类型的传感器
1 磁电式传感器
2 光纤传感器
3 固态图像传感器
4 气敏传感器
5 湿敏传感器
6 色敏传感器
7 磁敏传感器
8 微波检测传感器
