传感器的分类

传感器的分类

传感器种类繁多，功能各异。由于同一被测量可用不同转换原理实现探测，利用同一种物理法则、化学反应或生物效应可设计制作出检测不同被测量的传感器，而功能大同小异的同一类传感器可用于不同的技术领域，故传感器有不同的分类方法。传感器的分类方法很多，了解传感器的分类，旨在加深理解，便于应用。

1．按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类

按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类，传感器可分为物理型传感器、化学型传感器和生物型传感器三大类，如图1-2所示。

图1-2 传感器的分类

其中利用物理效应进行信号变换的传感器称为物理型传感器，它利用某些敏感元件的物理性质或某些功能材料的特殊物理性能进行被测非电量的变换。如利用金属材料在被测量作用下引起的电阻值变化的应变效应的应变式传感器；利用半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的压阻效应制成的压阻式传感器；利用电容器在被测量的作用下引起电容值的变化制成的电容式传感器；利用磁阻随被测量变化的简单电感式、差动变压器式传感器；利用压电材料在被测力作用下产生的压电效应制成的压电式传感器等。

物理型传感器又可以分为结构型传感器和物性型传感器。

结构型传感器是以结构(如形状、尺寸等)为基础，利用某些物理规律来感受(敏感)被测量，并将其转换为电信号实现测量的。例如电容式压力传感器，必须有按规定参数设计制成的电容式敏感元件，当被测压力作用在电容式敏感元件的动极板上时，引起电容间隙的变化导致电容值的变化，从而实现对压力的测量。又比如谐振式压力传感器，必须设计制作一个合适的感受被测压力的谐振敏感元件，当被测压力变化时，改变谐振敏感结构的等效刚度，导致谐振敏感元件的固有频率发生变化，从而实现对压力的测量。

物性型传感器就是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应感受(敏感)被测量，并转换成可用电信号的传感器。例如利用具有压电特性的石英晶体材料制成的压电式压力传

1

-

感器，就是利用石英晶体材料本身具有的正压电效应而实现对压力测量的；利用半导体材料在被测压力作用下引起其内部应力变化导致其电阻值变化制成的压阻式传感器，就是利用半导体材料的压阻效应而实现对压力测量的。

一般而言，物理型传感器对物理效应和敏感结构都有一定要求，但侧重点不同。结构型传感器强调要依靠精密设计制作的结构才能保证其正常工作；而物性型传感器则主要依靠材料本身的物理特性、物理效应来实现对被测量的敏感。

近年来，由于材料科学技术的飞速发展与进步，物性型传感器应用越来越广泛。这与该类传感器便于批量生产、成本较低及易于小型化等特点密切相关。

化学传感器是利用电化学反应原理，把无机或有机化学的物质成分、浓度等转换为电信号的传感器。最常用的是离子敏传感器，即利用离子选择性电极，测量溶液的pH值或某些离子的活度，如K，Na，Ca等。电极的测量对象不同，但其测量原理基本相同，主要是利用电极界面(固相)和被测溶液(液相)之间的电化学反应，即利用电极对溶液中离子的选择性响应而产生的电位差。所产生的电位差与被测离子活度对数成线性关系，故检测出其反应过程中的电位差或由其影响的电流值，即可给出被测离子的活度。化学传感器的核心部分是离子选择性敏感膜。膜可以分为固体膜和液体膜。玻璃膜、单晶膜和多晶膜属固体膜；而带正、负电荷的载体膜和中性载体膜则为液体膜。

化学传感器广泛应用于化学分析、化学工业的在线检测及环保检测中。

生物传感器是近年来发展很快的一类传感器。它是一种利用生物活性物质选择性来识别和测定生物化学物质的传感器。生物活性物质对某种物质具有选择性亲和力，也称其为功能识别能力。利用这种单一的识别能力来判定某种物质是否存在，其浓度是多少，进而利用电化学的方法进行电信号的转换。生物传感器主要由两大部分组成。其一是功能识别物质，其作用是对被测物质进行特定识别。这些功能识别物有酶、抗原、抗体、微生物及细胞等。用特殊方法把这些识别物固化在特制的有机膜上，从而形成具有对特定的从低分子到大分子化合物进行识别功能的功能膜。其二是电、光信号转换装置，此装置的作用是把在功能膜上进行的识别被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。其中最常应用的是电极，如氧电极和过氧化氢电极。近来有把功能膜固定在场效应晶体管上代替栅－漏极的生物传感器，使得传感器整个体积做得非常小。如果采用光学方法来识别在功能膜上的反应，则要靠光强的变化来测量被测物质，如荧光生物传感器等。变换装置直接关系着传感器的灵敏度及线性度。生物传感器的最大特点是能在分子水平上识别被测物质，不仅在化学工业的监测上，而且在医学诊断、环保监测等方面都有着广泛的应用前景。

+

+

2+

2

-

本书将重点讨论物理型传感器。

表1-2给出了与五官对应的传感器。

表1-2 与五官对应的传感器

感觉 视觉 听觉 触觉 嗅觉 味觉

传感器 光敏传感器 声敏传感器 热敏传感器 气敏传感器 味敏传感器

效 应 物理效应 物理效应 物理效应 化学效应、生物效应 化学效应、生物效应

2．按工作原理分类

按工作原理分类是以传感器对信号转换的作用原理命名的，如应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、热电式传感器、电感式传感器、霍尔传感器、热电式传感器等。这种分类方法较清楚地反映出了传感器的工作原理，有利于对传感器研究的深入分析。本书后面各章就是按传感器的工作原理分类进行编写的。

3．按被测量对象分类

按传感器的被测量对象――输入信号分类，能够很方便地表示传感器的功能，也便于用户选用。按这种分类方法，传感器可以分为温度、压力、流量、物位、加速度、速度、位移、转速、力矩、湿度、粘度、浓度等传感器。生产厂家和用户都习惯于这种分类方法。同时，这种方法还将种类繁多的物理量分为两大类，即基本量和派生量。例如，将“力”视为基本物理量，可派生出压力、重量、应力、力矩等派生物理量，当我们需要测量这些派生物理量时，只要采用基本物理量传感器就可以了。所以，了解基本物理量和派生物理量的关系，对于选用传感器是很有帮助的，表1-3给出的是常用的基本物理量和派生物理量。

表1-3 常用的基本物理量和派生物理量

基 本 物 理 量 线位移 位 移 角位移 线速度 速 度 角速度 转速、角振动 旋转角、偏转角、角振动 速度、振动、流量、动量 派 生 物 理 量 长度、厚度、应变、振动、磨损、不平度 3

-

线加速度 加速度 角加速度 力 时 间 温 度 光 压 力 频 率 振动、冲击、质量 角振动、扭矩、转动惯量 重力、应力、力矩 周期、计数、统计分布 热容量、气体速度、涡流 光通量与密度、光谱分布 按输入物理量进行传感器分类的方法，将原理不同的传感器归为一类，不易找出每种传感器在转换机理上的共性和差异，因此，不利于掌握传感器的一些基本原理和分析方法。仅温度传感器中就包括用不同材料和方法制成的各种传感器，如热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、金属热电阻温度传感器、P－N结二极管温度传感器、红外温度传感器等。通常对传感器的命名就是将其工作原理和被测参数结合在一起，先说工作机理，后说被测参数，如硅压阻式压力传感器、电容式加速度传感器、压电式振动传感器、谐振式质量流量传感器等。

针对传感器的分类，不同的被测量可以采用相同的测量原理，同一个被测量可以采用不同的测量原理。因此，必须掌握在不同的测量原理之间测量不同的被测量时，各自具有的特点。

4．按需不需要外加电源分类

传感器按需不需要外加电源方式分类，可分为有源传感器和无源传感器。

无源传感器的特点是无需外加电源便可将被测量转换成电量。如光电传感器能将光射线转换成电信号，其原理类似太阳能电池；压电传感器能够将压力转换成电压信号；热电偶传感器能将被测温度场的能量（热能）直接转换成为电压信号的输出等等。

有源传感器需要辅助电源才能将检测信号转换成电信号。大多数传感器都属于这类。 5．按构成传感器的功能材料分类

按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等。

6．按某种高新技术命名的传感器分类

有些传感器是根据某种高新技术命名的，如集成传感器、智能传感器、机器人传感器、仿生传感器等。

4

-

应该指出，由于敏感材料和传感器的数量特别多，类别十分繁复，相互之间又有着交叉和重叠，这里就不再赘述。为了揭示诸多传感器之间的内在联系，表1-4中给出了传感器分类、转换原理和它们的典型应用，供选用传感器时参考。

表1-4 传感器分类表

传感器分类 传 感 器 名 转换形式 中间参量 移动电位器触点改变电阻 电阻 电位器传感器 电阻应变式传改变电阻丝或片的尺寸 感器、 半导体应变传感器 热丝传感器 利用电阻的温度效应 （电阻温度系数） 电 电阻 参 数 电容 利用电阻的光敏效应 利用电阻的湿度效湿敏电阻 应 改变电容的几何尺寸 改变电容的介电常数 改变磁路几何尺寸、 导磁体位置 涡流去磁效应 电感 利用压磁效应 电感传感器 涡流传感器 压磁传感器 差动变压器 改变互感 自速角机 旋转变压器 频率 改变谐振回路中的 固有参数 振弦式传感器 振筒式传感器 电容传感器 力、压力、负荷、位移 液位、厚度、含水量 位移 位移、厚度、硬度 力、压力 位移 位移 位移 压力、力 气压 湿度 电阻温度传感器 热敏电阻传感器 光敏电阻传感光强 器 气流速度、液体流量 温度、辐射热 微应变、力、负荷 位移 转 换 原 理 称 典 型 应 用 温度 5

-

石英谐振传感器 利用莫尔条纹 计数 改变互感 利用拾磁信号 数字 利用数字编码 温差电动势 电 能 量 电 荷 辐射电离 压电效应 电离室 压电传感器 电 霍尔效应 动 电磁感应 势 光电效应 光电池 磁电传感器 霍尔传感器 光栅 感应同步器 磁栅 角度编码器 热电偶 力、温度等 大角位移、大直线位移 大角位移 温度、热流 磁通、电流 速度、加速度 光强 离子计数、放射性强度 动态力、加速度 6