传感器详解，传感器的定义分类与传感器的建模

　　传感器（Transducer/Sensor）的定义是：能感受被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件（Sensing element）是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（Transducing element）是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

　　

　　■ 感受的被测量：压力p ■ 感受的被测量：压力 p

　　■ 敏感元件：真空膜盒 ■ 敏感元件：圆柱壳（谐振筒）

　　■ 转换元件：杠杆、电位器 ■ 转换元件：电磁检测线圈

　　■ 输出信号：电位器电压u ■ 输出信号：检测线圈的电压u（周期信号的频率f）

　　从三个方面来理解与把握：

　　1. 作用——测量，应用传感器的目的（功能）；

　　2. 工作机理——敏感元件，传感器技术的核心，研究、设计、制作传感器的关键；

　　3. 输出信号——适于测量的电信号。

　　传感器的基本结构组成

　　

　　敏感元件：传感器的核心

　　■ 敏感元件可以工作于开环状态

　　■ 敏感元件也可以工作于闭环状态

　　传感器的定义分类

　　传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定规律将它转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，转换后的信息也可以有多种形式。目前的传感器大多为电信号，因此，从狭义上讲，传感器也可定义为把外界的输入信号转换成电信号的装置。

　　传感器是自动化系统中不可缺少的元件。它连接被测对象和测试系统，提供系统进行处理和决策所必需的原始信息。显然，一个自动化系统首先要检测到信息才能去进行自动控制，如果传感器不能获得信息，或者获得的信息不确切，或者不能把信息精确地转换成电信号，那么，要显示、处理这些信号就会非常困难，甚至没有意义。所以，传感器关系着一个测量系统或自动化系统的成败。

　　随着电子计算机、生产过程自动化、生物医学、环保、能源、海洋开发、遥感、遥测、宇航等科学技术的发展，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到日常生活的衣食住行，都广泛采用了各种传感器。

　　由于应用的对象、测量的范围、周围的环境等不同，需用的传感器也不一样，因此，传感器的种类很多。目前，传感器常用的分类方法有以下两种：

　　1．按被测物理量划分

　　（1）位移传感器

　　用于长度、厚度、应变、振动、偏转角等参数的测量。

　　（2）速度传感器

　　用于线速度、振动、流量、动量、转速、角速度、角动量等参数的测量。

　　（3）加速度传感器

　　用于线加速度、振动、冲击、质量、应力、角加速度、角振动、角冲击、力矩等参数的测量。

　　（4）力、压力传感器

　　用于力、压力、重量、力矩、应力等参数的测量。

　　

　　2．按工作原理分

　　（1）电阻式传感器

　　利用移动电位器触点改变电阻值或改变电阻丝或片的几何尺寸的原理制成，主要用于位移、力、压力、应变、力矩、气流流速和液体流量等参数的测量。

　　（2）电感式传感器

　　利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感和互感的电感量或压磁效应原理制成，主要用于位移、力、压力、振动、加速度等参数的测量。

　　（3）电容式传感器

　　利用改变电容的几何尺寸或改变电容介质的性质和含量，从而改变电容量的原理制成，主要用于位移、压力、液体、厚度、含水量等参数的测量。

　　（4）谐振式传感器

　　利用改变机械的或电的固有参数来改变谐振频率的原理制成，主要用于测量压力。

　　（5）电势型传感器

　　利用热电效应、光电效应、霍尔效应、电磁感应等原理制成，主要用于温度、磁通、电流、电压、速度、光强、热辐射等参数的测量。

　　（6）电荷式传感器

　　利用压电效应原理制成，主要用于力、加速度的测量。

　　（7）光电传感器

　　利用光电效应和几何光学原理制成，主要用于光强、光通量、位移等参数的测量。

　　（8）半导体传感器

　　利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应，与气体接触产生性质变化等原理制成，多用于温度、压力、加速度、磁场、有害气体和气体泄漏的测量。

　　传感器的建模

　　1. 建模是什么

　　■ 针对传感器中的弹性敏感元件，研究其在被测量作用下的力学行为：包括位移、应变、应力或者振动特性；

　　■ 建立包括传感器敏感单元几何结构参数、物理参数、边界条件在内的，传感器弹性敏感元件的位移、应变、应力或者振动特性与被测量之间的函数关系，即敏感结构的力学和数学模型；

　　

　　■ 不同于第二部分中的传感器特性（针对输入输出特性，相当于把传感器整体作为一个“黑匣子”，用来评估传感器总体性能。它不能告诉我们传感器敏感结构的几何参数、物理参数以及边界条件如何影响传感器的性能，自然也不会提供从传感器敏感结构的细节方面来改善其性能的办法。

　　2. 建模的重要性

　　■ 定量研究传感器敏感机理的理论基础；在传感器原理分析、结构设计、样机研制中有重要作用

　　■ 能充分、准确地揭示出传感器的工作机理

　　■ 能有效地指导传感器，特别是敏感结构几何参数、边界结构的优化设计过程

　　■ 提高针对性，缩短样机研制过程和利于处理不同物理量之间的耦合等

　　3. 建模的复杂性

　　■ 一方面，传感器是多学科的密集技术，涉及的知识内容遍及许多基础科学和技术科学。各种敏感效应的传感器种类繁多，被测参数、测量范围千差万别，敏感元件结构复杂多样

　　■ 另一方面，传感器的研究工作本身还具有很强的工程性，实用性。这要求传感器的建模也要充分体现这一点

　　4. 建模的过程

　　■ 第一个阶段：由实际问题本质特征建立传感器物理模型。此阶段主要针对传感器的基本工作原理进行。其特点是简洁、明确、反映了传感器的物理本质，模型中的每一项都具有鲜明的物理意义。

　　■ 第二个阶段：由传感器的物理模型建立其数学模型。此阶段主要根据传感器的基本工作原理，针对传感器的敏感元件进行。其特点是包含了传感器的几何结构参数、物理参数、边界条件及其他约束条件；物理特征含蓄，具有较强的抽象性。

　　■ 第三个阶段：求解数学模型。物理模型的建立对传感器整个建模工作至关重要，它既依赖于对传感器工作机理的理解，又依赖于已有的实际工作经验；数学模型的建立主要取决于传感器相关的技术基础和数学基础，它是保证模型准确、可靠的关键；数学模型的求解直接影响到整个建模工作的成效和应用价值。

　　■ 上述三个阶段在传感器的建模工作中缺一不可，应紧紧围绕着实际传感器的工作机理进行。

　　传感器的常见应用

　　1.自动门，利用人体的红外微波来开关门

　　2.烟雾报警器，利用烟敏电阻来测量烟雾浓度，从而达到报警目的

　　3.手机，数码相机的照相机，利用光学传感器来捕获图象

　　4.电子称，利用力学传感器（导体应变片技术）来测量物体对应变片的压力，从而达到测量重量目的

　　5.水位报警，温度报警，湿度报警，光学报警等……

　　智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如，它在机器人领域中有着广阔应用前景，智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能，可感知各种现象，完成各种动作。在工业生产中，利用传统的传感器无法对某些产品质量指标（例如，黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等）进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量（如温度、压力、流量等）。Cygnus公司生产了一种“葡萄糖手表”，其外观像普通手表一样，戴上它就能实现无疼、无血、连续的血糖测试。“葡萄糖手表”上有一块涂着试剂的垫子，当垫子与皮肤接触时，葡萄糖分子就被吸附到垫子上，并与试剂发生电化学反应，产生电流。传感器测量该电流，经处理器计算出与该电流对应的血糖浓度，并以数字量显示。