传感器的地位与定义.ppt

第一章 概述 1 传感器的地位与定义 假若我们将现代工业设备（具有一定的智能，能对所生产的产品实现精确的控制）看成一个生物体，那么机械部分组成了它的骨骼，起承载力和传递运动的作用；电力驱动部分构成它的肌肉，完成能量的转换，将电能转换为机械能；控制器（模拟的、数字的）作为它的大脑，实现判断和决策；传感器和测量系统则是这个生物体的神经系统，承担着对外界状态和内部指令执行情况的监测。一旦传感器和测量系统出现故障，这台现代工业设备必然发生瘫痪。 从广义的角度来说，可以把传感器定义为：一种能把特定的信息（物理量、化学量、生物量等）按固定的规律转换成某种可用信号（可理解）并能输出的器件或装置。广义的传感器一般由信号检出器件（又称敏感器件）和信号处理器件两部分组成，如图1-1所示。信号检出器件信号处理器件被测信息输出信号图1-1 广义传感器 以热敏电阻传感器为例，被测的温度信息作用在热敏电阻上，使热敏电阻的阻値发生变化，热敏电阻就是敏感器件。信号处理器件可以有两种，一种是供给热敏电阻恒定的电压，使变化的温度信息转换成模拟这个变化的电流信号输出；另一种方式是供给热敏电阻恒定的电流，使变化的温度信息转换成模拟这个变化的电压信号输出。在这里变化的温度是我们需要的信息，模拟温度变化的电信号（电流、电压）是温度信息的载体。 狭义的传感器定义是：把非电量信息转换成电信号输出的器件。 输出的电信号可以有三种形式：电压、电流、电脉冲（频率）。从信号传输的角度看，最容易受到干扰的是电压型信号，其次是电流型信号，最不易受干扰的是频率型信号。从信号处理的角度看，最容易处理，成本最低的信号是电压型信号，其次是电流型，频率型信号的处理成本最高。基于以上原因，工业现场对于近距离传输的信号一般采用电压型，中距离传输（10～2000米以内）采用电流型，更远距离传输采用频率型。 1.2 传感器的分类 一般来说，对于同一种被测物理量，可能采用的传感器有多种。同样，同一种传感器原理上也可能被用于对多种不同类型被测量的检测。因此，传感器的种类很多，分类的方法也是多种多样。 根据在检测过程中对外界能源的需要，可以将传感器分为有源传感器和无源传感器。 有源传感器也可称为能量转换型传感器，其特点在于敏感元件本身能将非电量直接转换成电信号，例如超声波换能器(压／电转换)、热电偶(热／电转换)、光电池(光／电转换)等。与有源传感器相反，无源传感器的敏感元件本身无能量转换能力，而是随输入信号而改变本身的电特性，因此必须采用外加激励源对其进行激励，才能得到输出信号。大部分传感器，如湿敏电容、热敏电阻、压敏电阻等都属于这类传感器。由于被测量仅能在传感器中起能量控制作用，也称为能量控制型传感器。由于需要为敏感元件提供激励源，无源传感器通常需要比有源传感器更多的引线，传感器的总体灵敏度也会受到激励信号幅度的影响。此外，激励源的存在可能增加在易燃易爆气体环境中引起爆炸的危险，在某些特殊场合需要引起足够的重视。 根据输出信号的类型，可以将传感器分为模拟传感器与数字传感器。 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号，其输出信号中的信息一般由信号的幅度表达。输出为方波信号，其频率或占空比随被测参量变化而变化的传感器称为准数字传感器。由于这类信号可直接输入到微处理器内，利用微处理器内的计数器即可获得相应的测量值，因此，准数字传感器与数字电路具有很好的兼容性。数字传感器将被测量的非电学量转换成数字信号输出，数字输出不仅重复性好、可靠性高，而且不需要A/D转换，比模拟量信号更容易传输。令人遗憾的是，由于敏感机理、研发历史等多方面的原因，目前实用的数字传感器种类非常少。市场上的许多所谓数字传感器实际上是输出为频率或占空比的准数字传感器。 实际上，最常用的传感器分类法有两种。一种是按照被测对象进行分类，这是众多工业现场的传感器用户所需要的分类方式。物理量传感器如温度、压力、流量、液位、位移传感器等，化学量传感器如化学成分、气味、基因、蛋白质等传感器。但这种分类方式难以包罗万象，因为需要测量的对象几乎有无限多个。 另一种分类方式是根据传感器的工作原理进行分类，这是传感器研究人员所常用的分类方式。这种分类方式有助于减少传感器的类别数，并使传感器的研究与信号调理电路直接相关。为了准确地把握传感器工作原理与信号测量、调理电路的关系，本教材也按此分类组织教学知识体系。 1.3 测量系统的分类 工业现场的测量系统按不同的划分方式可以分为多种测量系统。如按测量的目的分类，可分为控制型测量系统和监测型测量系统。为了控制产品的质量，测量多个生产工艺参数，如化学反应温度、轧制速度、成型压力、灌装重量等参数，这类参数参与了控制器的生产工艺参数决策并受到控制调整，这类测量系统为控制型测量系统。为了保证设备的正常运