传感器是自动控制系统中重要的基础功能部件。本文将向读者介绍传感器的基本知识和概念，并帮助读者掌握传感器的基本应用技术。
传感器的定义和分类
传感器是把被测量的量值形式（如物理量、化学量、生物量等）变换为另一种与之有确定对应关系且便于计量的量值形式（通常是电量）的装置。它实现两种不同形式的量值之间的交换，目的是为了计量。从这个观点出发，对于每一种（物理）效应都可在理论上或原理上构成一类传感器。
传感器的种类繁多，常用的分类方法有两种：
①按被测量性质分，有：
A 机械（力学）量（几何尺寸、力、速度、加速度、振动等）传感器；
B 热工量（温度、压力、流量等）传感器；
C 物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器等。
②按输出量的性质来划分，有：
A、参量型传感器（输出是非源的电参量如电阻、电感、电容、频率），又可分成电阻式（电位器、热电阻、光敏电阻、气敏电阻等），电感式（自感、互感、压磁、涡流等），电容式等；
B、发电型传感器（输出是电势或电流）：又可分成热电偶式、光电池式、电极电位式、磁电式、压电式等。
参量型又可称为参量控制型，发电型可称为能量控制型。
实际上，传感器是人为地按一定的目的来分类的，为的是可以成类地研究其共同性，以利应用和发展。分类的方法并不是一成不变的，完全可以根据技术和使用要求的发展而变化。对于本文提到的两种常用的分类法，显然第一种是从应用的目的出发的，第二种是从研究的目的出发，着眼于变换过程的特征。综合理解各种分类方法的特点，对深入认识各种传感器的本质和特性，以便灵活使用不无好处。
传感器的构成
传感器的核心部件是敏感元件，由它将要变换的量值形式按确定的对应关系变换成目的输出量。此外还有传感（动）元件和测量电路两个主要部分。敏感元件和传感（动）元件可能是分开的，也可能是合一的，也有可能是不易区分的，但缺了敏感元件就不成为传感器了。测量电路是向外界输出信息用的，它本身或简或繁，按需而定，最常见的是电桥电路。现代的电子技术甚至可以将整个复杂的电路用集成工艺与上述两部分做成一体，并取得优异的特性。
传感器的基本性能
（一）精度指标（精确度）：
精确度是精密度和准确度二者意义的总和。精度指标中精度等级的概念非常重要。
精度等级：在工程测试中为表示仪器测量结果的可靠程度引入的一个表示仪器精确度等级的概念，用A表示。A以一系列百分比数值表示。A通常是仪器在规定工作条件下其最大允许误差Δy相对于仪器示值全程（FS）的百分数。表示为：
A％=[Δy/y（FS）]×100％
这个概念现在被约定俗成地广泛应用于各种测试、各类仪表和传感器。式中的Δy可以是仪器的非线性、重复性、回滞等各单项的最大误差值（此时A就成为各单项的精度等级），但这各单项指标中以非线性最为重要，常用它代表总体的精度等级，也有用各单项指标中A值最大者作为总体精度等级的情况。
（二）输入／输出特性：
①灵敏度（S）：它表明传感器在稳态工作时输出增量对输入增量的比值即S=ΔY／ΔX（图1）。为了使用的方便，显然需要S为恒值，这就希望输入／输出关系特性是一条直线，这时称传感器工作在线性状态。S用输出、输入量的实际单位表示（如mV／mm）。
灵敏限、分辨率也是表示输入／输出关系特性的两大指标。这里特别指出，数字表的分辨率指标往往较高，若由数字表和传感器组成一个仪器系统，由于传感器精度等级的限制（工业用一般为0.3％左右），那么仪器系统示值的可靠程度就不会如数字表分辨率那样理想。如一个0～200℃量程0.5％精度的温度传感器配3\(\frac{1}{2}\)位数字表构成一个测温系统，数字表指示中低于0.1℃的示值就没有实际意义。所以对于数字式仪器系统要把系统中各部分的分辨率和精度联系起来考虑才能衡量其示值的可靠程度，才能达到最有效最经济的配置。
②线性度：它是静态特性曲线与一条指定直线的重合程度。如图2所示，线性度为E，则有：
E=[ΔY\(_{max}\)／Y（FS）]×100％。
图中虚线为指定直线，即理想的输入／输出关系特性，实曲线是实际特性。在工作时实际使用的是理想输入／输出关系特性。线性度是传感器的一个重要特性，有一套完整的标定计算和评价方法。传感器研究中大量的工作都是为改善线性度而做的。常见的“非线性度”的提法，实际上与“线性度”是同一概念。
③回滞：它指输入量在进程和回程时输入/输出关系特性不一致的程度。如图3所示，回滞H=［ΔY\(_{max}\)／Y（FS）]×100％。
④量程：指测量上、下限值的范围。
（三）稳定性：工作条件不变，工作性能在规定时间内保持不变的能力。
（四）动态特性：
①频响：是指传感器能保持其各项性能指标的情况下，能工作的最高频率（有时也顾及最低频率）。
②稳定时间：指从输入信号阶跃变化起、到输出信号进入并不再超过对最终稳态值Y\(_{s}\)规定的允差区e时的时间间隔，如图4中tm的示意。
（五）可靠性：表示对于规定条件，在规定时间内完成所要求功能的能力。它有一整套科学的、周密的衡量方法。
测量电路
在传感器中，敏感元件感受到被测的量后产生的敏感信号往往是微弱的，这就需要将这些微弱信号通过一定型式的电路加以组合或加工，目的是使之便于测量。对于参量型传感器，测量电路还要把非源的电参量按比例变换成电压信号。
（一）电桥电路
这是一种有广泛用途的测量电路。在它的家族中，最基础最常用的是恒压源直流等臂电桥电路（以下简称为“电桥”）。
实际应用中，可将敏感元件（例如电阻应变片、热敏电阻）安排在其中任一臂或数臂中（其余臂用固定电阻）。在初始状态时调整非敏感元件臂的电阻值，使电桥达到平衡。由于敏感臂中电阻值的变化（ΔRi），使输出电压不为零，Δu就是传感器的输出信号了。由ΔRi的正负，可导致Δu的正负。电桥结构简单、设置灵活、反应直观。
上面讨论的是有代表性的恒压源（等臂）不平衡电桥，该电桥工作在不平衡状态，它靠敏感元件电参量的变化产生不平衡，用度量不平衡产生的输出电压来表征被测量。此外，还有一种工作在平衡状态下的电桥。由供桥电源的种类，可分为恒压源桥和恒流源桥，亦可分成直流桥和交流桥（正弦波、方波）。交流桥的平衡条件为阻抗平衡。
作为实用的传感器测量电桥，合适的供桥电压（E）或电流（I）是非常重要的。它要有合适的大小以保证有足够大的Δu，又不致因太大使敏感元件因电流热效应产生温升而影响工作；又要有合适的稳定度以使Δu不致随E或I的不稳定而漂移。图5给出一个恒压等臂全电阻桥式位移传感器的实例。如图5所示R\(_{a}\)和Rb是两个阻值相同的均匀滑动电阻，联动的滑动触头对处在R\(_{a}\)和Rb中点时，位移d=0，Δu=0。当触头产生位移d（或-d）时，Δu的大小和正负即表示位移的大小和方向，即有Δu=f（d）的函数关系。
（二）电阻分压电路
这是一种很有用的测量电路（图6）。它有既简单而输出又大的明显优点，得到广泛的使用。值得一提的是它的输入／输出关系Δu=f（r）并非线性，且受其负载阻抗的影响（只有在R\(_{D}\)＝∞时，非线性才为零）。应用中可按不同需要用加入端电阻R′的方法或调整（RD／R）比值的方法，按图7的关系曲线通过控制误差来改善线性。图6所示的是电位器式电阻分压电路。还有一种电阻分压电路是靠测量敏感电阻R本身受到被测量作用后的电阻变化情况（R+ΔR）来工作的（如电阻应变片和热敏电阻），如图8。这种电路有着与图6电路同样的特性和使用方法。这时电路中的R'是非用不可的，而且计算表明当R′=R且（ΔR/R）<0.01时，该电路的灵敏度最高，输入／输出关系也近似于线性。电阻分压电路中电源E的大小和稳定度要按电桥电路中对电源的要求来考虑。
（三）谐振电路
有很多参量型传感器输出的是电感信号或电容信号。用电感和电容并联或串联可以组成一个谐振单元，单元本身有一个谐振频率。如果被测的量使电感或电容之一发生变化，谐振频率也会变化。测量此频率，就可测出电感或电容的变化，进而利用输入／输出关系特性计算出被测的量值。（待续） (梁建宁)