傳感器與變送器

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著自動化程度的日益提高，越來越多的生產(chǎn)工藝參數(shù)需要進(jìn)行測量 和控制，如溫度、壓力、流量、液位、成分等典型的過程參數(shù)。此外，還有自動化生產(chǎn)線上 需要控制的機(jī)械量，如位移，角度，轉(zhuǎn)速等參數(shù)。那么如何將需要檢測的這些非電量轉(zhuǎn)換成電量，以便于控制，便成為控制系統(tǒng)中必須解決的問題。

對于這些過程參數(shù)和機(jī)械量參數(shù)而言，多數(shù)不能直接測量，一般是要借助于一些物質(zhì)的 物理、化學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性（如熱電效應(yīng)、電阻應(yīng)變效應(yīng)、壓電效應(yīng)等）把需檢測的參數(shù)轉(zhuǎn) 變?yōu)槠渌阌跍y量的相關(guān)量，并且將轉(zhuǎn)換后的信息傳遞出去，以間接得出被測參數(shù)的數(shù)值， 實現(xiàn)對被測參數(shù)的控制。那么能夠完成這些檢測任務(wù)的工具稱為檢測儀表。將被測參數(shù)轉(zhuǎn)換 為便于傳送信號的儀表叫傳感器，能完成過程參數(shù)檢測并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器稱為變送 器。

傳感器是借助于敏感元件，接收物理量形式的信息，并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或 另一種物理量形式信息的儀表。變送器是從傳感器發(fā)展而來的，它除了能對溫度、壓力、流 量、液位、成分等物理量進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換外，還具有一定的放大作用，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 信號。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于：傳感器是一個信號發(fā)生源，變送器則是用于信號變換。如 DDZ-m型變送器是把輸入的各類信號轉(zhuǎn)換為DC4?20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號。

從以往觀點看，傳感器與變送器是兩種不同的功能塊。近幾年來，隨著工業(yè)技術(shù)的更 新，特別是半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，使變送器制造技術(shù)出現(xiàn)了巨大的變化，采用微 機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)和微電子技術(shù)，從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)向微機(jī)械加工工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計， 使敏感元件與信號調(diào)理電路一體化，傳感與變送功能合一，并出現(xiàn)了多參數(shù)變送器，這是今 后智能變送器的又一發(fā)展趨勢。

—、傳感器

傳感器一般處于研究對象或檢測控制系統(tǒng)的zui前端，是感知、獲取與檢測信息的窗口， 它所獲得和轉(zhuǎn)換的信息正確與否，直接關(guān)系到整個測控系統(tǒng)的性能好壞，所以它是檢測與控 制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。從廣義角度看，傳感器應(yīng)該是指能夠檢測待定的物理量，并將其轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)的其他物理量（一般為電信號）的裝置（設(shè)備或器件）。

1.傳感器的定義及組成

傳感器是與人的感覺器官相對應(yīng)的元件，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7665—2005中的規(guī)定，定 義傳感器為：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號的器件或裝 置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。常用傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學(xué)量和 生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息多為易處理的電量，如電壓、電流、頻率等。

傳感器的組成按其定義一般由敏感元件、傳感元件（轉(zhuǎn)換元件）、測量轉(zhuǎn)換電路（又稱 信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路）三部分組成，如圖2-11所示。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感 受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適 合于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器輸出信號一般都很微弱，因此傳感器輸出的信號 一般需要進(jìn)行信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換、放大、運算與調(diào)制之后才能進(jìn)行顯示和參與控制。此外，測 量轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作時還需要還要有電源供電，所以常將測量轉(zhuǎn)換電路以及所需電源也看做是傳感器組成的一部分。

需要注意的是，有些傳感器并不能明顯區(qū)分敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分，而是兩者合為 一體（如熱電偶），直接將被測量轉(zhuǎn)換成電信號。

圖2-12所示為一臺測量壓力用的電位器式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖。當(dāng)被測壓力P增大時， 彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。電位器電阻的變 化量反映了被測壓力P值的變化。在這個傳感器中，彈簧管為敏感元件，它將壓力轉(zhuǎn)換成 角位移a。電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量，即電阻的變化A/?。當(dāng)電位器的 兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓"。。 故在這個例子中，電位器又屬于分壓比式測量轉(zhuǎn)換電路。

2. 傳感器的分類

一般情況下，對某一物理量的測量可以使用不同的傳感器，而同一傳感器又往往可以測 量不同的多種物理量。所以，傳感器從不同的角度有許多分類方法。目前一般采用兩種分類 方法：一種是按被測參數(shù)分類，如對溫度、壓力、流量、液位、位移、速度等的測量，相應(yīng) 的有溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器、位移傳感器、速度傳感器等；另 一種是按傳感器的工作原理分類，如按應(yīng)變原理工作式、按電容原理工作式、按壓電原理工 作式、按磁電原理工作式、按光電效應(yīng)原理工作式等，相應(yīng)的有應(yīng)變式傳感器、電容式傳感 器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等。

3. 傳感器的選用原則

現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與 之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果在很大程度上取決于傳感器的選 用是否合理。

傳感器的品種很多，對于同一種被測物理量，可選用不同的傳感器。例如被測物理量是 位移，可以選用電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、數(shù)字式傳感器等。當(dāng) 然，選用傳感器時應(yīng)考慮的因素很多，但選用時不一定能滿足所有要求，應(yīng)根據(jù)被測參數(shù)的 變化范圍、傳感器的性能指標(biāo)、環(huán)境等要求選用。通常，選用傳感器應(yīng)從以下幾個方面考慮：

1) 測試條件：主要包括測量目的、被測試物理量特性、測量范圍、輸人信號zui大值和 頻帶寬度、測量準(zhǔn)確度要求、測量所需時間要求等。

2) 傳感器性能：主要包括準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量（模擬量還是數(shù)7量>、 對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。

3) 使用條件：主要包括設(shè)置場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所 需功率容量、與其他設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。此外，還應(yīng)從以下幾個方面考慮。

(1) 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型

要進(jìn)行一次具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的 因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，究竟 哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些 具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式； 信號的引出方法，有線或是無線測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價格能否承受，還是 自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體 性能指標(biāo)。

(2) 靈敏度的選擇

通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時， 與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈 敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混人，也會被系統(tǒng)放大，影響測量準(zhǔn)確度。因此， 要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界弓I入干擾信號。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單矢量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選 擇其他方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維矢量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

(3) 頻率響應(yīng)特性

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。

傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系 統(tǒng)的慣性較大，因此頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。

在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大 的誤差。

(4) 線性范圍

傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成直線關(guān)系的范圍。從理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏 度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量準(zhǔn)確度。在選 擇傳感器時，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。

但實際上，任何傳感器都木能保證的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量準(zhǔn) 確度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看做是線性的，這會給

測量帶來極大的方便。

(5) 穩(wěn)定性

傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此’要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量的指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合’所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時間的考驗。

(6) 準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度的廠個重 要環(huán)節(jié)。傳感器的準(zhǔn)確度越高，其價格越昂貴。因此，傳感器的準(zhǔn)確度只要滿足整個測量系 統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量的目的是定性分析，選用重復(fù)準(zhǔn)確度高的傳感器即可，不宜選用量值準(zhǔn)確 度高的；如果是為了定量分析，必須獲得的測量值，就需選用準(zhǔn)確度等級能滿足要求的傳感器。

為了提高測量準(zhǔn)確度，平時正常顯示值要在滿刻度的50%左右來選定測量范圍（或刻度范圍）。總之，應(yīng)從傳感器的基本工作原理出發(fā)，注意被測對象可能產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)：所選擇的傳感器，應(yīng)既能適應(yīng)被測物理量，又能滿足量程、測量結(jié)果的準(zhǔn)確度要求，同時還要具有可靠性高、通用性強，有盡可能高的靜態(tài)性能和動態(tài)性能以及較強的適應(yīng)環(huán)境的能力，而又具有較高的性價比和良好的經(jīng)濟(jì)性。

二、變送器

如前所述，傳感器的作用主要是基于各種自然規(guī)律和基礎(chǔ)效應(yīng)’把被測變量轉(zhuǎn)化為便于 傳送的信號，如電壓、電流、電阻、電容、位移、力等。由于傳感器的輸出信號種類多且比 較微弱，所以必須由變送器將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。本節(jié)主要討論變送器的構(gòu)成原理和共 同性問題，使用的差壓變送器和溫度變送器我們將在后續(xù)章節(jié)具體介紹。

.變送器的種類和用途 、

變送器在自動檢測和控制系統(tǒng)中的作用，是將各種被測工藝變量，一如壓力：$量、液 位、溫度等物理量變換成相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，并傳送到指示記錄儀、運算器和調(diào)節(jié)器，供 指示、記錄和控制。無論是由模擬儀表構(gòu)成的系統(tǒng)，還是由計算機(jī)控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)，變 送器都是首要環(huán)節(jié)和重要組成部分，只有獲得和可靠的被控參數(shù)，才能進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而才能獲得高質(zhì)量的控制效果。

變送器種類也很多，按照目前的技術(shù)水平，變送器可分為兩類：一類是按傳遞信號分為 模擬式變送器、數(shù)字式（亦稱智能式）變送器；另一類是按照被測參數(shù)名稱分類，主要有 差壓變送器、壓力變送器、猛度變送器、液位變送器和流量變送器等。