現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著自動(dòng)化程度的日益提高，越來(lái)越多的生產(chǎn)工藝參數(shù)需要進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)的參數(shù)轉(zhuǎn) 變?yōu)槠渌阌跍y(cè)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(cè)參數(shù)的數(shù)值， 實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)參數(shù)的控制。那么能夠完成這些檢測(cè)任務(wù)的工具稱為檢測(cè)儀表。將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換 為便于傳送信號(hào)的儀表叫傳感器，能完成過程參數(shù)檢測(cè)并輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(lái)的，它除了能對(duì)溫度、壓力、流 量、液位、成分等物理量進(jìn)行測(cè)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(hào)。兩者的本質(zhì)區(qū)別在于：傳感器是一個(gè)信號(hào)發(fā)生源，變送器則是用于信號(hào)變換。如 DDZ-m型變送器是把輸入的各類信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC4?20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

從以往觀點(diǎn)看，傳感器與變送器是兩種不同的功能塊。近幾年來(lái)，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(jì)轉(zhuǎn)向微機(jī)械加工工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 使敏感元件與信號(hào)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(shì)。

—、傳感器

傳感器一般處于研究對(duì)象或檢測(cè)控制系統(tǒng)的zui前端，是感知、獲取與檢測(cè)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(gè)測(cè)控系統(tǒng)的性能好壞，所以它是檢測(cè)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(cè)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(hào)）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(duì)應(yīng)的元件，按照國(guó)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(cè)量并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路（又稱 信號(hào)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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈?受或響應(yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適 合于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。由于傳感器輸出信號(hào)一般都很微弱，因此傳感器輸出的信號(hào) 一般需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算與調(diào)制之后才能進(jìn)行顯示和參與控制。此外，測(cè) 量轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作時(shí)還需要還要有電源供電，所以常將測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

圖2-12所示為一臺(tái)測(cè)量壓力用的電位器式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。當(dāng)被測(cè)壓力P增大時(shí)， 彈簧管撐直，通過齒條帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)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(cè)壓力P值的變化。在這個(gè)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(gè)例子中，電位器又屬于分壓比式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。

2. 傳感器的分類

一般情況下，對(duì)某一物理量的測(cè)量可以使用不同的傳感器，而同一傳感器又往往可以測(cè) 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(cè)參數(shù)分類，如對(duì)溫度、壓力、流量、液位、位移、速度等的測(cè)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?cè)砉ぷ魇?、按電容原理工作式、按壓電原理?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(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與 之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)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(duì)于同一種被測(cè)物理量，可選用不同的傳感器。例如被測(cè)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(shí)應(yīng)考慮的因素很多，但選用時(shí)不一定能滿足所有要求，應(yīng)根據(jù)被測(cè)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(gè)方面考慮：

1) 測(cè)試條件：主要包括測(cè)量目的、被測(cè)試物理量特性、測(cè)量范圍、輸人信號(hào)zui大值和 頻帶寬度、測(cè)量準(zhǔn)確度要求、測(cè)量所需時(shí)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(duì)被測(cè)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(chǎng)地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）、測(cè)量時(shí)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(gè)方面考慮。

(1) 根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類型

要進(jìn)行一次具體的測(cè)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?yàn)椋词故菧y(cè)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(cè)量的特點(diǎn)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(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式； 信號(hào)的引出方法，有線或是無(wú)線測(cè)量；傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)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?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)， 與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈 敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混人，也會(huì)被系統(tǒng)放大，影響測(cè)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?gòu)耐饨绻璉入干擾信號(hào)。

傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單矢量，而且對(duì)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(cè)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(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。

傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)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(cè)信號(hào)的頻率較低。

在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)（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(cè)量準(zhǔn)確度。在選 擇傳感器時(shí)，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(shí)際上，任何傳感器都木能保證的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量準(zhǔn) 確度比較低時(shí)，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(huì)給

測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

(5) 穩(wěn)定性

傳感器使用一段時(shí)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(zhǎng)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對(duì)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?，減小環(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(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。

(6) 準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度的廠個(gè)重 要環(huán)節(jié)。傳感器的準(zhǔn)確度越高，其價(jià)格越昂貴。因此，傳感器的準(zhǔn)確度只要滿足整個(gè)測(cè)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(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。如果測(cè)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(cè)量值，就需選用準(zhǔn)確度等級(jí)能滿足要求的傳感器。

為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，平時(shí)正常顯示值要在滿刻度的50%左右來(lái)選定測(cè)量范圍（或刻度范圍）?？傊?，應(yīng)從傳感器的基本工作原理出發(fā)，注意被測(cè)對(duì)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(cè)物理量，又能滿足量程、測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度要求，同時(shí)還要具有可靠性高、通用性強(qiáng)，有盡可能高的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能以及較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力，而又具有較高的性價(jià)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(cè)變量轉(zhuǎn)化為便于 傳送的信號(hào)，如電壓、電流、電阻、電容、位移、力等。由于傳感器的輸出信號(hào)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(hào)。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(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中的作用，是將各種被測(cè)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(hào)，并傳送到指示記錄儀、運(yùn)算器和調(diào)節(jié)器，供 指示、記錄和控制。無(wú)論是由模擬儀表構(gòu)成的系統(tǒng)，還是由計(jì)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(hào)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(cè)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。