1.3 信号的获取及传输

1.3.1 信号的获取

现代电子信息系统信号的获取是通过不同类型的传感器完成的。

1.信号获取的基本概念

传感是指将被测的量或被观察的量通过传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理输出量的过程。被测的量或被观察的量与被转换的物理输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。而用来完成这种转换的装置则称为传感器或敏感元件。

传感器和敏感元件是两个不同的概念。敏感元件是指直接感受被测物理量并对其进行转换的元件或单元，而传感器则是由敏感元件及其相关的辅助元件和电路组成的整个装置，其中敏感元件是传感器的核心部件。因此，传感器和敏感元件是密切相连的。例如，在弹簧秤中，弹簧便是一个敏感元件，用于敏感所受的力并产生相应的位移。而指针和刻度盘（有时还包括用于指示放大的杠杆机构）则是辅助元件，它们共同组成了一个力传感器。本书着重于对装置的信号转换规律的研究，因此并不严格区分它究竟是一个敏感元件还是一个传感器，如无特殊说明，均将两者统称为传感器。

一个传感器的输入及其输出的两个量之间的关系可通过传感器的特性曲线来表示。若特性曲线是一条直线，则称该传感器是线性传感器，其特性曲线的数学表达式为

y=x0+k·x （1-3-1）

式中，x、y分别为传感器的输入与输出；x0为初始值，在大多数线性传感器中，x0为零，也即输出信号与输入信号成正比；常数k称为传感系数、转换比、灵敏度或斜率（但是在许多场合，传感器的特性曲线不是一条直线，则称该传感器是非线性传感器，此时的灵敏度或斜率在整个特性曲线过程中便不是一个常数，而是时间的函数）。

在输入量与输出量之间所期望的关系称为设定特性曲线，由于测得的实际特性曲线与设定特性曲线之间一般均存在有偏差，便形成了系统误差。对一线性的设定特性曲线，则称对它的偏差为线性误差。

传感器的不可逆变化是引起误差的一个主要原因。引起不可逆变化的原因有多种，如老化、零件接触点状况变化、热的或机械的过载及化学变化，摩擦、弹簧的弹性后效、磁性材料的迟滞效应，以及间隙和松动等。在选择传感器时对此应加以注意，应尽量选择对上述情况不敏感的传感器。此外，温度的变化、传感器的老化等也会引起特性曲线的漂移，从而引起误差。

2.传感器的分类

传感器一般都是根据物理学、化学、生物学的效应和规律设计而成的，因此大体上可分为物理型、化学型和生物型三大类。化学型传感器是利用电化学反应原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。生物型传感器是利用生物活性物质选择性识别及测定生物和化学物质的传感器。这两类传感器广泛应用于化学工业、环保监测和医学诊断。物理型传感器则广泛应用于工业测控技术领域。

按构成原理，物理型传感器又可分为物性型传感器和结构型传感器。物性型传感器利用其物理特性变化实现信号转换，如热敏电阻、光敏电阻等。结构型传感器利用其结构参数变化实现信号转换，如变极距型电容传感器、变气隙式电感传感器等。

根据能量观点，物理型传感器又可分为能量转换型和能量控制型两类。前者将非电能量转换为电能量，不需要外电源，因此又称为有源传感器，也称为换能器。压电式、磁电式传感器和热电偶等都属于这一类。后者需要外部电源供给能量，因此又称为无源传感器。这类传感器本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。电阻式、电感式和电容式传感器等都属于这一类。

按输出信号表示形式，物理型传感器又可分为模拟式和数字式两类。另外，按照制备传感器所用的材料，物理型传感器可以分为半导体传感器、金属传感器、陶瓷传感器、光纤传感器、高分子传感器和生物传感器等；按传感器的检测对象，物理型传感器可以分为温度传感器、光敏传感器、压力传感器、磁传感器、气敏传感器、湿度传感器、离子传感器等。还有更为具体的分类形式，如按照转换原理分类的（如电磁传感器和光电传感器），按照用途分类的（如工业、民用、医疗、军用及汽车传感器）等。

传感器按照被测物理量的分类如表1.3.1所示，按照输出量性质的分类如表1.3.2所示。

表1.3.1 传感器按照被测物理量的分类

表1.3.2 传感器按照输出量性质的分类

当前，传感器技术发展的速度很快。随着各行各业对测量任务的需要的不断增长，新型的传感器层出不穷。同时，随着现代信息技术的高速发展，传感器也朝着小型化、集成化和智能化的方向发展。传感器已不再是传统概念上的传感器。一些现代传感器常常将传感器和处理电路集成在一起，甚至和一个微处理器相结合，构成所谓的“智能传感器”。另外，利用微电子技术或微米/纳米技术可在硅片上制造出微型传感器，使传感器的应用范围更加扩大。可以预见，随着科学技术的发展，传感器技术也将得到更进一步的发展。

1.3.2 信号的传输

传感器信号的传输方式大体上可分为四线式、三线式和两线式三种，可根据传感器的种类和不同的需要来选择。

两线式传输采用两根导线作为电源和信号的公用线。采用两线式传输方式的传感器相当于一个可变电阻，其阻值与被测参数有关，此时电源、传感器和过程通道中的接收器件采用串联方式，当被测参数变化时，流过接收器件的负载电流也随之变化。由于半导体器件工作时需要一定的工作电流，即使当被测参数处于零点时，也要有一定的工作电流，故两线式传输方式有一个零点电流。国际统一电流信号4～20mA中的4mA就是零点电流。此外，两线式传输还要求使用以零电位起始的单电源供电，不能使用正、负电源。

电源与信号分别占用一根导线，另外还有一根专门的公共地线，便形成三线式传输方式。三线式传输方式采用集中电源供电时，传感器之间相互影响，信号零点不易调整，因此三线式传输方式要求使用独立电源供电。

电源与信号分别采用两根导线传送，便形成四线式传输方式，由于信号与电源分别传送，所以该方式对传感器的零点没有严格要求。

传感器的信号传输分两种情况，即敏感元件与传感器电路间的信号传输和传感器电路之间的信号传输。对前一种情况，主要考虑敏感元件拾取的信号在传输中受导线电阻的影响，如热敏电阻，如果热敏电阻较大且信号传递的距离较近，此时，导线电阻可以忽略不计，用两线式传输就可以了；如果热敏电阻较小，信号传输的距离又较远，就必须考虑导线电阻的影响，因此此时需采用三线式或四线式信号传输方式，以消除导线电阻的影响。对后一种情况，传输的信号有电流信号和电压信号之分，由于电压信号易受导线电阻和干扰信号的影响，所以多采用电流信号传输，即两线式传输方式。