第三章傳感檢測技術(shù)(新

1、本章導(dǎo)讀在機電一體化產(chǎn)品中，無論是機械電子化產(chǎn)品（如數(shù)控機床），還是機電相互融合的高級產(chǎn)品（如機器人），都離不開檢測與傳感器這個重要環(huán)節(jié)。若沒有傳感器對原始各種參數(shù)進行精確而可靠的自動檢測，那么，信號轉(zhuǎn)換、信息處理、正確顯示、控制器的最佳控制等都是無法進行和實現(xiàn)的。本章首先解釋傳感器的基本概念和組成，并介紹傳感檢測系統(tǒng)的基本組成。其次對機電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的分類進行詳細介紹。再次對傳感器的特性、選用原則、校準(zhǔn)及安裝進行說明。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機檢測技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，因此，本章最后簡要介紹了傳感檢測電路及其計算機接口。學(xué)習(xí)內(nèi)容與要求1.掌握傳感器的組成和分類；2.熟悉根據(jù)機電

2、系統(tǒng)的設(shè)計要求選用傳感器；3.了解傳感器的校準(zhǔn)及安裝方法；4.熟悉傳感器的測量電路、計算機接口及其主要性能指標(biāo)。本章重點1.傳感器的組成和使用方法；2.根據(jù)機電系統(tǒng)的設(shè)計要求選用傳感器；3.傳感器的測量電路、計算機接口及其主要性能指標(biāo)；4.傳感器的校準(zhǔn)及安裝方法。本章難點1.傳感器的組成和使用方法；2.常用傳感器的特性及選用方法。媒體使用說明學(xué)生可以通過文字教材理解傳感器的基本概念、傳感檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成、傳感器的選用方法、傳感器測量電路與計算機接口等知識。結(jié)合流媒體課件著重學(xué)習(xí)本章主要知識點，通過流媒體課件中二維或三維動畫仿真演示，深入理解課程的重點和難點內(nèi)容。在錄像教材中，主要介紹傳感器測

3、量電路及其計算機接口。3.1傳感檢測技術(shù)概述在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，人類已進入瞬息萬變的信息時代。在從事工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗等活動中，對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理是極其重要的。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口?？茖W(xué)實驗和生產(chǎn)過程中，尤其是自動檢測和自動控制系統(tǒng)要獲取信息，都要通過傳感器將其轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。傳感器的水平是衡量一個國家綜合經(jīng)濟實力和技術(shù)水平的標(biāo)志之一，它的發(fā)展水平、生產(chǎn)能力和應(yīng)用領(lǐng)域已成為一個國家科學(xué)技術(shù)進步的重要標(biāo)志。從生產(chǎn)實踐看，從人們?nèi)粘５囊率匙⌒械礁鞣N復(fù)雜的工程，都離不開傳感器。例如，工廠自動化的柔性制造系統(tǒng)、計

4、算機集成制造系統(tǒng)、大型發(fā)電廠、飛機（一架飛機上裝有幾千只傳感器）、武器指揮系統(tǒng)、雷達、宇宙飛船、海洋探測器、各種家用電器、報警器、環(huán)境監(jiān)測器、醫(yī)療衛(wèi)生器械、生物工程等都依靠不同性質(zhì)的傳感器來獲取所需要的信息。3.1.1傳感器及其組成1.傳感器的定義傳感器好比人的五官，人通過五官即眼（視覺）、耳（聽覺）、鼻（嗅覺）、舌（味覺）、四肢（觸覺）感知和接收外界信息，然后通過神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦進行加工處理。傳感器則是一個控制系統(tǒng)的“電五官”，它感測到外界的信息，然后反饋給系統(tǒng)的處理器即“電腦”進行加工處理。人與傳感器的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1人與傳感器的關(guān)系傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與

5、之有確定對應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測量裝置。其具體含義包括以下幾方面：（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；（2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；（3）它的輸出量是某種物理量，且這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，另外，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；（4）輸出/輸入有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。2.傳感器的組成傳感器的輸出信號通常是電量，因為它便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件及其他輔助部件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受

6、或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的部分。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱，因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進行放大和運算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可以安裝在傳感器的殼體里，也可以與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助電源，因此，信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。傳感器組成框圖如圖3-2 所示。圖3-2傳感器組成框圖（1）敏感元件。它能直接感受被測非電量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成與被測非電量有確定對應(yīng)關(guān)系的其他物理量。

7、（2）轉(zhuǎn)換器件（又稱變換器、傳感器件）。將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變、 光強等）轉(zhuǎn)換成電路參量。（3）信號調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換）電路。將轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號進行放大、運算、處理等，以獲得便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號。（4）輔助電源。它的作用是提供能源。有的傳感器需要外部電源供電；有的傳感器則不需要外部電源供電，如壓電傳感器。3.1.2傳感檢測系統(tǒng)盡管現(xiàn)代檢測儀器和檢測系統(tǒng)的種類、型號繁多，用途、性能千差萬別，但它們的作用都是用于各種物理或化學(xué)成分等參量的檢測，其組成單元按信號傳遞的流程來區(qū)分，通常由各種傳感器（變送器）將非電被測物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)信號調(diào)理（信號轉(zhuǎn)

8、換、信號檢波、信號濾波、信號放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號處理后顯示并輸出。以上設(shè)備以及系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備便組成了一個完整的傳感檢測系統(tǒng)。傳感檢測系統(tǒng)的組成框圖如圖3-3所示。圖3-3傳感檢測系統(tǒng)的組成框圖1.傳感器傳感器是檢測系統(tǒng)與被測對象直接發(fā)生聯(lián)系的器件或裝置。它的作用是感受指定被測參量的變化并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成一個相應(yīng)的便于傳遞的輸出信號。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成，其中，敏感元件為傳感器直接感受被測參量變化的部分，轉(zhuǎn)換部分的作用通常是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為便于傳輸和后續(xù)環(huán)節(jié)處理的電信號。2.信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路在檢測系統(tǒng)中的作用是對傳感器輸出的微弱信

9、號進行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波和放大等，以方便檢測系統(tǒng)后續(xù)環(huán)節(jié)進行處理或顯示。對信號調(diào)理電路的一般要求有以下兩方面：（1）能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號；（2）信噪比高，抗干擾性能要好。3.數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集（系統(tǒng)）在檢測系統(tǒng)中的作用是對信號調(diào)理后的連續(xù)模擬信號進行離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號電壓幅度相對應(yīng)的一系列數(shù)值信息，同時以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常以各類模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器為核心，輔以模擬多路開關(guān)、采樣/保持器、輸入緩沖器、輸出鎖存器等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有：（1）輸入模擬電壓信號的范圍，單位：V；（2）轉(zhuǎn)換速度（率），單位：次/s；（

10、3）分辨率，通常以模擬信號輸入為滿度時的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來表征；（4）轉(zhuǎn)換誤差，通常指實際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想、A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。4.信號處理信號處理模塊是現(xiàn)代檢測儀表、檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和人的大腦相類似?，F(xiàn)代傳感檢測系統(tǒng)中的信號處理模塊通常以各種型號的單片機、微處理器為核心來構(gòu)建，對高頻信號和復(fù)雜信號的處理有時需增加數(shù)據(jù)傳輸和運算速度快、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或直接采用工業(yè)控制計算機，從而使所設(shè)計的檢測系統(tǒng)獲得更高的性能價格比。5.信號顯示通常人們都希望及時知道被測參量的瞬時值、累積值或其隨時間的變化情況，因此，各類檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理

11、器計算出被測參量的當(dāng)前值后一般均需送至各自的顯示器作實時顯示。顯示器是檢測系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一。顯示器一般可分為指示式、數(shù)字式和屏幕式3種。6.信號輸出在許多情況下，檢測儀表和檢測系統(tǒng)在信號處理器計算出被測參量的瞬時值后除送至顯示器進行實時顯示外，通常還需把測量值及時傳送給控制計算機、可編程序控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）或其他執(zhí)行器、打印機、記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵觥?.輸入設(shè)備輸入設(shè)備是操作人員和檢測儀表或檢測系統(tǒng)聯(lián)系的另一主要環(huán)節(jié)，主要用于輸入設(shè)置參數(shù)、下達有關(guān)命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥碼盤和條

12、碼閱讀器等。近年來，隨著工業(yè)自動化、辦公自動化和信息化程度的不斷提高，通過網(wǎng)絡(luò)或各種通信總線利用其他計算機或數(shù)字化智能終端實現(xiàn)遠程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式愈來愈普遍。最簡單的輸入設(shè)備是各種開關(guān)和按鈕，模擬量的輸入和設(shè)置往往借助電位器進行。8.穩(wěn)壓電源一個檢測儀表或檢測系統(tǒng)往往既有模擬電路部分，又有數(shù)字電路部分，通常需要多組幅值大小要求各異但穩(wěn)定的電源。這類電源在檢測系統(tǒng)使用現(xiàn)場一般無法直接提供，通常只能提供交流220 V的工頻電源或+24V的直流電源。檢測系統(tǒng)的設(shè)計者需要根據(jù)使用現(xiàn)場的供電電源情況及檢測系統(tǒng)內(nèi)部電路的實際需要，統(tǒng)一設(shè)計各組穩(wěn)壓電源，給系統(tǒng)各部分電路和器件分別提供它們所需的穩(wěn)定電源。

13、需要注意的是，上述各部分不是所有的檢測系統(tǒng)（儀表）全都具備的，而且對有些簡單的檢測系統(tǒng)來說，其各環(huán)節(jié)之間的界線也不是十分清楚，需根據(jù)具體情況進行分析。另外，在進行檢測系統(tǒng)設(shè)計時，對于把以上各環(huán)節(jié)具體相連的傳輸通道，也應(yīng)給予足夠的重視。傳輸通道的作用是聯(lián)系儀表的各個環(huán)節(jié)，給各環(huán)節(jié)的輸入/輸出信號提供通路。它可以是導(dǎo)線、管路（如光導(dǎo)纖維）以及信號所通過的空間等。信號傳輸通道比較簡單，易被人們忽視，如果不按規(guī)定的要求布置和選擇，則易造成信號損失、失真或引入干擾等，從而影響檢測系統(tǒng)的精度。3.1.3傳感器的分類傳感器技術(shù)是一門知識密集型技術(shù)，與許多學(xué)科都相關(guān)。傳感器的構(gòu)成形式多種多樣，其種類也十分繁多

14、。目前一般采用兩種分類方法：一是按被測參數(shù)分類，如溫度、壓力、位移、速度等；二是按傳感器的工作原理分類，如應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等。本章是按后一種分類方法來介紹各種傳感器的，而傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進行敘述的。對于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人來說，應(yīng)先從工作原理出發(fā)，了解各種各樣的傳感器，而對于工程上的被測參數(shù)則應(yīng)著重于如何合理地選擇和使用傳感器。目前，傳感器比較常用的分類方法有如下幾種。1.根據(jù)被測物理量分類這種分類方法明確表示了傳感器的用途，便于使用者選擇。比如速度傳感器用于測量物體的移動速度，位移傳感器用于測量物體的位移量，溫度傳感器用于測量溫度，壓力傳感器用于測量壓

15、力等。一些常見的非電基本物理量與其對應(yīng)的派生物理量如表3-1所示。表3-1一些常見的非電基本被測物理量及其對應(yīng)的派生物理量2.按傳感器的工作原理分類根據(jù)傳感器工作原理的學(xué)科性，一般分成物理型、化學(xué)型和生物型3類。物理型傳感器是指利用變換元件的物理效應(yīng)制成的傳感器?；瘜W(xué)型傳感器是指利用電化學(xué)效應(yīng)，將有機或無機物質(zhì)的組分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。生物型傳感器是指利用生物活性物質(zhì)的選擇性識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。具體包括以下幾種類型。（1）電學(xué)式傳感器電學(xué)式傳感器是非電量電測技術(shù)中應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。電

16、阻式傳感器。是利用變阻器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電阻信號的原理制成的。電阻式傳感器一般有電位器式、觸點變阻式、電阻應(yīng)變片式及壓阻式傳感器等。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、力、應(yīng)變、力矩、氣流流速、液位和液體流量等參數(shù)的測量。電容式傳感器。是利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成的，主要用于壓力、位移、液位、厚度、水分含量等參數(shù)的測量。電感式傳感器。是利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的，主要用于位移、壓力、力、振動、加速度等參數(shù)的測量。磁電式傳感器。是利用電磁感應(yīng)原理，把被測非電量轉(zhuǎn)換成電量制成的，主要用于流量、轉(zhuǎn)速和位移

17、等參數(shù)的測量。電渦流式傳感器。是利用金屬在磁場中運動切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦流的原理制成的，主要用于位移及厚度等參數(shù)的測量。（2）磁學(xué)式傳感器磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。（3）光電式傳感器光電式傳感器在非電量電測及自動控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成的，主要用于光強、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測量。（4）電勢型傳感器電勢型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等原理制成的，主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強、熱輻射等參數(shù)的測量。（5）電荷傳感器電荷傳感器是利用壓電效應(yīng)原理制成的，主要用于力及加速度的測

18、量。（6）半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理制成的，主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場和有害氣體的測量。（7）諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機械的固有參數(shù)來改變諧振頻率的原理制成的，主要用來測量壓力。（8）電化學(xué)式傳感器電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電為基礎(chǔ)制成的，根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜式傳感器和電解式傳感器等。電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體、液體或溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測量。3.按傳感器能量的傳遞方式分類按傳感器

19、能量的傳遞方式分類，包括能量轉(zhuǎn)換型（有源）傳感器和能量控制型（無源）傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器又稱發(fā)電型傳感器，不需要外加電源而將被測能量轉(zhuǎn)換成電能量輸出。這類型傳感器有壓電式、磁電感應(yīng)式、熱電偶、壓阻式、光電池等，可以將非電量轉(zhuǎn)換為電能量。能量控制型傳感器又稱參量型傳感器，需要外加電源才能輸出電能量。這類型傳感器有電阻式、電容式、電感式、霍爾式等，還有熱敏電阻、光敏電阻和濕敏電阻等。4.按傳感器的輸入量分類按傳感器的輸入量分類，包括機、光、電和化學(xué)等傳感器，例如位移、速度、加速度、力、溫度和流量傳感器等。5.按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類按傳感器輸出信號的性質(zhì)分類，有模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模

20、擬式傳感器輸出模擬信號，數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號。6.按傳感器的工作機理分類按傳感器的工作機理分類，包括結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是指被測參數(shù)變化可引起傳感器的結(jié)構(gòu)變化，從而使輸出電量發(fā)生變化，它是利用物理學(xué)中場的定律和運動定律而構(gòu)成的。這種類型的傳感器主要有電感式、電容式、光柵式傳感器等。物性型傳感器是利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測參數(shù)而變化的原理構(gòu)成的，傳感器的性能與材料密切相關(guān)。這種類型的傳感器主要有光電管、半導(dǎo)體傳感器、壓電式傳感器等。復(fù)合型傳感器由結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器組合而成。7.按傳感器的轉(zhuǎn)換過程可逆與否分類按傳感器的轉(zhuǎn)換過程可逆與否分類，有單向和雙向兩種。單向表示只

21、能將被測量轉(zhuǎn)換為電量，而不能逆轉(zhuǎn)，這種傳感器稱為單向傳感器。雙向表示信號能夠在傳感器的輸入/輸出端作雙向傳輸，具有可逆的特性，如壓電式傳感器、磁電感應(yīng)式傳感器。8.按高新技術(shù)分類按高新技術(shù)分類可將傳感器分為集成傳感器、仿生傳感器、機器人傳感器和智能化傳感器等。（1）集成傳感器集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。它既可以制作電路，又可以制作磁敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏器件，所以已有集成磁敏傳感器、集成力敏傳感器、集成溫敏傳感器、集成光敏傳感器和集成場效應(yīng)離子敏傳感器等出現(xiàn)。集成傳感器的特點是成本低、體積小、性能好、可靠性高、接口靈活。（2）仿生傳感器仿生傳感器是一種采用

22、新檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型傳感器。這種傳感器的特點是性能好、壽命長。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。（3）機器人傳感器機器人傳感器是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來的一類專門用于機器人技術(shù)方面的新型傳感器。機器人傳感器和普通傳感器工作原理基本相同，但又有其特殊性。機器人傳感器主要包括機器人視覺、力覺、觸覺、接近覺、距離覺、姿態(tài)覺、位置覺等傳感器。由于機器人視覺研究的重要性和復(fù)雜性，一般將機器人視覺單獨列為一個學(xué)科研究。與大量使用的工業(yè)檢測傳感器相比，

23、機器人傳感器對傳感信息的種類和智能化處理的要求更高。這就要求機器人傳感器對變化的環(huán)境具有更強的適應(yīng)能力，能進行更精確的定位和控制，并具有更高的智能。（4）智能化傳感器智能化傳感器是指那些裝有微處理器的，不但能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲，而且還能夠進行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器指傳感器與微機結(jié)合，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機的硬件設(shè)備。通常情況下，一個通用的檢測儀器只能用來探測一種物理量，其信號調(diào)節(jié)是由那些與主探測部件相連接著的模擬電路來完成的；但智能化傳感器卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有的功能，而且其精度更高、價格更便宜、處理質(zhì)量也更好。另外，根據(jù)傳感器對信號檢測轉(zhuǎn)換過程的不同

24、，傳感器可分為直接轉(zhuǎn)換型傳感器和間接轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類。前者是把輸入給傳感器的非電量一次性的變換為電信號輸出，如光敏電阻受到光照射時，電阻值會發(fā)生變化，直接把光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出；后者則要把輸入給傳感器的非電量先轉(zhuǎn)換成另外一種非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電信號輸出，如采用彈簧管敏感元件制成的壓力傳感器就屬于這一類。當(dāng)有壓力作用到彈簧管時，彈簧管產(chǎn)生形變，傳感器再把變形量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。除上面所述的傳感器分類方法之外，還可以按應(yīng)用對象或范圍分類。例如，應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中的傳感器常按被檢測器官命名，如心音傳感器、心電傳感器、脈搏傳感器等。工業(yè)中把用于測量振動的傳感器稱為振動傳感器，把測量液體表面位置的傳

25、感器稱為液位傳感器等。3.1.4傳感器的發(fā)展趨勢傳感器技術(shù)是21世紀(jì)人們在高新技術(shù)領(lǐng)域爭奪的一個制高點。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國等西方國家也將傳感器技術(shù)列為國家科技和國防技術(shù)發(fā)展的重點內(nèi)容。我國從20世紀(jì)80年代以來也已將傳感器技術(shù)列為國家高新技術(shù)發(fā)展的重點。有專家認為，我國今后傳感器方面的研究和開發(fā)方向應(yīng)是微電子機械系統(tǒng)、汽車傳感器、環(huán)保傳感器、工業(yè)過程控制傳感器、醫(yī)療衛(wèi)生和食品業(yè)檢測傳感器、新型敏感材料等。傳感器的發(fā)展趨勢可概括為以下幾方面。1.向結(jié)構(gòu)型傳感器方向發(fā)展目前，在工業(yè)控制領(lǐng)域大量使用的是結(jié)構(gòu)型傳感器。由于結(jié)構(gòu)型傳感器在原理、材料和

26、結(jié)構(gòu)形式等方面都在不斷發(fā)生變化除主要向高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度方向發(fā)展外，正在向有源化方向發(fā)展，即敏感元件和電路組裝在一起，減小裝置體積，提高信噪比和精度。結(jié)構(gòu)型傳感器由于采用了新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，可大幅度提高傳感器的性能。2.向小型化、集成化方向發(fā)展由于航天和航空技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)療器件的需要，傳感器必須向小型化方向發(fā)展，以便減小體積和質(zhì)量。而小型化的基礎(chǔ)是集成化，它包括傳感器本身的集成化及后續(xù)電路的集成化。集成化傳感器把各種調(diào)節(jié)和補償電路與傳感器集成在一起，降低了對環(huán)境的要求，提高了信噪比和精度。3.向智能化方向發(fā)展智能傳感器是將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關(guān)電路組成一體化的傳感器。智能

27、傳感器可以分為3種類型，即具有判斷能力的傳感器、具有學(xué)習(xí)能力的傳感器和具有創(chuàng)造能力的傳感器。智能傳感器具有以下功能：（1）具有自校準(zhǔn)功能；（2）具有自補償功能；（3）具有自診斷功能；（4）具有數(shù)據(jù)處理功能；（5）具有雙向通信功能；（6）具有信息存儲和記憶功能；（7）具有數(shù)字信號輸出功能。3.2機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器傳感器是將機電一體化系統(tǒng)中被測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器，主要用于檢測機電一體化系統(tǒng)自身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機電一體化系統(tǒng)的動作提供信息。所以說，在機電一體化產(chǎn)品中，傳感器及其檢測系統(tǒng)不僅是一個必不可少的組成部分，而且已成為機與電有機結(jié)合的一

28、個重要紐帶。機電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器主要有位移（位置）傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、溫度傳感器等。本節(jié)主要介紹位移傳感器、速度和加速度傳感器、應(yīng)變及應(yīng)力傳感器、力和扭矩傳感器。3.2.1位移測量傳感器位移測量包括位移和角位移測量，它是工程中最基本的被測量。位移測量不僅可以對工程中常需要精確測量的部件位移、位置和尺寸進行測量，還可以將很多機械量如壓力、力、扭矩等的測量轉(zhuǎn)換為位移來測量。測量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位移傳感器，而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢。按所測位移量值大小來分，位移測量一般可分為大位移測量和微小位移測量。表3-2所列為常用線位移和位置傳感器的

29、主要性能及其優(yōu)缺點。表3-2常用線位移和位置傳感器的主要性能及其優(yōu)缺點3.2.2速度測量傳感器單位時間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度、角速度和轉(zhuǎn)速，與之相對應(yīng)的就有線速度傳感器、角速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，我們統(tǒng)稱為速度傳感器。加速度傳感器有慣性加速度傳感器和振動沖擊加速度傳感器。常用速度和加速度傳感器的主要性能及特點分別如表3-3、3-4所示。表3-3常用速度傳感器的主要性能及特點表3-4常用加速度傳感器的主要性能及特點3.2.3力、壓力和扭矩測量傳感器力、壓力和扭矩測量傳感器的類型和特點如表3-5所示。表3-5力、壓力和扭矩測量傳感器的類型和特點3.3傳感器的特性及選用原則在生產(chǎn)過程和

30、科學(xué)實驗中，要對各種各樣的參數(shù)進行檢測和控制，就要求傳感器能感受被測非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出輸入特性；如果把傳感器看做二端口網(wǎng)絡(luò)，即有兩個輸入端和兩個輸出端，那么傳感器的輸出輸入特性則是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。3.3.1傳感器的靜態(tài)特性與動態(tài)特性1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時所表現(xiàn)出來的輸出響應(yīng)特性，稱靜態(tài)響應(yīng)特性。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，以與其對應(yīng)的輸

31、出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性范圍、線性度、靈敏度、精確度、分辨率、遲滯和穩(wěn)定性等。2.傳感器的動態(tài)特性所謂動態(tài)特性，是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種。傳感器的動態(tài)特性常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。傳感器的動態(tài)特性參數(shù)及選用原則如表3-6所示。表3-6傳感器的動態(tài)特性參數(shù)及選用原則3

32、.3.2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)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理1.選擇傳感器主要應(yīng)考慮的因素選擇傳感器除主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度等幾方面的問題（見傳感器特性）之外，還要考慮以下幾方面。（1）根據(jù)測量目的選擇傳感器如果測量目的是進行定性分析，則選用重復(fù)精度高的傳感器即可，而不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了進行定量分析，必須獲得精確的測量值，則需選用精度等

33、級能滿足要求的傳感器。對于某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。（2）根據(jù)測量對象選擇傳感器在進行測量工作時，要考慮采用何種傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一個物理量，也有多種原理的傳感器可供選用。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，信號的輸出方法，有線或是非接觸測量，傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，是否自行研制。（3）根據(jù)測量環(huán)境選擇傳感器根據(jù)測量環(huán)境選擇傳感器時應(yīng)對其使用

34、環(huán)境進行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境造葬合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧p小環(huán)境的影響，而且要特別注意不同系列產(chǎn)品的應(yīng)陪葬婆、使用條件和維護要求。環(huán)境變化（如溫度、振動、噪聲等）將改變傳感器的某些特性度、線性度等指標(biāo)），且能造成與被測參數(shù)無關(guān)的輸出，如零點漂移。為保證測量精度，根據(jù)使用目的可對環(huán)境條件及使用條件提出一定要求，或采取一定措施（如隔振）；還可以根據(jù)傳感器的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)（如零點漂移、加速度、靈敏度等）及應(yīng)用環(huán)境要求合理地選用傳感器。（4）根據(jù)測量條件選擇傳感器測量條件列舉如下：測量目的、被測量的選定（模擬信號或者數(shù)字信號）、測量的范圍、輸出量及其電平、輸入信號的帶寬、要求的精度、測量所需

35、要的時間、過輸入發(fā)生的頻繁程度等。（5）根據(jù)測量方式選擇傳感器傳感器在實際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等，條件不同，對測量方式的要求亦不同。在機械系統(tǒng)中，對運動部件的被測參數(shù)（例如回轉(zhuǎn)軸的誤差、振動、扭力矩）往往采用非接觸測量方式，因為對運動部件采用接觸測量時會有許多實際困難，如測量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動、信號的采集等問題，都不易妥善解決，從而造成測量誤差。這種情況下，采用電容式、渦流式、光電式等非接觸式傳感器很方便，若選用電阻應(yīng)變片，則需配以遙測應(yīng)變儀。在某些條件下，可以運用試件進行模擬實驗，這時可進行破壞

36、性檢驗。然而，有時無法用試件模擬，因被測對象本身就是產(chǎn)品或構(gòu)件，這時宜采用非破壞性檢驗方法，例如渦流探傷、超聲波探傷、核輻射探傷以及聲發(fā)射檢測等。非破壞性檢驗可以直接獲得經(jīng)濟效益，因此應(yīng)盡可能選用非破壞性檢測方法。在線測試是與實際情況保持一致的測試方法。特別是對自動化過程的控制與檢測系統(tǒng)，往往要求信號真實、可靠，所以必須在現(xiàn)場條件下才能達到檢測要求。實現(xiàn)在線檢測是比較困難的，對傳感器與測試系統(tǒng)都有一定的特殊要求。例如，在加工過程中實現(xiàn)表面粗糙度的檢測，以往的光切法、干涉法、觸針法等都無法運用，取而代之的是激光、光纖或圖像檢測法。研制在線檢測的新型傳感器，也是當(dāng)前測試技術(shù)發(fā)展的一個方面。除了以上

37、選用傳感器時應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。2.選擇傳感器的一般步驟（1）借助于傳感器的分類表，根據(jù)被測量的性質(zhì)找出符合用戶需要的傳感器類別，再從典型應(yīng)用中初步確定幾種傳感器。（2）借助于常用傳感器的比較表、價格表，按被測量的測量范圍、精度要求、環(huán)境要求等情況再次確定傳感器的類別。（3）借助于傳感器的產(chǎn)品目錄、選型樣式或傳感器手冊，查出傳感器的規(guī)格型號、性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。3.4傳感器的校準(zhǔn)與安裝傳感器在使用前或使用一段時間后（中國計量法規(guī)定一般為一年）或經(jīng)過修理后，必須對其主要技術(shù)指標(biāo)再次進行標(biāo)定或校準(zhǔn)，以確保傳感器的性能指

38、標(biāo)達到要求。在測量過程中，傳感器的安裝方法是否正確，對測量結(jié)果有重要的影響。3.4.1傳感器的校準(zhǔn)傳感器在使用前、使用中或擱置一段時間再使用時必須對其性能參數(shù)進行復(fù)測或作必要的調(diào)整和修正，以確保傳感器的測量精度，這個復(fù)測、調(diào)整過程稱為校準(zhǔn)。為了使傳感器有一個長期的、穩(wěn)定的和高精度的基準(zhǔn)，在一些測量儀器中特別是內(nèi)部裝有微處理器的測量儀器中，很容易實現(xiàn)自動校準(zhǔn)功能。如果被測量是長度、角度或質(zhì)量，則用標(biāo)準(zhǔn)的長度、角度或質(zhì)量基準(zhǔn)對儀器實行自動定期校準(zhǔn)或?qū)崟r校準(zhǔn)是可行的；但如果被測量是溫度、流速或濕度，則很難保持基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。對傳感器進行校準(zhǔn)時，需要精度比它高的基準(zhǔn)器，這種基準(zhǔn)器受時間的推移和使用的磨損

39、等因素的影響，參數(shù)會隨之改變，因此，對這種基準(zhǔn)器還要用更高精度的基準(zhǔn)器來進行定期校準(zhǔn)。這樣一來，就形成了一個校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的分級管理系統(tǒng)，最終的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)器有賴于國家標(biāo)準(zhǔn)。我國最高級的基準(zhǔn)由國家計量院保存并向下屬單位逐級地傳遞。3.4.2傳感器的安裝傳感器與被測對象之間的安裝方法對測量結(jié)果有重要的影響，下面只介紹被測對象為固體與流體兩種情況。1.傳感器與固體對象的連接方式當(dāng)被測對象是固體時，可把傳感器直接安裝在被測對象上，這種安裝方法叫做接觸型。當(dāng)把傳感器或敏感元件裝在被測對象上面時，被測對象就承受了某種新的負載，其結(jié)果是被測對象的狀態(tài)或特性不可避免地發(fā)生變化（即負載效應(yīng)），即使是位移型傳感器只與被測

40、對象機械地接觸，情況也是如此。由于這種負載效應(yīng)，所以很難得到精確的測量結(jié)果。如果將傳感器的體積、剛度、熱容量等與負載效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)變小。加在被測對象上的負載就減輕了。實際上，有時接觸型安裝方法對被測對象的影響可以小到忽略不計的程度。當(dāng)上述這些措施難以實現(xiàn)時，必須謀求某種補償?shù)霓k法。如果負載效應(yīng)能得到解決，則接觸型傳感器有如下優(yōu)點：第一，由于傳感器直接裝在被測對象上，可以把它看成被測對象的一部分，不易受到環(huán)境變動的影響，有利于直接獲得與被測對象相對應(yīng)的輸出信號；第二，一般傳感器在使用之前都必須進行標(biāo)定，接觸型傳感器可使用與具體被測對象無關(guān)的標(biāo)定方法與裝置進行標(biāo)定，標(biāo)定后的結(jié)果對不同的被測對象都可

41、立即使用，無需現(xiàn)場再次標(biāo)定。如果被測對象是高溫或角度回轉(zhuǎn)的對象，或由于操作危險、傳感器材料特性等方面的原因，接觸型測量就有些困難，這時就不便使用接觸型傳感器。又如，當(dāng)被測對象很小時，傳感器不便安裝在上面，而且也不易把負荷效應(yīng)減小，所以，在這些情況下，必須做到不與被測對象接觸就能將信號取出，即使用非接觸型傳感器。用非接觸型傳感器從被測對象上獲得信息有以下幾種方法：一種方法是接收由被測對象發(fā)出的輻射熱，由此而得知被測物體的溫度；另一種方法是由傳感器向被測對象發(fā)射信號或者構(gòu)成電位差等，然后用傳感器接收與其相對應(yīng)的響應(yīng)，從而獲得必要的信號，如使傳感器的極板與被測對象之間的距離改變，由此轉(zhuǎn)換成電容的變化

42、，就屬于這種方法；還有一種是遙感測量方法，如衛(wèi)星上的照相機、微波影像系統(tǒng)、微波高度計等。一般情況下，非接觸型測量的負荷效應(yīng)很小，在實際應(yīng)用中可不加考慮。但有一種非接觸型傳感器，它的一部分部件可安裝在被測對象上，如激光干涉儀就是把反光鏡片裝在被測物體上來測得位移信號的，這時，就必須考慮負荷效應(yīng)。另一方面，非接觸型檢測也存在以下缺點：被測對象的放射性，被測對象與傳感器之間的介質(zhì)特性，或者在傳感器附近的其他物體等，都有可能使輸出受到影響。對于輻射溫度傳感器來說，如果被測對象的輻射率不清楚，則溫度就無法知道。對于電容型位移傳感器來說，如果極板間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，則傳感器的輸出也勢必發(fā)生變化。另外

43、，傳感器與被測對象間距離的變動，也會使傳感器的輸出發(fā)生變化。接觸型與非接觸型傳感器各有優(yōu)缺點，所以必須根據(jù)具體的使用目的作出相應(yīng)的選擇。接觸型與非接觸型傳感器的比較如表3-7所示。表3-7接觸型與非接觸型傳感器的比較2.傳感器與流體對象的連接方式利用傳感器測量流體的某些參數(shù)（如流速、溫度、流量、濃度等）時，傳感器必須安裝在盛有流體的容器里或有流體流動的管道上，因此傳感器對原有流體的狀態(tài)將不可避免地產(chǎn)生影響。為了減小其負荷效應(yīng)，要求傳感器與被測對象之間的能量變換越小越好，但這將導(dǎo)致傳感器的輸入信號很弱，所以，為了獲得一定的輸出電信號，要求傳感器必須具有較高的靈敏度。流速傳感器的安裝有兩種方法：一

44、種方法像空速管那樣，將流速傳感器插入管道內(nèi)部；另一種方法是像電磁流量計那樣，在管道的一端安裝上傳感器。前者因為只能檢測流體的一部分流速，所以稱為局部傳感器；而后者因可檢測全部流體的平均流速值，所以稱其為積分式傳感器。3.傳感器安裝時注意的問題除上述介紹的方法之外，在安裝傳感器時還須注意以下幾個問題：（1）傳感器的安裝位置有無影響？因為傳感器與數(shù)據(jù)源之間的阻塞物將大大地降低數(shù)據(jù)采集強度和精度。（2）有沒有額外的信息？多余的信息源如射頻干擾可以在所需的數(shù)據(jù)上增加很多噪聲信 號，那么傳感器的測量就會變得毫無用處。（3）傳感器是否可以準(zhǔn)確地讀出數(shù)據(jù)？在一些極端的情況下，如紊流、過度地振動或高溫條件下，

45、一些傳感器可能會失效或完全損壞。（4）所接收到的信息是否就是從需要測量的地方傳輸過來的信息？錯誤的安裝可能導(dǎo)致傳感器將其他反饋信號（如聽覺反饋和視覺反饋的虛像信號）記錄下來。（5）采集數(shù)據(jù)的速度應(yīng)盡可能快。數(shù)據(jù)采集時間如果過長，那么，對當(dāng)前的情況來說，所采集的數(shù)據(jù)就已經(jīng)過時了。3.5傳感器測量電路及其計算機接口傳感器從機電一體化系統(tǒng)中獲取到的相關(guān)信息是傳感檢測系統(tǒng)的原始信息，通常比較微弱，需由中間轉(zhuǎn)換電路將傳感元件檢測到的信號放大成易于檢測或處理的電壓或電流等電參量信號，再經(jīng)調(diào)制解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等處理，以滿足信號傳輸、計算機處理的要求。另外，根據(jù)需要還必須進行必要的阻抗匹配、線性化

46、及溫度補償?shù)忍幚?。需要指出的是，在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，選用的傳感元件多數(shù)已由生產(chǎn)廠家配好轉(zhuǎn)換放大控制電路而不需要用戶自己設(shè)計，除非是現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品在精度或尺寸、性能等方面不能滿足設(shè)計要求，才自己選用傳感器的敏感元件并設(shè)計與此相匹配的轉(zhuǎn)換測量電路。因此，在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器及其檢測電路絕大多數(shù)都是合理地選擇和使用的問題。傳感器與計算機接口電路的主要作用就是用傳感器將各種物理量變成電信號，經(jīng)由如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號檢測及預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送入A/D 轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計算機處理。3.5.1傳感器的測量電路傳感器測量電路的主要任務(wù)是實現(xiàn)信號檢測和轉(zhuǎn)換。按傳

47、感器輸出信號的要求不同，可將傳感器測量電路分為模擬型測量電路、數(shù)字型測量電路、開關(guān)型測量電路和中間轉(zhuǎn)換電路。1.模擬型測量電路模擬型測量電路適用于電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、電熱式等輸出模擬信號的傳感器。當(dāng)被檢測對象的物理量發(fā)生變化時，將會引起傳感器敏感元件的電參數(shù)（阻擾、感抗、電容量等）發(fā)生變化，然后通過基本轉(zhuǎn)換電路將這些電參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量（電壓、電流等）。若傳感器的輸出量已是電量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路。為了將檢測信號從其他干擾信號中提取出來，提高其抗干擾性能并利于計算機處理和數(shù)字顯示，常采用中間轉(zhuǎn)換電路對信號進行“調(diào)制”的方法。信號的調(diào)制一般在轉(zhuǎn)換電路中進行。調(diào)制后的信號經(jīng)過放大再通過

48、解調(diào)器將信號恢復(fù)為原有形式，然后通過濾波器選取其有效信號。未調(diào)制的信號不需要解調(diào)。為適應(yīng)不同測量范圍的需要，還可以引人量程切換電路。為了獲得數(shù)字顯示或便于與計算機連接，常采用A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號處理成數(shù)字信號。2.數(shù)字型測量電路數(shù)字型測量電路主要有絕對編碼數(shù)字式和增量編碼數(shù)字式兩大類。（1）絕對編碼數(shù)字式傳感器測量電路傳感器輸出的編碼與被檢測量一一對應(yīng)，每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大整形后，得到與被測量相對應(yīng)的編碼。（2）增量編碼數(shù)字式傳感器測量電路這種測量電路主要用于增量編碼數(shù)字式傳感器輸出信號的測量，如光柵、磁柵、容柵、同步感應(yīng)器、激光干涉器等傳感元件輸出信號的測

49、量。為了提高傳感器的分辨率，常采用細分的 方法。使傳感器的輸出變化一個周期時計一個數(shù)，稱為細分數(shù)。細分電路還常同時起整形作 用，有時為了便于讀出，還需要進行脈沖當(dāng)量變換。方向辨別電路用于辨別運動部件的運動方向，以進行正確的加法或減法計算。經(jīng)過計算后的數(shù)值將被送到相關(guān)的顯示或控制環(huán)節(jié)。 3.開關(guān)型測量電路開關(guān)型測量電路主要用于光電開關(guān)、觸點開關(guān)通斷信號的檢測，電路的實質(zhì)是對檢測信號進行放大或降即分流等處理。4.中間轉(zhuǎn)換電路傳感器測量電路中中間轉(zhuǎn)換電路的種類和結(jié)構(gòu)主要由所選用的傳感器的類型決定，主要有電橋、放大、調(diào)制與解調(diào)和A/D，D/A轉(zhuǎn)換等電路。（1）電橋電路電橋電路主要用于測量阻抗、感抗、電

50、容量等電參量變化所產(chǎn)生的電量（電壓、電流等）。（2）放大電路放大電路由運算放大器、晶體管等組成，用來放大傳感元件檢測到的微弱電信號（電壓放大、電流放大、功率放大等）。為了得到高質(zhì)量的測量信號，要求放大電路具有抗干擾、高輸入阻抗等性能。常采用的抗干擾措施有屏蔽、濾波、正確的接地等。屏蔽是抑制電磁場干擾的主要措施，而濾波則是抑制干擾最有效的手段，特別是抑制導(dǎo)線耦合到電路中的干擾。對于信號通道中的干擾，可依據(jù)測量中有效信號的頻譜和干擾信號的頻譜設(shè)計濾波器，以保留有用信號，濾除干擾信號。接地的目的是為了給系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)電位，如果接地方法不正確，就會引進干擾。（3）調(diào)制與解調(diào)電路當(dāng)傳感器檢測的輸出信號

51、微弱、變化緩慢類似于直流信號時，若采用一般的直流放大電路放大和傳輸信號，將產(chǎn)生零點漂移等干擾信號，從而影響測量精度。因此，常先用調(diào)制器把直流信號變換成某種頻率的交流信號，經(jīng)過交流放大器放大后再通過解調(diào)器將此交流信號重新恢復(fù)為原來的直流信號。（4）A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路可實現(xiàn)檢測輸入、計算機處理、輸出執(zhí)行信號之間的匹配轉(zhuǎn)換。在機電一體化系統(tǒng)中，傳感器輸出的信號如果是連續(xù)變化的模擬量，為了滿足系統(tǒng)信息傳輸、運算處理、顯示或控制的需要，應(yīng)將模擬量變換為數(shù)字量（A/D變換），然后再將數(shù)字量變?yōu)槟M量（D/A變換）。3.5.2傳感器與微機的接口1.傳感器輸出信號的形式由于輸入到微機

52、的信號必須是微機能夠處理的數(shù)字信號，微機才能進行有效的運算和處理，因此，傳感器輸出信號的形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量。傳感器輸出信號的形式如表3-8所示。表3-8傳感器輸出信號的形式2.傳感器接口電路（1）接口電路的作用及分類傳感器接口電路對于傳感器和檢測系統(tǒng)是一個非常重要的連接環(huán)節(jié)，其整個系統(tǒng)的測量精度和靈敏度。傳感器接口電路的作用是進行信號檢測和信號連接作用。作為智能化的自動測控系統(tǒng)，傳感器與微型計算機的接口電路也千變?nèi)f化。常用的傳感器接口電路的類型及作用如表3-9所示。表3-9常用的傳感器接口電路的類型及作用（2）對傳感器接口電路的要求一般來說，對傳感器接口電路有如下要求：盡可能提高

53、包括傳感器和接口電路在內(nèi)的整體效率。能量是傳遞信息的載體，所以，傳感器在傳遞信息時必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，但傳感器的能量變換效率不是最重要的。實際上，為了不影響或盡可能地少影響被測對象的本來狀態(tài)，要求從被測對象上獲得的能量越小越好。具有一定的信號處理能力。如半導(dǎo)體熱效電阻中的接口電路具有引線補償功能，熱電偶的接口電路應(yīng)有冷端補償功能，等等。如果從整個測控系統(tǒng)來考慮，則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作要求選擇功能盡可能全的接口電路芯片，甚至可以考慮整個系統(tǒng)就是一個芯片。提供傳感器所需要的驅(qū)動電源（信號）。按傳感器的輸出信號來劃分，傳感器可分為電參數(shù)傳感器和電量傳感器。后者的輸出信號為電量，如電勢、電流等，這

54、類電量傳感器有壓電傳感器、光電傳感器等。前者輸出的是電量參數(shù)，如電阻、電容、電感、互感等，這類傳感器需外加傳感器驅(qū)動電源才能工作。一般來說，驅(qū)動電源的穩(wěn)定性會直接影響系統(tǒng)的測量精度，因而，這類傳感器的接口電路應(yīng)能提供穩(wěn)定性盡可能高的驅(qū)動電源。具有盡可能完善的抗干擾和抗高壓沖擊保護機制。在工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)信號測量中，干擾是難以避免的，如工頻干擾、射頻干擾等。而高電壓的沖擊同樣難以避免，這在工業(yè)測量中是不言而喻的。在生物醫(yī)學(xué)測量中，經(jīng)常存在幾千伏甚至更高的靜電，在搶救時還有施加到人體的除顫電壓。因而，傳感器接口電路應(yīng)具有盡可能完善的抗干擾和抗高壓沖擊保護機制，以減少干擾對測量精度的影響，保護傳感器和

55、接口電路本身的安全。這種機制包括輸入端的保護、前后級電路的隔離、模擬和數(shù)字濾波等。（3）傳感器與微機的接口傳感器還可依據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入精度、輸入速度、通道數(shù)量和類型等因素提供如下幾種轉(zhuǎn)換輸入接口電路：輸入放大電路、抗頻混濾波器電路、采樣保持電路和模擬多路開關(guān)等（后面將介紹）。在機電一體化產(chǎn)品中，控制和信息處理功能多數(shù)采用計算機來實現(xiàn)。因此，檢測信號一般都需要被采集到計算機中做進一步處理，以便獲得所需的信息。模擬式傳感器輸出的是連續(xù)信號，首先必須將其轉(zhuǎn)換成能夠被計算機接收的數(shù)字信號，然后才能送入計算機進行有效的運算和處理。所以，依據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入精度、輸入速度、通道數(shù)量和類型等因素，有下面4

56、種轉(zhuǎn)換輸入方式，如圖3-4，3-5，3-6，3-7所示。通道直接型轉(zhuǎn)換輸入方式。這是最簡單的一種方式，只用一個A/D轉(zhuǎn)換器及緩沖器即可將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后通過三態(tài)緩沖器送入計算機總線。這種方式僅適用于只有一路檢測信號的場合。另外，受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，這種方式應(yīng)用范圍窄。多通道一般型轉(zhuǎn)換輸入方式。多路檢測信號共用一個A/D轉(zhuǎn)換器，通過多路模擬開關(guān)依次對每個模擬通道進行采樣保持和轉(zhuǎn)換。其特點是電路簡單、節(jié)省元部件、速度低，不能獲得同一瞬時各通道的模擬信號。多通道同步型轉(zhuǎn)換輸入方式。它與第二種方式的主要區(qū)別是信號的采集/保持電路在多路開關(guān)之前，各采樣/保持同時動作，可測得同一瞬時各傳感

57、器輸出的模擬信號。多通道并行輸入型轉(zhuǎn)換輸入方式。各通道都有單獨的采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換通道，可以直接進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果將送入微型機或信號通道，而且根據(jù)傳感器輸出信號的特點可分別采用不同的采樣/保持電路或不同精度的A/D轉(zhuǎn)換器，因而這種轉(zhuǎn)換方式靈活性大，抗干擾能力強，但電路復(fù)雜，采用的元器件較多。圖3-4單通道直接型轉(zhuǎn)換輸入方式圈3-5多通道一般型轉(zhuǎn)換輸入方式圖3-6多通道同步型轉(zhuǎn)換輸入方式圖3-7多通道并行輸入型轉(zhuǎn)換輸入方式上述4種方式中，除第一種外，其他3種都可用于對多路檢測信號進行采集，因此，對應(yīng)的系統(tǒng)常被稱做多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3.接口電路的作用下面將簡單介紹轉(zhuǎn)換輸入接口電路的作用。（

58、1）輸入放大器被分析的信號幅值往往大小不一，輸入放大器（或稱衰減器）就是對幅值進行處理的器件。對于超過限額的電壓幅值，可以加以衰減，對于太小的幅值，則加以放大，以避免影響采樣精度。輸入放大器的放大倍數(shù)（衰減百分數(shù)）一般可以用程控方式或手動方式設(shè)定。對信號進行放大時，一般不宜放得過大，以免后面分析運算中產(chǎn)生失真現(xiàn)象。（2）抗頻混濾波器由于采樣信號頻譜發(fā)生變化而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的現(xiàn)象，稱為頻混現(xiàn)象。在作頻域分析時，為解決頻混的影響，采樣之前通常用模擬濾波器來衰減元用的高頻分量，然后根據(jù)濾波器的選擇性來確定適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率。低通濾波器為抗頻混濾波器。由于低通濾波能衰減高頻分量，所以也可以對時域分析時的信號作平滑處理?？诡l混濾波器的截止頻率一般都有多擋可供選擇，使用時，應(yīng)依信號特性選用。（3）采樣保持電路采樣保持電路設(shè)置在A/D轉(zhuǎn)