傳感器及其接口技術

第四章傳感器及其接口技術

4.1概述

在機電一體化系統(tǒng)中有各種不同的物理量(如位移、壓力、速度等)需要測量與控制，如果沒有傳感器對原始的各種參數(shù)進行精確而可靠的檢測，那么對機電產(chǎn)品的各種控制是無法實現(xiàn)的。因此能把各種不同的非電量轉換成電量的傳感器便成為機電一體化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。作為一個獨立器件，傳感器的發(fā)展正進入集成化、智能化研究階段。把傳感器件與信號處理電路集成在一個芯片上，就形成了信息型傳感器；若再把微處理器集成到信息型傳感器的芯片上，就是所謂的智能型傳感器。

4.1.1傳感器的定義傳感器：傳感器是一種以一定的精確度將被測量(如位移、力、加速度等)轉換為與之有確定對應關系的、易于精確處理和測量的某種物理量(如電量)的測量部件或裝置。4.1.2組成組成：敏感元件、轉換元件、電子線路等組成。

1

敏感元件直接感受被測量、并以確定關系輸出物理量。如彈性敏元件將力轉換為位移或應變輸出。2轉換元件將敏感元件輸出的非電物理量(如位移、應變、光強等)轉換成電量參數(shù)(如電阻、電感、電容等)等。3基本轉換電路將電路參數(shù)量轉換成便于測量的電量，如電壓、電流、頻率等。直接轉換與間接轉換傳感器的組成

4.1.3傳感器的特性傳感器比較常用的性能指標有以下幾種1.關于輸入量的特性：(1)量程或測量范圍傳感器預期要測量的被測量值的范圍，一般用傳感器允許測量的上下極限值來表示，其中上限值也稱為滿量程FS。(2)過載能力傳感器允許承受的最大輸入量(被測量),通常用一個最大允許值或滿量程的百分比來表示。2.關于輸入輸出關系的靜態(tài)特性(1)精度表示測量結果與被測的“真值”的接近程度。一般用“極限誤差”或極限誤差與滿量程的比值按百分數(shù)給出。(2)重復性反映傳感器在工作條件不變的情況下，重復地輸入某一相同的輸入值，其輸出值的一致性，其意義與精度類似。(3)線性度也稱非線性，表示傳感器輸出與輸入之間的關系曲線與選定的工作曲線的靠近程度，采用工作直線與實際工作曲線之間的最大偏差值與滿量程輸出之比來表示。(4)靈敏度傳感器輸入增量與輸出增量之比；(5)穩(wěn)定性(溫度漂移，時間零漂)時間零漂:在規(guī)定的時間內(nèi)，在溫度不變的條件下，零輸出的變化；溫度漂移:當溫度發(fā)生變化時，其輸出特性的變化，通常用零點輸出變化值表示，也可以用它與滿量程的比值來表示。3.動態(tài)響應特性在被測量的物理量隨時間變化的情況下，傳感器的輸出能否很好地追隨輸入量的變化是一個很重要的問題。有的傳感器盡管其靜態(tài)持性非常好，但由于不能很好追隨輸入量的快速變化而導致嚴重誤差，這種動態(tài)誤差若不注意加以控制，可以高達百分之幾十其至百分之百。在被測信號變化速度較快的情況下要求我們要認真注意傳感器的動態(tài)響應持性。頻率響應特性幅頻特性相頻特性階躍響應特性時間常數(shù)上升時間過沖量(超調量)固有頻率阻尼比(對數(shù)減縮)4.1.4傳感器的分類傳感器的分類方法有多種;1、

按被測物理量的性質分；位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等等；2、按工作機理分；電阻式、電感式、電容式、光電式；3、按照輸出信號的性質分類；可分為開關型(二值型)、數(shù)字型和模擬型，如下圖所示：

1開關型開關型傳感器的二值就是“1”和“0”或開(ON)和關(OFF)。這種“l(fā)”和“0”數(shù)字信號可直接傳送到微機進行處理，使用方便。特性曲線中如果設輸出狀態(tài)從斷到通時的輸入值為INon，而從通到斷時的輸入值為INoff，則特性滿足INoff＜INonINoff與INon的差稱為磁滯寬度或瞬動(snap)寬度。二值型傳感器的實用特性2數(shù)字型

數(shù)字型傳感器有計數(shù)型和代碼型兩大類。其中計數(shù)型又稱脈沖數(shù)字型；它可以是任何一種脈沖發(fā)生器，所發(fā)出的脈沖數(shù)與輸入量成正比，加上計數(shù)器就可對輸入量進行計數(shù)，如可用來檢測通過輸送帶上的產(chǎn)品個數(shù)，也可用來檢測執(zhí)行機構的位移量。這時執(zhí)行機構每移動一定距離或轉動一定角度就會發(fā)生一個脈沖信號，例如增量式光電碼盤和檢測光柵就是如此。

代碼型傳感器又稱編碼器，它輸出的信號是數(shù)字代碼，每一代碼相當于一個一定的輸入量之值。3模擬型模擬型傳感器的輸出是與輸入物理量變化相對應的連續(xù)變化的電量。輸入與輸出可以是線性的也可以是非線性的。4.1.5機電一體化系統(tǒng)對傳感器的基本要求1.精度和靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、信噪比高；2.體積小、重量輕、對整機的適應性好；3.安全可靠、壽命長；4.便于與計算機連接；5.不易受被測對象性(如電阻、導磁率)的影響，也不影響外部環(huán)境；6.對環(huán)境條件適應能力強;7.現(xiàn)場處理簡單、操作性能好；8.價格便宜。4.1.6機電一體化系統(tǒng)常用傳感器1.位移檢測傳感器位移測量是直線位移測量和角位移測量的總稱，位移測量在機電一體化領域中應用十分廣泛，這不僅因為在各種機電一體化產(chǎn)品戶常需位移測量，而且還因為速度、加速度力、壓力、扭矩等參數(shù)的測量都是以位移測量位移為基礎的。

直線位移傳感器主要有：電感傳感器、差動變壓器傳感器、電容傳感器、感應同步器和光柵傳感器。

角位移傳感器主要有：電容傳感器、旋轉變壓器和光電編碼盤等。2.速度、加速度傳感器檢測轉速的傳感器有測速發(fā)電機、光電、磁電式轉速傳感器。檢測加速度可用電容式或壓電式加速度傳感器。檢測直線運動速度時，可以將直線運動變換成回轉運動，然后再用轉速傳感器檢測。采用數(shù)字型傳感器檢測位移時，也可同時檢測運動速度。對于計數(shù)型傳感器，可通過檢測其脈沖頻率來得到運動速度的數(shù)據(jù)。代碼型傳感器，則可通過檢測其代碼變換周期來確定運動的速度。n=60N/Ztn—轉速r/mint–測量時間sN---t內(nèi)的脈沖個數(shù)Z---圓盤上的縫隙個數(shù)3.力、力矩傳感器

利用應變片可以制成應力傳感器、力傳感器和力矩傳感器，還可將應變片直接貼在被檢測部分來檢測力、壓力和力矩的大小，所使用的應變片有電阻絲式、金屬箔式和半導體式。4位置傳感器

位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到某一位置。因此，它只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關量就可以了。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個物體是否己接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器是用來判別在某一范圍內(nèi)是否有某—物體的一種傳感器。

(1)接觸式位置傳感器這類傳感器用微動開關之類的觸點器件便可構成，它分以下兩種a.由微動開關制成的位置傳感器二維矩陣式配置的位置傳感器1、柔軟電極2、柔軟絕緣體(2)接近式位置傳感器接近式位置傳感器按其工作原理主要分：①電磁式；②光電式；③靜電容式；④超聲波式；⑤氣壓式等。其基本工作原理可用下圖表示出來。接近式位置傳感器的工作原理5視覺傳感器

視覺傳感器在機電一體化系統(tǒng)中的作用有：1、確定對象物的位置與姿勢；2、圖像識別：確定對象物的特征(識別符號、讀出文字、識別物體)；3、形狀、尺寸檢驗：檢查零件形狀和尺寸方面的缺陷。在機電一體化系統(tǒng)中采用的視覺傳感器有光導攝像管攝像機、固體半導體攝像機、激光視覺傳感器等。固體半導體攝像器件有CMOS型(金屬氧化物集成電路)、CCD型(電荷耦合器件)以及CMOS和CCD混合型等。4.2傳感器與微機的接口技術輸入到微型機的信息必須是微型機能夠處理的數(shù)字量信息。傳感器的輸出形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關量。與此相應的有三種基本接口方式，見下表。4.2.1數(shù)字量、開關量的接口可以通過緩沖器直接輸入到計算機數(shù)據(jù)總線上。4.2.2模擬量的接口

1.模擬量的數(shù)字化過程(1)時間斷續(xù)采樣定理設信號最高頻率為fc,在采樣頻率fs>=2fc為的條件下，采樣后的信號能無失真的恢復為原來的模擬信號。(2)數(shù)值斷續(xù)數(shù)值斷續(xù)的過程叫量化，所謂的量化就是把采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位的倍數(shù)來代替該幅值。最小單位叫量化單位，它定義為量化器的滿量程電壓FSR與2n的比值；q=FSR/2n例當FSR=10V,n=8時q=39.1mv當FSR=10V,n=12時q=2.44mv當FSR=10V,n=16時q=0.15mv完成量化的器件叫量化器，即A/D轉換器。2模數(shù)（A/D）轉換器

模數(shù)轉換器把輸入的模擬信號經(jīng)過量化和編碼后，轉換成數(shù)字信號的器件。根據(jù)比較的工作原理可分為直接比較型和間接比較型兩大類。(1)逐次逼近型A/D轉換器結構與工作原理

去留碼規(guī)則，UI>=UF保留1UI<UF不保留1,置零UF=UREF(2-1a1+2-1a2…..+2-nan)AD574A是美國模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內(nèi)置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要功能特性如下：

分辨率：12位

非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS

轉換速率：25us

模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V兩檔四種

電源電壓：±15V和5V

數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位12位逐次逼近式A/D轉換器AD574與單片機8051的接口電路(2)雙斜積分式A/D轉換器結構與工作原理ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移、價格低廉的雙積分型12位A/D轉換器。在要求轉換速度不太高的場合，如用于稱重測力、測溫度等各種傳感器信號的高精度測量系統(tǒng)中時，可采用廉價的雙積分式12位A/D轉換器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(12位)(2)低噪聲(典型值為15μVP-P);(3)低漂移(＜1μV/℃)；(4)高輸入阻抗(典型值1012Ω);(5)低功耗(＜20mW);(6)轉換速度最快達30次/秒，當采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/秒；ICL7109與8031接口電路3采樣/保持器

在對模擬信號進行模數(shù)變換時，從啟動變換到變換結束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即A／D轉換器的孔徑時間。當輸入信號頻率提高時，由于孔徑時間的存在，可能會造成較大的轉換誤差；要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A／D轉換開始時將信號電平保持住，而在A／D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化，即對輸入信號處于采樣狀態(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣/保持器，從上面分析也可知，采樣/保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。采樣保持器的組成與工作原理單片集成采樣/保持電路LF198在LF198中，采用了雙極型與CMOS型混合工藝。當CH=0.01uF時，輸出電壓