第四章传感器及其接口技术 41概述 传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化 和智能化都与传感器的品种多少、性能好环密切相关。 在机电一体化系统中有各种不同的物理量如位移、压力、速度等)需要控制和监测, 如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测,那么对机电产品的各种控制 部是无法实现的因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系 统中不可缺少的组成部分。 传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加 上制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。作为一个独立器件,传感器的发展正进 入集成化智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上,就形成了信 息型传感器;若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上,就是所谓的智能型传感器。 411传感器的定义 传感器:传感器是种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之 有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。 41.2组成 组成:敏感元件、转换元件、电子线路等组成 1敏感元件直接感受被测量、并以确定关系输出物理量。如弹性敏元件将力转 换为位移或应变输出。 2转换元件将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电路基 数(如电阻、电感、电容等)等 3基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等 被测量敏感 转换 基本转电量 元件 件 换电路 传感器的组成框图 实际的传感器有的很简单,有的则较复杂。有些传感器(如热电偶)只有敏感元件, 感受被测量时直接输出电动势。行些传感器由敏感元件和转换元件组成、无需基本转换
- 1 - 第四章 传感器及其接口技术 4.1 概述 传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化 和智能化都与传感器的品种多少、性能好环密切相关。 在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等)需要控制和监测， 如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制 部是无法实现的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系 统中不可缺少的组成部分。 传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加 上制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。作为一个独立器件，传感器的发展正进 入集成化智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信 息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。 4.1.1 传感器的定义 传感器： 传感器是种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之 有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。 4.1.2 组成 组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。 1 敏感元件 直接感受被测量、并以确定关系输出 物理量。如弹性敏元件将力转 换为位移或应变输出。 2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电路基 数(如电阻、电感、电容等)等。 3 基本转换电路 将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。 传感器的组成框图 实际的传感器,有的很简单，有的则较复杂。有些传感器(如热电偶)只有敏感元件， 感受被测量时直接输出电动势。行些传感器由敏感元件和转换元件组成、无需基本转换
电路,如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成,如电容 式位移传感器。有些传感器,转换元件不只一个,要经过若干次转换才能输出电量。大 多数传感器是开环系统.但也有个别的是带反馈的闭环系统。 41.3传感器的特性 传感器比较常用的性能指标有以下几种 (1)关于输入量的特性 量程或测量范围 传感器预期要测量的被测量值,一般用传感器允许测量的上下极限值来表示,其中 上限值也称为满量程FS 过载能力 传感器允许承受的最大输入量(被测量) (2)响应特性: 静态响应特性 精度 表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满 量程的比值按百分数给出。 重复性 反映传感器在工作条件不变的情况下,重复地输入某一相同的输入值,其输出值的 致性,其意义与精度类似。 线性度 也称非线性,表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程 度,采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。 Y,s 1=± XN100% 灵敏度 传感器输入增量与输出増量之比 稳定性(温度漂移,时间零漂)
- 2 - 电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容 式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大 多数传感器是开环系统．但也有个别的是带反馈的闭环系统。 4.1.3 传感器的特性 传感器比较常用的性能指标有以下几种 (1) 关于输入量的特性： 量程或测量范围 传感器预期要测量的被测量值，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中 上限值也称为满量程 FS。 过载能力 传感器允许承受的最大输入量(被测量) (2) 响应特性： ·静态响应特性 精度 表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满 量程的比值按百分数给出。 重复性 反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输入某一相同的输入值，其输出值的 一致性，其意义与精度类似。 线性度 也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程 度，采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。 灵敏度 传感器输入增量与输出增量之比； 稳定性(温度漂移，时间零漂)
时间零漂,在规定的时间内,在温度不变的条件下,零输出的变化 温度漂移,当温度发生变化时,其输出特性的变化,通常用零点输出变化值表示, 也可以用它与满量程的比值来表示 动态响应特性 在被测量的物理量随时间变化的情况下,传感器的输出能否很好地追随输入量的变 化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态持性非常好,但由于不能很好追随输入 量的快速变化而导致严重误差,这种动态误差若不注意加以控制,可以高达百分之几十 其至百分之百。这就要求我们要认真注意传感器的动态响应持性 频率响应特性 幅颠特性 相频特性 阶跃响应特件 时间常数 上升时间 过冲量(超调量) 固有频率 阻尼比(对数减缩) 41.4传感器的分类 传感器的分类方法有多种,如按被测物理量的性质分;位移传感器、温度传感器、 压力传感器等等:按工作机理分;电阻式、电感式、电容式、光电式 按照输出信号的性质分类;可分为开关型(二值型)、模拟型和数字型,如下图所示: 开关型接触型(如徽动开关、接触开关) (二值型)非接触型(光电开关、接近开关) 电阻型(电位器、电阻应变片等) 传感器模拟型〈电压、电流型(热电偶、光电电池压电元件等 电感、电容型(电感、电容式位移传感器) 数字型计数型(二值+计数器) 代码型(编码器、磁尺) 1开关型 开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OF)。这种“1”和“0”数 字信号可直接传送到微机进行处理,使用方便
- 3 - 时间零漂， 在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化； 温度漂移，当温度发生变化时，其输出特性的变化，通常用零点输出变化值表示， 也可以用它与满量程的比值来表示。 ·动态响应特性 在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输出能否很好地追随输入量的变 化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态持性非常好，但由于不能很好追随输入 量的快速变化而导致严重误差，这种动态误差若不注意加以控制，可以高达百分之几十 其至百分之百。这就要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。 频率响应特性 幅颠特性 相频特性 阶跃响应特件 时间常数 上升时间 过冲量(超调量) 固有频率 阻尼比(对数减缩) 4.1.4 传感器的分类 传感器的分类方法有多种，如按被测物理量的性质分；位移传感器、温度传感器、 压力传感器等等；按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式； 按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、模拟型和数字型，如下图所示： 1 开关型 开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。这种“l”和“0”数 字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便
输出 ON状态 OFF状态 设定点输入 图4-74二值型传感器的工作原理 传感器的 蔹滞宽度 输出状态 瞬动宽度 ON状态 OFF状态 输入到传感 器的物理量 ON→ OFF OFF→ON (INOET, (INoN) 值型传感器的实用特性 特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为INon,而从通到断时的输入 值为 I Noff,则特性满足 INoff<INon Noff与INon的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。 2数字型 数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型,所示。它可 以是任何一种脉冲发生器,所发出的脉冲数与输入量成正比,加上计数器就可对输入量 进行计数,如可用来检测通过输送带上的产品个数,也可用来检测执行机构的位移量, 这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号,例如增量式光电 码盘和检测光栅就是如此
- 4 - 二值型传感器的实用特性 特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为 INon，而从通到断时的输入 值为 INoff，则特性满足 INoff＜INon INoff 与 INon 的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。 2 数字型 数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型，所示。它可 以是任何一种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量 进行计数，如可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量， 这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号，例如增量式光电 码盘和检测光栅就是如此
代码型传感器又称编码器,它输出的信号是数字代码,每一代码相当于一个一定的 输入量之值 3模拟型 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可 以是线性的也可以是非线性的。 输 入 输入 (a) (5) 图4-75模拟型传感器的工作原理 4.1.5机电一体化系统对传感器的基本要求 1精度和灵敏度髙、响应快、稳定性好、信噪比高; 2体积小、重量轻、对整机的适应性好 3安全可靠、寿命长; 4便于与计算机连接; 5不易受被测对象性(如电阻、导磁率)的影响,也不影响外部环境 6对环境条件适应能力强; 7现场处理简单、操作性能好 8价格便宜。 4.1.6机电一体化系统常用传感器 1位移检测传感器 位移测量是彦线位移测量和角位移测量的总称,位移测量在机电一体化领域中应用 十分广泛,这不仅因为在各种机电一体化产品中常需位移测量,而且还因为速度、加速 度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量为基础的
- 5 - 代码型传感器又称编码器，它输出的信号是数字代码，每一代码相当于一个一定的 输入量之值。 3 模拟型 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可 以是线性的也可以是非线性的。 4.1.5 机电一体化系统对传感器的基本要求 1 精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高； 2 体积小、重量轻、对整机的适应性好； 3 安全可靠、寿命长； 4 便于与计算机连接； 5 不易受被测对象性(如电阻、导磁率)的影响，也不影响外部环境； 6 对环境条件适应能力强; 7 现场处理简单、操作性能好； 8 价格便宜。 4.1.6 机电一体化系统常用传感器 1 位移检测传感器 位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用 十分广泛，这不仅因为在各种机电一体化产品中常需位移测量，而且还因为速度、加速 度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量为基础的
直线位移传感器主要有:电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步 器和光栅传感器。 角位移传感器主要有:电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等 光电编码器 光电型{光栅 刻度尺〔射型和反射型) 直线型电压型一差动变压器电容型一容栅等 电磁感应型一直线感应同步器 磁电型一磁尺 非接触型一激光超声波测距等 位移检测传感器 增量型编码器 光电型绝对型编码器 团光栅 回转型 电磁感应型/转变压器 回转感应同步器 磁电型一磁尺;电容型一容栅等 电阻型一电位计 图477常用的位移检测传感器 2速度、加速度传感器 检测转速的传感器有测速发电机、光电、磁电式转速传感器,检测加速度可用电容 式或压电式加速度传感器。检测直线运动速度时,可以将直线运动变换成回转运动,然 后再用转速传感器检测。采用数字型传感器检测位移时,也可同时检测运动速度。对于 计数型传感器,可通过检测其脉冲频率来得到运动速度的数据。代码型传感器,则可通 过检测其代码变换周期来确定运动的速度
- 6 - 直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步 器和光栅传感器。 角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。 2 速度、加速度传感器 检测转速的传感器有测速发电机、光电、磁电式转速传感器，检测加速度可用电容 式或压电式加速度传感器。检测直线运动速度时，可以将直线运动变换成回转运动，然 后再用转速传感器检测。采用数字型传感器检测位移时，也可同时检测运动速度。对于 计数型传感器，可通过检测其脉冲频率来得到运动速度的数据。代码型传感器，则可通 过检测其代码变换周期来确定运动的速度
234 图4102光电式转速传感器的结构原理图 一光源:2一透镜;3-带缝欧圆盘; 4一指示缝隙盘5-光电器件 n= 60N/Zt n转速 -测量时间 N-1内的脉冲个数 Z-圆盘上的缝隙个数 3力、力矩传感器 利用应变片可以制成应力传感器、力传感器和力矩传感器,还可将应变片直接贴在 被检测部分来检测力、压力和力矩的大小,所使用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半 导体式 转矩信号 feat 驱动便 负侧 图4108机器人手腕用力矩传感器原理 图4109无触点力矩测量原理 4位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样,它所测量的不是一段距离的变化量,而是通过检 测,确定是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了
- 7 - n = 60N/Zt n—转速 t –测量时间 N ---t 内的脉冲个数 Z --- 圆盘上的缝隙个数 3 力、力矩传感器 利用应变片可以制成应力传感器、力传感器和力矩传感器，还可将应变片直接贴在 被检测部分来检测力、压力和力矩的大小，所使用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半 导体式。 4 位置传感器 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检 测，确定是否已到某一位置。因此、它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了
位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触 的信息的一种传感器;而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种 传感器 接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成,它分以下两种 a.由微动开关制成的位置传感器 点式棒式缓冲式 平板式 环式 (b) b.二维矩阵式配置的位置传感器 1、柔软电极2、柔软绝缘体 接近式位置传感器 接近式位置传感器按其工作原理主要分:①电磁式;②光电式;③静电容式:④超 声波式;⑤气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。 检测量 检骐电感量 检测光通量 检测电容量 检测压力差 检测时间差 传感媒介 光 电 体 祸流反射 电荷阻力反射 被测物体1 接近式位置传感器的工作原理 5视觉传感器 视觉传感器在机电一体化系统中的作用有:1、确定对象物的位置与姿势;2、图像 识别:确定对象物的特征(识别符号、读出文字、识别物体);3、形状、尺寸检验:检
- 8 - 位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触 的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某—物体的一种 传感器。 接触式位置传感器 这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种 a. 由微动开关制成的位置传感器 b. 二维矩阵式配置的位置传感器 1、柔软电极 2、柔软绝缘体 接近式位置传感器 接近式位置传感器按其工作原理主要分：①电磁式；②光电式；③静电容式；④超 声波式；⑤气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。 接近式位置传感器的工作原理 5 视觉传感器 视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：1、确定对象物的位置与姿势；2、图像 识别：确定对象物的特征(识别符号、读出文字、识别物体)；3、形状、尺寸检验：检
查零件形状和尺寸方面的缺陷。 为了能够从二维或三维对象物上摄取图像信息,以光电变换为主的视觉传感器应包 括照明、摄像、光电变换和扫描四部分。在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导 摄像管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感器等。固体半导体摄像器件有CMOS 型(金属氧化物集成电路)、CCD型(电荷耦合器件)以及MOS和CCD混合型等 42传感器与微机的接口技术 输入到微型机的信息必须是微型机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分 为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式,见下表。 丧416传感器与微机的基本接口 接口方式 模拟量接口方式 传感器输出信号→放大→采样保持→模拟多路开关→AD转换→1/O接 口→做型机 开关量接口方式 开关型传感器输出二值式信号〔逻辑1或0)三态级冲器→微型机 数字量接口方式 数字型传感器输出数字量(二进制代码、BCD码、脉冲序列等)→(计数器) →三态缓冲器→微型机 42.1数字量、开关量的接口 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。 42.2模拟量的接口 、模拟量的数字化过程 (1)时间断续 x() br,() xs(n万s 图2.2采样过程 采样定理 信号最高频率为f,在采样频率>=2为的条件下,采样后的信号能无失真的
- 9 - 查零件形状和尺寸方面的缺陷。 为了能够从二维或三维对象物上摄取图像信息，以光电变换为主的视觉传感器应包 括照明、摄像、光电变换和扫描四部分。在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导 摄像管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感器等。固体半导体摄像器件有 CMOS 型(金属氧化物集成电路)、CCD 型(电荷耦合器件)以及 MOS 和 CCD 混合型等。 4.2 传感器与微机的接口技术 输入到微型机的信息必须是微型机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分 为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式，见下表。 4.2.1 数字量、开关量的接口 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。 4.2.2 模拟量的接口 1、 模拟量的数字化过程 (1) 时间断续 采样定理 信号最高频率为 fc, 在采样频率 fs>= 2fc 为的条件下，采样后的信号能无失真的
恢复为原来的模拟信号。 (2)数值断续 数值断续的过程叫量化,所谓的量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单 位的一系列整数倍数比较,以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替 该幅值。最小单位叫量化单位,q=FSR2n 完成量化的器件叫量化器,即AD转换器 2、模数(AD)转换器 模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编码后,转换成数字信号的器件。 可分为直接比较型和间接比较型两大类 (1)逐次逼近型A/转换器 结构与工作原理 幅拟轴入 码/留码逻辑环形计数器 UF 比较器 数据寄存器 D/A转换器 U=Ukg(2-a1+2-a+…+2-a) 图6.5逐次带通近式AD转换器结构图
- 10 - 恢复为原来的模拟信号。 (2) 数值断续 数值断续的过程叫量化，所谓的量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单 位的一系列整数倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替 该幅值。最小单位叫量化单位，q=FSR/2n 完成量化的器件叫量化器，即 A/D 转换器。 2、 模数（A/D）转换器 模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编码后，转换成数字信号的器件。 可分为直接比较型和间接比较型两大类。 (1) 逐次逼近型 A/D 转换器 结构与工作原理