第三章传感检测技术(新

1、本章导读在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始各种参数进行精确而可靠的自动检测，那么，信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最佳控制等都是无法进行和实现的。本章首先解释传感器的基本概念和组成，并介绍传感检测系统的基本组成。其次对机电一体化系统中常用传感器的分类进行详细介绍。再次对传感器的特性、选用原则、校准及安装进行说明。随着现代测量技术的不断发展，计算机检测技术应用相当广泛，因此，本章最后简要介绍了传感检测电路及其计算机接口。学习内容与要求1.掌握传感器的组成和分类；2.熟悉根据机电

2、系统的设计要求选用传感器；3.了解传感器的校准及安装方法；4.熟悉传感器的测量电路、计算机接口及其主要性能指标。本章重点1.传感器的组成和使用方法；2.根据机电系统的设计要求选用传感器；3.传感器的测量电路、计算机接口及其主要性能指标；4.传感器的校准及安装方法。本章难点1.传感器的组成和使用方法；2.常用传感器的特性及选用方法。媒体使用说明学生可以通过文字教材理解传感器的基本概念、传感检测系统的基本构成、传感器的选用方法、传感器测量电路与计算机接口等知识。结合流媒体课件着重学习本章主要知识点，通过流媒体课件中二维或三维动画仿真演示，深入理解课程的重点和难点内容。在录像教材中，主要介绍传感器测

3、量电路及其计算机接口。3.1传感检测技术概述在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。在从事工业生产和科学实验等活动中，对信息资源的开发、获取、传输和处理是极其重要的。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。科学实验和生产过程中，尤其是自动检测和自动控制系统要获取信息，都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。传感器的水平是衡量一个国家综合经济实力和技术水平的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术进步的重要标志。从生产实践看，从人们日常的衣食住行到各种复杂的工程，都离不开传感器。例如，工厂自动化的柔性制造系统、计

4、算机集成制造系统、大型发电厂、飞机（一架飞机上装有几千只传感器）、武器指挥系统、雷达、宇宙飞船、海洋探测器、各种家用电器、报警器、环境监测器、医疗卫生器械、生物工程等都依靠不同性质的传感器来获取所需要的信息。3.1.1传感器及其组成1.传感器的定义传感器好比人的五官，人通过五官即眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）、四肢（触觉）感知和接收外界信息，然后通过神经系统传输给大脑进行加工处理。传感器则是一个控制系统的“电五官”，它感测到外界的信息，然后反馈给系统的处理器即“电脑”进行加工处理。人与传感器的关系如图3-1所示。图3-1人与传感器的关系传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与

5、之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其具体含义包括以下几方面：（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；（3）它的输出量是某种物理量，且这种量要便于传输、转换、处理和显示等，另外，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；（4）输出/输入有对应关系，且应有一定的精确程度。2.传感器的组成传感器的输出信号通常是电量，因为它便于传输、转换、处理和显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常，传感器由敏感元件和转换元件及其他辅助部件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受

6、或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大和运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可以安装在传感器的壳体里，也可以与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理与转换电路以及传感器工作必须有辅助电源，因此，信号调理与转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图3-2 所示。图3-2传感器组成框图（1）敏感元件。它能直接感受被测非电量，并按一定规律将其转换成与被测非电量有确定对应关系的其他物理量。

7、（2）转换器件（又称变换器、传感器件）。将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、 光强等）转换成电路参量。（3）信号调节（转换）电路。将转换器件输出的电信号进行放大、运算、处理等，以获得便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。（4）辅助电源。它的作用是提供能源。有的传感器需要外部电源供电；有的传感器则不需要外部电源供电，如压电传感器。3.1.2传感检测系统尽管现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递的流程来区分，通常由各种传感器（变送器）将非电被测物理或化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转

8、换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出。以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备便组成了一个完整的传感检测系统。传感检测系统的组成框图如图3-3所示。图3-3传感检测系统的组成框图1.传感器传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成，其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。2.信号调理电路信号调理电路在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信

9、号进行检波、转换、滤波和放大等，以方便检测系统后续环节进行处理或显示。对信号调理电路的一般要求有以下两方面：（1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；（2）信噪比高，抗干扰性能要好。3.数据采集数据采集（系统）在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模/数（A/D）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样/保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。数据采集系统的主要性能指标有：（1）输入模拟电压信号的范围，单位：V；（2）转换速度（率），单位：次/s；（

10、3）分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；（4）转换误差，通常指实际转换数值与理想、A/D转换器理论转换值之差。4.信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。现代传感检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机，从而使所设计的检测系统获得更高的性能价格比。5.信号显示通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况，因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理

11、器计算出被测参量的当前值后一般均需送至各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一。显示器一般可分为指示式、数字式和屏幕式3种。6.信号输出在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送至显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机、可编程序控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）或其他执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印（记录）输出。7.输入设备输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，主要用于输入设置参数、下达有关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘和条

12、码阅读器等。近年来，随着工业自动化、办公自动化和信息化程度的不断提高，通过网络或各种通信总线利用其他计算机或数字化智能终端实现远程信息和数据输入的方式愈来愈普遍。最简单的输入设备是各种开关和按钮，模拟量的输入和设置往往借助电位器进行。8.稳压电源一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要求各异但稳定的电源。这类电源在检测系统使用现场一般无法直接提供，通常只能提供交流220 V的工频电源或+24V的直流电源。检测系统的设计者需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源，给系统各部分电路和器件分别提供它们所需的稳定电源。

13、需要注意的是，上述各部分不是所有的检测系统（仪表）全都具备的，而且对有些简单的检测系统来说，其各环节之间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。另外，在进行检测系统设计时，对于把以上各环节具体相连的传输通道，也应给予足够的重视。传输通道的作用是联系仪表的各个环节，给各环节的输入/输出信号提供通路。它可以是导线、管路（如光导纤维）以及信号所通过的空间等。信号传输通道比较简单，易被人们忽视，如果不按规定的要求布置和选择，则易造成信号损失、失真或引入干扰等，从而影响检测系统的精度。3.1.3传感器的分类传感器技术是一门知识密集型技术，与许多学科都相关。传感器的构成形式多种多样，其种类也十分繁多

14、。目前一般采用两种分类方法：一是按被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等；二是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压电式、磁电式等。本章是按后一种分类方法来介绍各种传感器的，而传感器的工程应用则是根据工程参数进行叙述的。对于初学者和应用传感器的工程技术人来说，应先从工作原理出发，了解各种各样的传感器，而对于工程上的被测参数则应着重于如何合理地选择和使用传感器。目前，传感器比较常用的分类方法有如下几种。1.根据被测物理量分类这种分类方法明确表示了传感器的用途，便于使用者选择。比如速度传感器用于测量物体的移动速度，位移传感器用于测量物体的位移量，温度传感器用于测量温度，压力传感器用于测量压

15、力等。一些常见的非电基本物理量与其对应的派生物理量如表3-1所示。表3-1一些常见的非电基本被测物理量及其对应的派生物理量2.按传感器的工作原理分类根据传感器工作原理的学科性，一般分成物理型、化学型和生物型3类。物理型传感器是指利用变换元件的物理效应制成的传感器。化学型传感器是指利用电化学效应，将有机或无机物质的组分、浓度等转换成电信号的传感器。生物型传感器是指利用生物活性物质的选择性识别和测定生物化学物质的传感器。具体包括以下几种类型。（1）电学式传感器电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。电

16、阻式传感器。是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成的。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。电容式传感器。是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的，主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。电感式传感器。是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的，主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。磁电式传感器。是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成的，主要用于流量、转速和位移

17、等参数的测量。电涡流式传感器。是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成的，主要用于位移及厚度等参数的测量。（2）磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。（3）光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。（4）电势型传感器电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成的，主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。（5）电荷传感器电荷传感器是利用压电效应原理制成的，主要用于力及加速度的测

18、量。（6）半导体传感器半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成的，主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。（7）谐振式传感器谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成的，主要用来测量压力。（8）电化学式传感器电化学式传感器是以离子导电为基础制成的，根据其电特性的形成不同，电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。3.按传感器能量的传递方式分类按传感器

19、能量的传递方式分类，包括能量转换型（有源）传感器和能量控制型（无源）传感器。能量转换型传感器又称发电型传感器，不需要外加电源而将被测能量转换成电能量输出。这类型传感器有压电式、磁电感应式、热电偶、压阻式、光电池等，可以将非电量转换为电能量。能量控制型传感器又称参量型传感器，需要外加电源才能输出电能量。这类型传感器有电阻式、电容式、电感式、霍尔式等，还有热敏电阻、光敏电阻和湿敏电阻等。4.按传感器的输入量分类按传感器的输入量分类，包括机、光、电和化学等传感器，例如位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等。5.按传感器输出信号的性质分类按传感器输出信号的性质分类，有模拟式传感器和数字式传感器。模

20、拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号。6.按传感器的工作机理分类按传感器的工作机理分类，包括结构型、物性型和复合型传感器。结构型传感器是指被测参数变化可引起传感器的结构变化，从而使输出电量发生变化，它是利用物理学中场的定律和运动定律而构成的。这种类型的传感器主要有电感式、电容式、光栅式传感器等。物性型传感器是利用某些物质的某种性质随被测参数而变化的原理构成的，传感器的性能与材料密切相关。这种类型的传感器主要有光电管、半导体传感器、压电式传感器等。复合型传感器由结构型和物性型传感器组合而成。7.按传感器的转换过程可逆与否分类按传感器的转换过程可逆与否分类，有单向和双向两种。单向表示只

21、能将被测量转换为电量，而不能逆转，这种传感器称为单向传感器。双向表示信号能够在传感器的输入/输出端作双向传输，具有可逆的特性，如压电式传感器、磁电感应式传感器。8.按高新技术分类按高新技术分类可将传感器分为集成传感器、仿生传感器、机器人传感器和智能化传感器等。（1）集成传感器集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。它既可以制作电路，又可以制作磁敏、力敏、温敏、光敏和离子敏器件，所以已有集成磁敏传感器、集成力敏传感器、集成温敏传感器、集成光敏传感器和集成场效应离子敏传感器等出现。集成传感器的特点是成本低、体积小、性能好、可靠性高、接口灵活。（2）仿生传感器仿生传感器是一种采用

22、新检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。这种传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型传感器。这种传感器的特点是性能好、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。（3）机器人传感器机器人传感器是20世纪70年代开始发展起来的一类专门用于机器人技术方面的新型传感器。机器人传感器和普通传感器工作原理基本相同，但又有其特殊性。机器人传感器主要包括机器人视觉、力觉、触觉、接近觉、距离觉、姿态觉、位置觉等传感器。由于机器人视觉研究的重要性和复杂性，一般将机器人视觉单独列为一个学科研究。与大量使用的工业检测传感器相比，

23、机器人传感器对传感信息的种类和智能化处理的要求更高。这就要求机器人传感器对变化的环境具有更强的适应能力，能进行更精确的定位和控制，并具有更高的智能。（4）智能化传感器智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统。智能传感器指传感器与微机结合，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连接着的模拟电路来完成的；但智能化传感器却能够实现所有的功能，而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。另外，根据传感器对信号检测转换过程的不同

24、，传感器可分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出，如光敏电阻受到光照射时，电阻值会发生变化，直接把光信号转换成电信号输出；后者则要把输入给传感器的非电量先转换成另外一种非电量，然后再转换成电信号输出，如采用弹簧管敏感元件制成的压力传感器就属于这一类。当有压力作用到弹簧管时，弹簧管产生形变，传感器再把变形量转换为电信号输出。除上面所述的传感器分类方法之外，还可以按应用对象或范围分类。例如，应用于医疗行业中的传感器常按被检测器官命名，如心音传感器、心电传感器、脉搏传感器等。工业中把用于测量振动的传感器称为振动传感器，把测量液体表面位置的传

25、感器称为液位传感器等。3.1.4传感器的发展趋势传感器技术是21世纪人们在高新技术领域争夺的一个制高点。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将传感器技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列为国家高新技术发展的重点。有专家认为，我国今后传感器方面的研究和开发方向应是微电子机械系统、汽车传感器、环保传感器、工业过程控制传感器、医疗卫生和食品业检测传感器、新型敏感材料等。传感器的发展趋势可概括为以下几方面。1.向结构型传感器方向发展目前，在工业控制领域大量使用的是结构型传感器。由于结构型传感器在原理、材料和

26、结构形式等方面都在不断发生变化除主要向高稳定性、高可靠性和高精度方向发展外，正在向有源化方向发展，即敏感元件和电路组装在一起，减小装置体积，提高信噪比和精度。结构型传感器由于采用了新结构、新材料和新工艺，可大幅度提高传感器的性能。2.向小型化、集成化方向发展由于航天和航空技术的发展以及医疗器件的需要，传感器必须向小型化方向发展，以便减小体积和质量。而小型化的基础是集成化，它包括传感器本身的集成化及后续电路的集成化。集成化传感器把各种调节和补偿电路与传感器集成在一起，降低了对环境的要求，提高了信噪比和精度。3.向智能化方向发展智能传感器是将传统的传感器和微处理器及相关电路组成一体化的传感器。智能

27、传感器可以分为3种类型，即具有判断能力的传感器、具有学习能力的传感器和具有创造能力的传感器。智能传感器具有以下功能：（1）具有自校准功能；（2）具有自补偿功能；（3）具有自诊断功能；（4）具有数据处理功能；（5）具有双向通信功能；（6）具有信息存储和记忆功能；（7）具有数字信号输出功能。3.2机电一体化系统中常用的传感器传感器是将机电一体化系统中被测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器，主要用于检测机电一体化系统自身与作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的动作提供信息。所以说，在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一

28、个重要纽带。机电一体化系统中常用的传感器主要有位移（位置）传感器、速度传感器、压力传感器、转矩传感器、温度传感器等。本节主要介绍位移传感器、速度和加速度传感器、应变及应力传感器、力和扭矩传感器。3.2.1位移测量传感器位移测量包括位移和角位移测量，它是工程中最基本的被测量。位移测量不仅可以对工程中常需要精确测量的部件位移、位置和尺寸进行测量，还可以将很多机械量如压力、力、扭矩等的测量转换为位移来测量。测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器，而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。按所测位移量值大小来分，位移测量一般可分为大位移测量和微小位移测量。表3-2所列为常用线位移和位置传感器的

29、主要性能及其优缺点。表3-2常用线位移和位置传感器的主要性能及其优缺点3.2.2速度测量传感器单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度、角速度和转速，与之相对应的就有线速度传感器、角速度传感器和转速传感器，我们统称为速度传感器。加速度传感器有惯性加速度传感器和振动冲击加速度传感器。常用速度和加速度传感器的主要性能及特点分别如表3-3、3-4所示。表3-3常用速度传感器的主要性能及特点表3-4常用加速度传感器的主要性能及特点3.2.3力、压力和扭矩测量传感器力、压力和扭矩测量传感器的类型和特点如表3-5所示。表3-5力、压力和扭矩测量传感器的类型和特点3.3传感器的特性及选用原则在生产过程和

30、科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出输入特性；如果把传感器看做二端口网络，即有两个输入端和两个输出端，那么传感器的输出输入特性则是与其内部结构参数有关的外部特性。传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。3.3.1传感器的静态特性与动态特性1.传感器的静态特性传感器的静态特性是指传感器的输入信号不随时间变化或变化非常缓慢时所表现出来的输出响应特性，称静态响应特性。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，以与其对应的输

31、出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性范围、线性度、灵敏度、精确度、分辨率、迟滞和稳定性等。2.传感器的动态特性所谓动态特性，是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种。传感器的动态特性常用阶跃响应和频率响应来表示。传感器的动态特性参数及选用原则如表3-6所示。表3-6传感器的动态特性参数及选用原则3

32、.3.2传感器的选用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理1.选择传感器主要应考虑的因素选择传感器除主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度等几方面的问题（见传感器特性）之外，还要考虑以下几方面。（1）根据测量目的选择传感器如果测量目的是进行定性分析，则选用重复精度高的传感器即可，而不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了进行定量分析，必须获得精确的测量值，则需选用精度等

33、级能满足要求的传感器。对于某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。（2）根据测量对象选择传感器在进行测量工作时，要考虑采用何种传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理的传感器可供选用。哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小，被测位置对传感器体积的要求，测量方式为接触式还是非接触式，信号的输出方法，有线或是非接触测量，传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，是否自行研制。（3）根据测量环境选择传感器根据测量环境选择传感器时应对其使用

34、环境进行调查，并根据具体的使用环境造葬合适的传感器，或采取适当的措施减小环境的影响，而且要特别注意不同系列产品的应陪葬婆、使用条件和维护要求。环境变化（如温度、振动、噪声等）将改变传感器的某些特性度、线性度等指标），且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移。为保证测量精度，根据使用目的可对环境条件及使用条件提出一定要求，或采取一定措施（如隔振）；还可以根据传感器的环境参数指标（如零点漂移、加速度、灵敏度等）及应用环境要求合理地选用传感器。（4）根据测量条件选择传感器测量条件列举如下：测量目的、被测量的选定（模拟信号或者数字信号）、测量的范围、输出量及其电平、输入信号的带宽、要求的精度、测量所需

35、要的时间、过输入发生的频繁程度等。（5）根据测量方式选择传感器传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。在机械系统中，对运动部件的被测参数（例如回转轴的误差、振动、扭力矩）往往采用非接触测量方式，因为对运动部件采用接触测量时会有许多实际困难，如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，从而造成测量误差。这种情况下，采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏

36、性检验。然而，有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法，例如涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏性检测方法。在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实、可靠，所以必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、干涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。除了以上

37、选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、质量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。2.选择传感器的一般步骤（1）借助于传感器的分类表，根据被测量的性质找出符合用户需要的传感器类别，再从典型应用中初步确定几种传感器。（2）借助于常用传感器的比较表、价格表，按被测量的测量范围、精度要求、环境要求等情况再次确定传感器的类别。（3）借助于传感器的产品目录、选型样式或传感器手册，查出传感器的规格型号、性能参数及结构尺寸。3.4传感器的校准与安装传感器在使用前或使用一段时间后（中国计量法规定一般为一年）或经过修理后，必须对其主要技术指标再次进行标定或校准，以确保传感器的性能指

38、标达到要求。在测量过程中，传感器的安装方法是否正确，对测量结果有重要的影响。3.4.1传感器的校准传感器在使用前、使用中或搁置一段时间再使用时必须对其性能参数进行复测或作必要的调整和修正，以确保传感器的测量精度，这个复测、调整过程称为校准。为了使传感器有一个长期的、稳定的和高精度的基准，在一些测量仪器中特别是内部装有微处理器的测量仪器中，很容易实现自动校准功能。如果被测量是长度、角度或质量，则用标准的长度、角度或质量基准对仪器实行自动定期校准或实时校准是可行的；但如果被测量是温度、流速或湿度，则很难保持基准的准确性。对传感器进行校准时，需要精度比它高的基准器，这种基准器受时间的推移和使用的磨损

39、等因素的影响，参数会随之改变，因此，对这种基准器还要用更高精度的基准器来进行定期校准。这样一来，就形成了一个校准标准的分级管理系统，最终的标准基准器有赖于国家标准。我国最高级的基准由国家计量院保存并向下属单位逐级地传递。3.4.2传感器的安装传感器与被测对象之间的安装方法对测量结果有重要的影响，下面只介绍被测对象为固体与流体两种情况。1.传感器与固体对象的连接方式当被测对象是固体时，可把传感器直接安装在被测对象上，这种安装方法叫做接触型。当把传感器或敏感元件装在被测对象上面时，被测对象就承受了某种新的负载，其结果是被测对象的状态或特性不可避免地发生变化（即负载效应），即使是位移型传感器只与被测

40、对象机械地接触，情况也是如此。由于这种负载效应，所以很难得到精确的测量结果。如果将传感器的体积、刚度、热容量等与负载效应有关的参数变小。加在被测对象上的负载就减轻了。实际上，有时接触型安装方法对被测对象的影响可以小到忽略不计的程度。当上述这些措施难以实现时，必须谋求某种补偿的办法。如果负载效应能得到解决，则接触型传感器有如下优点：第一，由于传感器直接装在被测对象上，可以把它看成被测对象的一部分，不易受到环境变动的影响，有利于直接获得与被测对象相对应的输出信号；第二，一般传感器在使用之前都必须进行标定，接触型传感器可使用与具体被测对象无关的标定方法与装置进行标定，标定后的结果对不同的被测对象都可

41、立即使用，无需现场再次标定。如果被测对象是高温或角度回转的对象，或由于操作危险、传感器材料特性等方面的原因，接触型测量就有些困难，这时就不便使用接触型传感器。又如，当被测对象很小时，传感器不便安装在上面，而且也不易把负荷效应减小，所以，在这些情况下，必须做到不与被测对象接触就能将信号取出，即使用非接触型传感器。用非接触型传感器从被测对象上获得信息有以下几种方法：一种方法是接收由被测对象发出的辐射热，由此而得知被测物体的温度；另一种方法是由传感器向被测对象发射信号或者构成电位差等，然后用传感器接收与其相对应的响应，从而获得必要的信号，如使传感器的极板与被测对象之间的距离改变，由此转换成电容的变化

42、，就属于这种方法；还有一种是遥感测量方法，如卫星上的照相机、微波影像系统、微波高度计等。一般情况下，非接触型测量的负荷效应很小，在实际应用中可不加考虑。但有一种非接触型传感器，它的一部分部件可安装在被测对象上，如激光干涉仪就是把反光镜片装在被测物体上来测得位移信号的，这时，就必须考虑负荷效应。另一方面，非接触型检测也存在以下缺点：被测对象的放射性，被测对象与传感器之间的介质特性，或者在传感器附近的其他物体等，都有可能使输出受到影响。对于辐射温度传感器来说，如果被测对象的辐射率不清楚，则温度就无法知道。对于电容型位移传感器来说，如果极板间介质的介电常数发生变化，则传感器的输出也势必发生变化。另外

43、，传感器与被测对象间距离的变动，也会使传感器的输出发生变化。接触型与非接触型传感器各有优缺点，所以必须根据具体的使用目的作出相应的选择。接触型与非接触型传感器的比较如表3-7所示。表3-7接触型与非接触型传感器的比较2.传感器与流体对象的连接方式利用传感器测量流体的某些参数（如流速、温度、流量、浓度等）时，传感器必须安装在盛有流体的容器里或有流体流动的管道上，因此传感器对原有流体的状态将不可避免地产生影响。为了减小其负荷效应，要求传感器与被测对象之间的能量变换越小越好，但这将导致传感器的输入信号很弱，所以，为了获得一定的输出电信号，要求传感器必须具有较高的灵敏度。流速传感器的安装有两种方法：一

44、种方法像空速管那样，将流速传感器插入管道内部；另一种方法是像电磁流量计那样，在管道的一端安装上传感器。前者因为只能检测流体的一部分流速，所以称为局部传感器；而后者因可检测全部流体的平均流速值，所以称其为积分式传感器。3.传感器安装时注意的问题除上述介绍的方法之外，在安装传感器时还须注意以下几个问题：（1）传感器的安装位置有无影响？因为传感器与数据源之间的阻塞物将大大地降低数据采集强度和精度。（2）有没有额外的信息？多余的信息源如射频干扰可以在所需的数据上增加很多噪声信 号，那么传感器的测量就会变得毫无用处。（3）传感器是否可以准确地读出数据？在一些极端的情况下，如紊流、过度地振动或高温条件下，

45、一些传感器可能会失效或完全损坏。（4）所接收到的信息是否就是从需要测量的地方传输过来的信息？错误的安装可能导致传感器将其他反馈信号（如听觉反馈和视觉反馈的虚像信号）记录下来。（5）采集数据的速度应尽可能快。数据采集时间如果过长，那么，对当前的情况来说，所采集的数据就已经过时了。3.5传感器测量电路及其计算机接口传感器从机电一体化系统中获取到的相关信息是传感检测系统的原始信息，通常比较微弱，需由中间转换电路将传感元件检测到的信号放大成易于检测或处理的电压或电流等电参量信号，再经调制解调、A/D转换、D/A转换等处理，以满足信号传输、计算机处理的要求。另外，根据需要还必须进行必要的阻抗匹配、线性化

46、及温度补偿等处理。需要指出的是，在机电一体化系统设计中，选用的传感元件多数已由生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户自己设计，除非是现有传感器产品在精度或尺寸、性能等方面不能满足设计要求，才自己选用传感器的敏感元件并设计与此相匹配的转换测量电路。因此，在机电一体化系统设计中，传感器及其检测电路绝大多数都是合理地选择和使用的问题。传感器与计算机接口电路的主要作用就是用传感器将各种物理量变成电信号，经由如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送入A/D 转换，变成数字量，供计算机处理。3.5.1传感器的测量电路传感器测量电路的主要任务是实现信号检测和转换。按传

47、感器输出信号的要求不同，可将传感器测量电路分为模拟型测量电路、数字型测量电路、开关型测量电路和中间转换电路。1.模拟型测量电路模拟型测量电路适用于电阻应变式、电感式、电容式、电热式等输出模拟信号的传感器。当被检测对象的物理量发生变化时，将会引起传感器敏感元件的电参数（阻扰、感抗、电容量等）发生变化，然后通过基本转换电路将这些电参数转换成相应的电量（电压、电流等）。若传感器的输出量已是电量，则不需要基本转换电路。为了将检测信号从其他干扰信号中提取出来，提高其抗干扰性能并利于计算机处理和数字显示，常采用中间转换电路对信号进行“调制”的方法。信号的调制一般在转换电路中进行。调制后的信号经过放大再通过

48、解调器将信号恢复为原有形式，然后通过滤波器选取其有效信号。未调制的信号不需要解调。为适应不同测量范围的需要，还可以引人量程切换电路。为了获得数字显示或便于与计算机连接，常采用A/D转换电路将模拟信号处理成数字信号。2.数字型测量电路数字型测量电路主要有绝对编码数字式和增量编码数字式两大类。（1）绝对编码数字式传感器测量电路传感器输出的编码与被检测量一一对应，每一码道的状态由相应的光电元件读出，经光电转换、放大整形后，得到与被测量相对应的编码。（2）增量编码数字式传感器测量电路这种测量电路主要用于增量编码数字式传感器输出信号的测量，如光栅、磁栅、容栅、同步感应器、激光干涉器等传感元件输出信号的测

49、量。为了提高传感器的分辨率，常采用细分的 方法。使传感器的输出变化一个周期时计一个数，称为细分数。细分电路还常同时起整形作 用，有时为了便于读出，还需要进行脉冲当量变换。方向辨别电路用于辨别运动部件的运动方向，以进行正确的加法或减法计算。经过计算后的数值将被送到相关的显示或控制环节。 3.开关型测量电路开关型测量电路主要用于光电开关、触点开关通断信号的检测，电路的实质是对检测信号进行放大或降即分流等处理。4.中间转换电路传感器测量电路中中间转换电路的种类和结构主要由所选用的传感器的类型决定，主要有电桥、放大、调制与解调和A/D，D/A转换等电路。（1）电桥电路电桥电路主要用于测量阻抗、感抗、电

50、容量等电参量变化所产生的电量（电压、电流等）。（2）放大电路放大电路由运算放大器、晶体管等组成，用来放大传感元件检测到的微弱电信号（电压放大、电流放大、功率放大等）。为了得到高质量的测量信号，要求放大电路具有抗干扰、高输入阻抗等性能。常采用的抗干扰措施有屏蔽、滤波、正确的接地等。屏蔽是抑制电磁场干扰的主要措施，而滤波则是抑制干扰最有效的手段，特别是抑制导线耦合到电路中的干扰。对于信号通道中的干扰，可依据测量中有效信号的频谱和干扰信号的频谱设计滤波器，以保留有用信号，滤除干扰信号。接地的目的是为了给系统提供一个基准电位，如果接地方法不正确，就会引进干扰。（3）调制与解调电路当传感器检测的输出信号

51、微弱、变化缓慢类似于直流信号时，若采用一般的直流放大电路放大和传输信号，将产生零点漂移等干扰信号，从而影响测量精度。因此，常先用调制器把直流信号变换成某种频率的交流信号，经过交流放大器放大后再通过解调器将此交流信号重新恢复为原来的直流信号。（4）A/D、D/A转换电路A/D、D/A转换电路可实现检测输入、计算机处理、输出执行信号之间的匹配转换。在机电一体化系统中，传感器输出的信号如果是连续变化的模拟量，为了满足系统信息传输、运算处理、显示或控制的需要，应将模拟量变换为数字量（A/D变换），然后再将数字量变为模拟量（D/A变换）。3.5.2传感器与微机的接口1.传感器输出信号的形式由于输入到微机

52、的信号必须是微机能够处理的数字信号，微机才能进行有效的运算和处理，因此，传感器输出信号的形式可分为模拟量、数字量和开关量。传感器输出信号的形式如表3-8所示。表3-8传感器输出信号的形式2.传感器接口电路（1）接口电路的作用及分类传感器接口电路对于传感器和检测系统是一个非常重要的连接环节，其整个系统的测量精度和灵敏度。传感器接口电路的作用是进行信号检测和信号连接作用。作为智能化的自动测控系统，传感器与微型计算机的接口电路也千变万化。常用的传感器接口电路的类型及作用如表3-9所示。表3-9常用的传感器接口电路的类型及作用（2）对传感器接口电路的要求一般来说，对传感器接口电路有如下要求：尽可能提高

53、包括传感器和接口电路在内的整体效率。能量是传递信息的载体，所以，传感器在传递信息时必然伴随着能量的转换和传递，但传感器的能量变换效率不是最重要的。实际上，为了不影响或尽可能地少影响被测对象的本来状态，要求从被测对象上获得的能量越小越好。具有一定的信号处理能力。如半导体热效电阻中的接口电路具有引线补偿功能，热电偶的接口电路应有冷端补偿功能，等等。如果从整个测控系统来考虑，则应根据系统的工作要求选择功能尽可能全的接口电路芯片，甚至可以考虑整个系统就是一个芯片。提供传感器所需要的驱动电源（信号）。按传感器的输出信号来划分，传感器可分为电参数传感器和电量传感器。后者的输出信号为电量，如电势、电流等，这

54、类电量传感器有压电传感器、光电传感器等。前者输出的是电量参数，如电阻、电容、电感、互感等，这类传感器需外加传感器驱动电源才能工作。一般来说，驱动电源的稳定性会直接影响系统的测量精度，因而，这类传感器的接口电路应能提供稳定性尽可能高的驱动电源。具有尽可能完善的抗干扰和抗高压冲击保护机制。在工业和生物医学信号测量中，干扰是难以避免的，如工频干扰、射频干扰等。而高电压的冲击同样难以避免，这在工业测量中是不言而喻的。在生物医学测量中，经常存在几千伏甚至更高的静电，在抢救时还有施加到人体的除颤电压。因而，传感器接口电路应具有尽可能完善的抗干扰和抗高压冲击保护机制，以减少干扰对测量精度的影响，保护传感器和

55、接口电路本身的安全。这种机制包括输入端的保护、前后级电路的隔离、模拟和数字滤波等。（3）传感器与微机的接口传感器还可依据模拟量转换、输入精度、输入速度、通道数量和类型等因素提供如下几种转换输入接口电路：输入放大电路、抗频混滤波器电路、采样保持电路和模拟多路开关等（后面将介绍）。在机电一体化产品中，控制和信息处理功能多数采用计算机来实现。因此，检测信号一般都需要被采集到计算机中做进一步处理，以便获得所需的信息。模拟式传感器输出的是连续信号，首先必须将其转换成能够被计算机接收的数字信号，然后才能送入计算机进行有效的运算和处理。所以，依据模拟量转换、输入精度、输入速度、通道数量和类型等因素，有下面4

56、种转换输入方式，如图3-4，3-5，3-6，3-7所示。通道直接型转换输入方式。这是最简单的一种方式，只用一个A/D转换器及缓冲器即可将模拟量转换为数字量，然后通过三态缓冲器送入计算机总线。这种方式仅适用于只有一路检测信号的场合。另外，受转换电压幅度与速度的限制，这种方式应用范围窄。多通道一般型转换输入方式。多路检测信号共用一个A/D转换器，通过多路模拟开关依次对每个模拟通道进行采样保持和转换。其特点是电路简单、节省元部件、速度低，不能获得同一瞬时各通道的模拟信号。多通道同步型转换输入方式。它与第二种方式的主要区别是信号的采集/保持电路在多路开关之前，各采样/保持同时动作，可测得同一瞬时各传感

57、器输出的模拟信号。多通道并行输入型转换输入方式。各通道都有单独的采样/保持电路和A/D转换通道，可以直接进行转换，转换结果将送入微型机或信号通道，而且根据传感器输出信号的特点可分别采用不同的采样/保持电路或不同精度的A/D转换器，因而这种转换方式灵活性大，抗干扰能力强，但电路复杂，采用的元器件较多。图3-4单通道直接型转换输入方式圈3-5多通道一般型转换输入方式图3-6多通道同步型转换输入方式图3-7多通道并行输入型转换输入方式上述4种方式中，除第一种外，其他3种都可用于对多路检测信号进行采集，因此，对应的系统常被称做多路数据采集系统。3.接口电路的作用下面将简单介绍转换输入接口电路的作用。（

58、1）输入放大器被分析的信号幅值往往大小不一，输入放大器（或称衰减器）就是对幅值进行处理的器件。对于超过限额的电压幅值，可以加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，以避免影响采样精度。输入放大器的放大倍数（衰减百分数）一般可以用程控方式或手动方式设定。对信号进行放大时，一般不宜放得过大，以免后面分析运算中产生失真现象。（2）抗频混滤波器由于采样信号频谱发生变化而出现高、低频成分发生混淆的现象，称为频混现象。在作频域分析时，为解决频混的影响，采样之前通常用模拟滤波器来衰减元用的高频分量，然后根据滤波器的选择性来确定适当的采样频率。低通滤波器为抗频混滤波器。由于低通滤波能衰减高频分量，所以也可以对时域分析时的信号作平滑处理。抗频混滤波器的截止频率一般都有多挡可供选择，使用时，应依信号特性选用。（3）采样保持电路采样保持电路设置在A/D转