传感器检测及其接口电路

第3章传感器检测及其接口电路3.1概述3.2位移检测3.3速度、加速度检测3.4力、扭矩和流体压强检测3.5传感器前级信号处理3.6传感器接口技术3.7传感器非线性补偿处理思考题3.1概述 3.1.1检测系统的组成 (1)把各种非电量信息转换为电信号,这就是传感器的功能,传感器又称为一次仪表。 (2)对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、转换、记录、指示、显示等处理,这叫作电信号处理系统,通常被称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图3-1所示。

图3-1非电量检测系统的结构形式 3.1.2传感器的概念及基本特性 1.传感器的构成 传感器一般由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成,如图3-2所示。图3-2传感器的组成框图 （1）敏感元件:是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。 （2）传感元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 （3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电量,如电压、电流、频率等。计数型（二次型+计数型）

电压，电流型（热电偶,Cds电池）电感，电容型（可变电容）有接点型(微动开关，接触开关，行程开关)

传感器电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型二值型电量无接点型(光电开关，接近开关)模拟型数字型代码型（旋转编码器，磁尺）2传感器的静态特性 （1）线性度。传感器的静态特性是在静态标准条件下,利用一定等级的标准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性,这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性,与理论直线有偏差,如图3-3所示。图3-3传感器的线性度示意图直线拟合方法a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即Δi=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式即得到k和b的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。 线性度可用下式计算： 式中：;

γL——线性度(非线性误差)；

Δmax——最大非线性绝对误差；

yFS——输出满度值。 （2）灵敏度。传感器在静态标准条件下,输出变化对输入变化的比值称为灵敏度,用S0表示,即（3-1） 对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。 （3）迟滞。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞,迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：

式中: ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。(3-2)(3-3) 迟滞特性一般由实验方法确定,如图3-3所示。图3-4迟滞特性 （4）重复特性。传感器在同一条件下,被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时,所得的输出/输入曲线不一致的程度,称为重复特性,如图3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示,即 式中:

ΔRm——最大重复性误差。 重复特性也由实验方法确定,常用绝对误差表示,如图3-5所示。(3-4)图3-5重复特性分辨力用绝对值表示,用与满量程的百分数表示时称为分辨率。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。

5．分辨力与阈值分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。有些传感器,当输入量连续变化时,输出量只作阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。

6．稳定性测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。测试时先将传感器置于一定温度(如20℃),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5℃或10℃),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差。8．抗干扰稳定性7．温度稳定性温度稳定性又称为温度漂移，是指传感器在外界温度下输出量发生的变化。温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。指传感器对外界干扰的抵抗能力，例如抗冲击和振动的能力、抗潮湿的能力、抗电磁场干扰的能力等。评价这些能力比较复杂，一般也不易给出数量概念，需要具体问题具体分析。

9．静态误差取2σ和3σ值即为传感器的静态误差。静态误差也可用相对误差来表示，即静态误差的求取方法如下：把全部输出数据与拟合直线上对应值的残差,看成是随机分布,求出其标准偏差,即静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论值的偏离程度。yi—各测试点的残差；n一测试点数。

10、精确度与精确度有关指标：精密度、准确度和精确度(精度)准确度：说明传感器输出值与真值的偏离程度。如,某流量传感器的准确度为0.3m3/s，表示该传感器的输出值与真值偏离0.3m3/s。准确度是系统误差大小的标志，准确度高意味着系统误差小。同样，准确度高不一定精密度高。精密度：说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，其测量结果的分散程度。例如，某测温传感器的精密度为0.5℃。精密度是随即误差大小的标志，精密度高，意味着随机误差小。注意：精密度高不一定准确度高。精确度：是精密度与准确度两者的总和，精确度高表示精密度和准确度都比较高。在最简单的情况下，可取两者的代数和。机器的常以测量误差的相对值表示。

（a）准确度高而精密度低（b）准确度低而精密度高（c）精确度高在测量中我们希望得到精确度高的结果。

动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输入特性来考虑传感器的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。正弦变化的输入阶跃变化的输入线性输入3.传感器的动态特性 3.1.3信号传输与处理电路 传感器信号处理电路内容的选择所要考虑的问题主要包括： （1）传感器输出信号形式,如是模拟信号还是数字信号,是电压还是电流。 （2）传感器输出电路形式,是单端输出还是差动输出。 （3）传感器电路的输出能力,是电压还是功率,输出阻抗的大小如何等。 （3）传感器的特性,如线性度、信噪比、分辨率。

3.1.4传感器的选用原则

快速、准确、可靠、经济的获取信号。传感器的选择所要考虑的问题主要包括： 1）足够的量程；2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高；3）精度适当、稳定性高；4）反应速度快、工作可靠；5）实用性和适应性强；6）使用经济；1、电子秤使用的测力装置：力传感器力传感器的应用——电子秤2、常见的一种力传感器：金属梁应变片应变片是一种敏感元件，多用半导体材料制成3、力传感器的工作原理：金属梁U2U1两个应变片的形变引起电阻变化，致使两个应变片的电压差变化，力F越大，电压差就越大。拉伸R1变大压缩R2变小固定温度传感器的应用——电熨斗1、电熨斗中的温度传感器对温度的控制：1）达到设定温度后将不再升温；2）使用中温度降低后自动升温到设定温度；3）根据衣物不同设定不同的温度。2、电熨斗中的传感器：双金属片温度传感器3、电熨斗的结构：上层金属片的热膨胀系数大于下层的金属片。温度传感器的应用——电饭锅1、电饭锅中的温度传感器：主要元件是感温铁氧体2、感温铁氧体是用氧化锰MnO2、氧化锌ZnO和氧化铁Fe2O3粉末混合烧结而成，特点是常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引；升温后，约达103℃

(称为居里温度或居里点)时，就会失去磁性，不能被磁体吸引。3、电饭锅的结构：光传感器的应用——火灾报警器1、天花板上的火灾报警器：是利用烟雾对光的散射来工作的2、如图所示，带孔的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管(特性：强光下电阻将变小)和不透明的挡板。平时，因挡板的作用，光电三极管收不到LED发出的光，电阻较大；当有烟雾进入罩内，由于烟雾对光的散射，使部分光线照射到光电三极管上，导致其电阻变小。与之相连的电路检测到这种变化，就会发出警报。加速度计如图所示为一个加速度传感器，质量为m的滑块2可以在光滑的框架1中平移，滑块两侧用弹簧3拉着，R为滑动变阻器，4是滑动片，它与电阻器任一端间的电阻值都与它到这端的距离成正比，两个电池E的电压相同，电压表指针的零点调在中央，当P端的电势高于Q端时，指针向零点右侧偏转。当物体具有图示方向的加速度a时，电压表的指针将向哪个方向偏转？1、滑动片4指在变阻器正中央时，P、Q等势，电压表指在中央零刻度；2、如图滑动片4向左端滑动，左端电阻小，电流流过时电势降落小，故Q点电势高于P，电压表指针向零点左侧偏；且加速度越大，偏转越大。机械式鼠标器的工作原理鼠标器移动时，滚球运动通过滚轴带动两个码盘转动，红外接收管就收到断续的红外线脉冲，输出相应的电脉冲信号.计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号，处理后就使屏幕上的光标产生相应的位移。

在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）；然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜（下图），传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像，最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。 3.2.1模拟式位移传感器3.2位移检测1电容式位移传感器以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移测量。

(1).变极距式电容传感器

图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。

(1)变极距式电容传感器变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即

式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）

A——极板面积（m2）

do——极板间距初始距离（m）

传感器的这种变化关系呈非线性，如图所示。

(1)变极距式电容传感器(1)变极距式电容传感器当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即

电容相对变化量⊿C/Co为

由于

，在实际使用时常采用近似线性处理，即

(1)变极距式电容传感器

此时产生的相对非线性误差γo为

这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。(1)变极距式电容传感器为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为

传感器的相对非线性误差γo为

(1)变极距式电容传感器(2)变面积式电容传感器

图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为

Co=⊿A/d

当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。

电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。 2.可变磁阻式电感传感器 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图3-6所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。图3-6可变磁阻式电感传感器 当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,即 （3-5） 式中: W——线圈匝数；

Rm——总磁阻。 如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的损失,则总磁阻为（3-6） 式中:;

L——铁心导磁长度（m）；

μ——铁心导磁率（H/m）；

A——铁心导磁截面积（m2）,

A=a×b;

δ——空气隙(m),δ=δ0+Δδ;

μ0——空气磁导率（H／m）,μ0=2π×10-7;

A0——空气隙导磁截面积（m2）。 由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,因此计算时铁心的磁阻可以忽略不计,故 （3-7） 将式(3-7)代入式(3-5),得（3-8） 式（3-8）表明,自感L与空气隙δ的大小成反比,与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变而改变δ时,L与δ成非线性关系,此时传感器的灵敏度为 图3-7为差动型磁阻式传感器,它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时,两线圈的自感L相等,输出为零。当衔铁有位移Δδ时,两个线圈的间隙为δ0+Δδ,δ0-Δδ,这表明一个线圈的自感增加,而另一个线圈的自感减小。（3-9）图3-7可变磁阻差动式传感器图3-8可变磁阻面积型电感传感器 如图3-9所示,在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁,当活动衔铁在线圈中运动时,磁阻将变化,导致自感L的变化。图3-9可变磁阻螺管型传感器 3.涡流式传感器 涡流式传感器的变换原理,是金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图3-10所示,金属板置于一只线圈的附近,它们之间相互的间距为δ。 （1）高频反射式涡流传感器。如图3-10所示,高频(>1MHz)激励电流i0产生的高频磁场作用于金属板的表面,由于集肤效应,在金属板表面将形成涡电流。图3-10高频反射式涡流传感器 （2）低频透射式涡流传感器。低频透射式涡流传感器的工作原理如图3-11所示。图3-11低频透射式涡流传感器（a）原理图；（b）曲线图 4.互感型差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器,其结构形式有多种,以螺管型应用较为普遍,其结构及工作原理如图3-12（a）、（b）所示。图3-12差动变压器式电感传感器（a）、（b）工作原理;（c）输出特性 图3-13是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。图3-13差动相敏检波电路的工作原理 图3-13是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图。图3-13螺旋差动型传感器的结构图 3.2.2数字式位移传感器 光栅由标尺光栅和指示光栅组成,两者的光刻密度相同,但体长相差很多,其结构如图3-15所示。 它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的,如图3-16所示。图3-15光栅测量原理图3-16莫尔条纹示意 光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度,P表示栅距,θ表示光栅条纹间的夹角,则有 若P＝0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。 光栅测量系统的基本构成如图3-17所示。(3-10)图3-17光栅测量系统图3-18感应同步器原理图滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图3-18。

圆盘式感应同步器如图3-19所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/3节距。图3-19圆盘式感应同步器（a）定子；（b）转子 （1）鉴相式。所谓鉴相式,就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。 即uA=Umsinωt,uB=Umcosωt时,则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图3-20说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。

图3-20滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系 滑尺在定尺上每滑动一个节距,定尺绕组感应电势就变化了一个周期,即

eA=Ku

–Acosθ（3-11） 式中:;

K——滑尺和定尺的电磁耦合系数；

θ——滑尺和定尺相对位移的折算角。 若绕组的节距为W,相对位移为l,则 （3-12）

同样,当仅对正弦绕组B施加交流激磁电压UB时,定尺绕组感应电势为

e

B=-Ku

Bsinθ （3-13） 对滑尺上两个绕组同时加激磁电压,则定尺绕组上所感应的总电势为 e=e

A+eB=KuA

cosθ-KuBsinθ =KUmsinωtcosω-KU

m

cosωtsinω =KUmsin(ωt-θ) （3-13） 从上式可以看出,感应同步器把滑尺相对定尺的位移l的变化转成感应电势相角θ的变化。因此,只要测得相角θ,就可以知道滑尺的相对位移l： （3-15） （2）鉴幅式。在滑尺的两个绕组上施加频率和相位均相同,但幅值不同的交流激磁电压uA和uB。

uA=Umsinθ-1sinωt（3-16）

uB=Umcosθ-1sinωt（3-17） 式中:θ1——指令位移角。 设此时滑尺绕组与定尺绕组的相对位移角为θ,则定尺绕组上的感应电势为

e=KuAcosθ-KuBsinθ=KUm(sinθ-1cosθ-cosθ-1sinθ)sinωt=KUmsin(θ1-θ)sinωt（3-18）3.3速度、加速度检测 3.3.1直流测速机速度检测 图3-21所示为永磁式测速机的原理图。图3-21永磁式测速机的原理图 直流测速机的输出特性曲线如图3-22所示。图3-22直流测速机的输出特性 3.3.2光电式转速传感器 光电式转速传感器是一种角位移传感器,由装在被测轴(或与被测轴相连接的输入轴)上的带缝隙圆盘、光源、光电器件和指示缝隙盘组成,如图3-23所示。图3-23光电式转速传感器的结构原理图 根据测量单位时间内的脉冲数N,则可测出转速为 （3-19） 式中:

Z——圆盘上的缝隙数；

n——转速(r／min)；

t——测量时间(s)。 一般取Z=60×10m(m＝0,1,2,…)。利用两组缝隙间距W相同,位置相差（i／2+1／4）W（i＝0,1,2,…）的指示缝隙和两个光电器件,就可辨别出圆盘的旋转方向。应变式传感器加速度测试原理如图3-24所示,它通过测试惯性力引起弹性敏感元件的变形换算出力的关系。

图3-24应变式加速度传感器图3-25晶体的压电原理1.压电效应及压电材料 图3-25表示晶体切片在z轴和y轴方向受压力和拉力时电荷产生方向的情况。 2.压电传感器的结构及特性 压电传感器一般由两片或多片压电晶体粘合而成,由于压电晶片有电荷极性,因此接法上分成并联和串联两种（如图3-26所示)。图3-26压电传感器的并联、串联示意图(a)并联；(b)串联 3.压电传感器的应用 压电加速度测试传感器的结构如图3-27所示。图3-27压电加速度传感器的结构3.3力、扭矩和流体压强检测 3.3.1力、力矩检测 1.柱形或筒形弹性元件 如图3-28所示,这种弹性元件结构简单,可承受较大的载荷,常用于测量较大力的拉（压）力传感器中,但其抗偏心载荷和测向力的能力差,制成的传感器高度大。应变片在柱形和筒形弹性元件上的粘贴位置及接桥方法如图3-28所示。图3-28柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器 若在弹性元件上施加一压力p,则筒形弹性元件的轴向应变εL为 用电阻应变仪测出的指示应变为

ε=2(1+μ)εL（3-21） 式中:;

p——作用于弹性元件上的载荷；

E——圆筒材料的弹性模量；

μ——圆筒材料的泊松系数；

A——筒体截面积,A=π(D1-D2)+2／3。其中,D1为筒体外径,D2为筒体内径。(3-20) 2.梁式弹性元件 （1）悬臂梁式弹性元件。它的特点是结构简单,容易加工,粘贴应变片方便,灵敏度较高,适用于测量小载荷的传感器。图3-29所示为一截面悬臂梁弹性元件,在其同一截面正反两面粘贴应变片，组成差动工作形式的电桥输出。图3-29悬臂梁式测力传感器示意图 若梁的自由端有一被测力p,则应变片感受的应变为 电桥输出为

USC=KεU

0（3-23） 式中:;

l——应变计中心处距受力点距离；

b——悬臂梁宽度；

h——悬臂梁厚度；

E——悬臂梁材料的弹性模量；

K——应变计的灵敏系数。(3-22) （2）两端固定梁。这种弹性元件的结构形状、参数以及应变片粘贴组成桥的形式如图3-30所示。它的悬臂梁刚度大,抗侧向能力强。粘贴应变片感受应变与被测力p之间的关系为

（3-23）

它的电桥输出与式（3-23）相同。图3-30两端固定式测力传感器示意图 （3）梁式剪切弹性元件。 与梁式弹性元件相比,它的线性好、抗偏心载荷和侧向力的能力大,其结构和粘贴应变片的位置如图3-31所示。图3-31梁式剪切型测力传感器示意图 粘贴应变片处的应变与被测力p之间的关系近似为 （3-25） 式中:G为弹性元件的剪切模量；b和h为粘贴应变片处梁截面的宽度和高度。 3.扭矩测量图3-32所示为电阻应变转矩传感器。它的弹性元件是一个与被测转矩的轴相连的转轴,转轴上贴有与轴线成35°的应变片,应变片两两相互垂直,并接成全桥工作的电路方式。应变片感受的应变与被测试件的扭矩MT的关系如下式：图3-32转矩传感器示意图

MT=2GWT（3-26） 式中:G=E/2（1+μ）为剪切弹性量；WT为抗扭截面模量,实心圆轴的WT=πD+3/16,空心圆轴的WT=πD3(1-α+3)/16,α=d/D,d为空心圆柱内径,D为外径。 3.3.2流体压强传感器 1.膜式压力传感器 它的弹性元件为四周固定的等截面圆形薄板,又称平膜板或膜片。其一表面承受被测分布压力,另一侧面贴有应变片。应变片接成桥路输出,如图3-33所示。图3-33膜式压力传感器 膜片上粘贴应变片处的径向应变εr和切向应变εt与被测力p之间的关系为 式中:;

x——应变计中心与膜片中心的距离；

h——膜片厚度；

r——膜片半径；

E——膜片材料的弹性模量；

μ——膜片材料的泊松比。（3-27）（3-28） 为保证膜式传感器的线性度小于3％,在一定压力作用下,要求

2.筒式压力传感器 如图3-33所示,工作应变片R1、R3沿圆周方向贴在筒壁上,温度补偿应变计R2、R3贴在筒底壁上,并接成全桥线路。这种传感器适用于测量较大压力。对于薄壁圆筒(壁厚与臂的中面曲率半径之比<1／20),筒壁上工作应变计处的切向应变与被测压力p的关系,可用下式求得：(3-29)图3-33筒式压力传感器

对于厚壁圆筒（壁厚与中面曲率半径之比大于1／20）,则有 （3-31） 式中:;

D1——圆筒内孔直径；

D2——圆筒的外壁直径；

E——圆筒材料的弹性模量；

μ——圆筒材料的泊松系数。（3-30）3.4位置传感器

3.4.1接触式位置传感器

1.由微动开关制成的位置传感器

2.二维矩阵式配置的位置传感器

3.4.2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：电磁式、光电式、静电容式，气压式和超声波式。其基本工作原理可用图表示出来

1.电磁式传感器高频振荡电路在检测部分有检测线圈，检测对象为金属体。当开关接近金属体时，检测线圈的电感量发生变化，使振荡回路停振，检测出这一停振变化，产生输出信号。高频振荡电路金属体检波电路波形整形电路输出电路

2.电容式传感器

电容式接近开关在检测部分采用导体电极，当电极与被测物一接近，检测部分的导体电极与被测对象之间产生静电电容变化。利用这一现象制成电容式接近开关，检测出这一电容量的变化，产生输出信号。检测物体高频震荡电路检波电路整形电路输出电路电极板(检测头) 3.光电式传感器

3.5传感器前级信号处理 3.5.1测量放大器 图3-35为三个运放组成的测量放大器,差动输入端U1和U2分别是两个运算放大器(A1、A2)的同相输入端,因此输入阻抗很高。采用对称电路结构,而且被测信号直接加入到输入端上,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：

如果图3-35中左边两个运放采用7650,这将是非常优质的放大。(3-32)(3-33)图3-35测量放大器原理图 AD522主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。由于AD522具有低电压漂移(2μV/℃)、低非线性(0.005％，增益为100时)、高共模抑制比(>110dB,增益为1000时)、低噪声(1.5V（P-P）,0.1～100Hz)、低失调电压(100V)等特点,因而可用于许多12位数据采集系统中。图3-36为AD522的典型接法。图3-36AD522的外围电路 利用数据防护端可以克服上述影响（如图3-37所示）。对于无此端子的仪器用放大器,如AD523、AD623等,可在RG2(如图3-30所示)端取得共模电压,再用一运放作为它的输出缓冲屏蔽驱动器。运放应选用具有较低偏流的场效应管运放,以减少偏流流经增益电阻时对增益产生的误差。

图3-37AD522的典型应用 3.5.2程控增益放大器 图3-38即为一利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为 （3-33） 而当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为 （3-35） 选择不同的开关闭合,即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择,即可实现程控增益变换。图3-38程控增益放大器原理图 图3-39为AD521测量放大器与模拟开关结合组成的程控增益放大器,通过改变其外接电阻R的办法可实现增益控制。图3-39由AD521和模拟开关构成的程控增益放大器 图3-30为AD523的结构原理图,其特点是具有低失调电压（50mV）,低失调电压漂移（0.5μV/℃）,低噪声(0.3μV（P-P）,0.1～10Hz),低非线性（0.003％,增益为1时）,高共模抑制比（120dB,增益为1000时,增益带宽为25MHz),具有输入保护等。从其结构图可知,对于1,10,100和1000倍的整数倍增益,无需外接电阻,在具体使用时只需一个模拟开关的控制即可达到目的；对于其他倍数的增益控制,也可用外接增益调节电阻的方法来实现,同样也可用改变反馈电阻与D/A转换器的结合、甚至改变其参考端电压的方法来实现程控增益。图3-30AD523原理图 3.5.3隔离放大器 由于隔离放大器采用了浮离式设计,消除了输入、输出端之间的耦合,因此还具有以下特点： （1）能保护系统元件不受高共模电压的损害,防止高压对低压信号系统的损坏。 （2）泄漏电流低,对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。 （3）共模抑制比高,能对直流和低频信号(电压或电流)进行准确、安全的测量。

图3-31为283型隔离放大器的电路结构图。为提高微电流和低频信号的测量精度,减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器；输出部分包括解调器和滤波器,一般在滤波器后还有缓冲放大器。图3-31283型隔离放大器的电路结构图3.6传感器接口技术 3.6.1传感器信号的采样/保持 在对模拟信号进行模/数变换时,从启动变换到变换结束的数字量输出,需要一定的时间,即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时,由于孔径时间的存在,会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将信号电平保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化,即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器。从上面的分析也可知,采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。在模拟量输出通道,为使输出得到一个平滑的模拟信号,或对多通道进行分时控制时,也常使用采样/保持器。 1.采样/保持器的原理 采样/保持器由存储电容C,模拟开关S等组成,如图3-42所示。图3-42采样/保持原理 2.集成采样/保持器

集成采样／保持器的特点是： （1）采样速度快、精度高,一般在2~2.5s内即可达到±0.01％～±0.003％的精度。 （2）下降速率慢,如AD585,AD338为0.5mV／ms,AD389为0.1V／ms。 正因为集成采样／保持器有许多优点,因此得到了极为广泛的应用。下面以LF398为例,介绍集成采样／保持器的原理。图3-43为LF398的原理图。由图可知,其内部由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。图3-33LF398的原理图 主要技术指标有： （1）工作电压：±5～±18V。 （2）采样时间：≤10μs。 （3）可与TTL、PMOS、CMOS兼容。 （3）当保持电容为0.01μF时,典型保持步长为0.5mV （5）低输入漂移,保持状态下输入特性不变。 （6）在采样或保持状态时高电源抑制。

图3-43为LF398的外引脚图,图3-45为其典型应用图。在有些情况下,还可采取两级采样保持串联的方法,选用不同的保持电容,使前一级具有较高的采样速度而使后一级保持电压下降速率慢,两级结合构成一个采样速度快而下降速度慢的高精度采样／保持电路,此时的采样总时间为两个采样／保持电路时间之和。图3-43LF398的外引脚图图3-45LF398的典型应用图 3.6.2多通道模拟信号输入 1.常用多路模拟开关集成电路 1）单端8通道 AD7501是单片集成的CMOS8选1多路模拟开关,每次只选中8个输入端的一路与公共端接通,选通通道是根据输入地址编码而得到的。所有数字量输入均可用TTL或CMOS电路。图3-46为AD7501的外引脚图和原理图。 图3-46AD7501的外引脚原理图。 AD7501的主要参数有： (1)导通电阻Ron的典型值为170（-10V≤VS≤10V）,导通电阻温漂为0.5％／℃,路间偏差为3％。 (2)输入电容：3pF。 (3)开关时间：ton=0.8μs,toff=0.8μs。 (3)极限电源电压：UDD＝+17V,USS＝-17V。 2）单端16通道 AD7506为单端16选1多路模拟开关,图3-37为AD7506的外引脚图和原理图。图3-47AD7506的外引脚图和原理图 (1)导通电阻Ron＝300。导通电阻温漂为0.5％／℃,路间偏差为3％。 (2)开关时间：ton=0.8μs,toff=0.8μs。 (3)极限电源电压：UDD＝＋17V,USS＝-17V。 3）差动3通道 AD7502是差动3通道多路模拟开关,其主要特性与AD7501的基本相同,但在同选通地址情况下有两路同时选通。其外引脚和原理图如图3-38所示。图3-38AD7502的外引脚图和原理图 2.多路模拟开关应用举例 在许多机电一体化产品中,都需要用到多路模拟量输入情况,此时可采用多路模拟开关来实现。图3-39为利用AD7501组成的8路模拟量输入通道。对于16路输入情况,可使用两片AD7501组合而成,见图3-50。图3-39AD75018路输入图3-50两片AD7501组成16路输入 3.多路开关选用时的注意事项 （1）对于传输信号电平较低的场合,可选用低压型多路模拟开关,这时必须在电路中有严格的抗干扰措施,一般情况下选用常用的高压型。 （2）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合,如利用铂电阻测量缓变温度场,就可选用机械触点式开关。但在输入通道较多的场合,应考虑其体积问题。 （3）在切换速度要求高、路数多的情况下,宜选用多路模拟开关。在选用时应尽可能根据通道量选取单片模拟开关集成电路,因为在这种情况下每路特性参数可基本一致；在使用多片组合时,也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。 （3）在选择多路模拟开关的速度时,要考虑到其后级采样保持电路和A／D的速度,只需略大于它们的速度即可,不必一味追求高速。 （5）在使用高精度采样/保持A／D进行精密数据采集和测量时,需考虑模拟开关的传输精度问题,尤其需注意模拟开关漂移特性。因为如果性能稳定,即使开关导通电阻较大,也可采取补偿措施来消除影响；但如果阻值和漏电流等漂移很大,将会大大影响测量精度。3.7传感器非线性补偿处理 在完成了非线性参数的线性化处理以后,要进行工程量转换,即标度变换,才能显示或打印带物理单位(如℃)的数值,其框图如图3-51。图3-51数字量非线性校正框图 下面介绍非线性软件处理方法。 用软件进行“线性化”处理的方法有三种： 1.计算法 2.查表法 程序流程图,如图3-52所示。图3-52顺序查表法程序流程图 3.插值法 1）插值原理 设某传感器的输出特性曲线（例如电阻—温度特性曲线）如图3-53所示。图3-53分段先行插值原理 设x在（xi,xi+1）之间,则其对应的逼近值为

（3-36） 将上式进行化简,可得

y=y

i+ki(x-xi)（3-37） 或

y=yi0+k

ix（3-38） 其中,yi0=yi-k

ixi为第i段直线的斜率。 式（3-37）是点斜式直线方程,而式（3-38）为截矩式直线方程。上两式中,只要n取得足够大,即可获得良好的精度。 2）插值法的计算机实现 下边以点斜式直线方程（3-37）为例,讲一下用计算机实现线性插值的方法。 第一步,用实验法测出传感器的变化曲线y=f（x）。 第二步,将上述曲线进行分段,选取各插值基点。 第三步,确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki,并存放在存储器中。 第四步,计算x-xi。 第五步,找出x所在的区域（xi,xi+1）,并取出该段的斜率ki。 第六步,计算ki(x-xi)。 第七步,计算结果y=yi+ki（x-xi）。 程序框图见图3-53。图3-53先行插值计算程序流程图3.8传感器输出信号的数字滤波

在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含有各种干扰信号，它们主要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。

数字滤波就是通过一定算法程序的计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，提高信噪比。它与硬件滤波器相比具有以下优点：(1)数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性。(2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。(3)灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。正因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越来越广泛的应用。数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。3.8.1算术平均值法

式中:xi——第i次采样值；Y——数字滤波的输出；N——采样次数。N的选取应按具体情况决定。若N大，则平滑度高，灵敏度低，但计算量较大。一般而言，对于流量信号，推荐取N＝12；压力信号取N=4。3.8.2中值滤波法

所谓“中值滤波法”，就是对某一个被测量连续采样n次(一般取奇数)，然后把n个采样值从小到大(或从达到小)排序，再取中间值作为本次采样的结果。X1<X2<X3<X4<X5，取X3中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动(脉冲)或采样器的不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰。对缓慢变化的过程变过采用中值滤波有效果。中值滤波不宜用于快速变化的过程参数。3.8.3防脉冲干扰复合滤波法

将算术平均值法和中值滤波法结合起来，便可得到防脉冲干扰平均值法。它是先用中值滤波原理滤除由于脉外干扰引起误差的采样值，然后把剩下的采样值进行算术平均。

3.9智能传感器3.9.1智能传感器的概念

智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。3.9.2智能传感器的功能与特点智能传感器的功能概括起来主要有以下7个；自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。(2)自校准功能:操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。(3)自诊断功能:接通电源后,可对传感器进行自检,检查传