第三章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传感器3.2位移测量传感器3.3速度、加速度传感器3.4位置传感器3.5传感器前期信号处理3.6传感器接口技术1一、机械量传感器分类传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。

3.1传感器的分类及特性2按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、力矩传感器等。压力传感器扭矩传感器角位移传感器位移传感器一、机械量传感器分类光栅位移传感器3按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、光电式、超声波式等等。压电式加速度传感器激光位移传感器光纤式位移传感器超声波位移传感器传感器电感式位移传感器4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）51、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。非线性度迟滞灵敏度二、传感器的特性61、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。二、传感器的特性4.精度传感器的精度是指测量结果的可靠程度，是测量中各类误差的综合反映。工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，代表传感器测量的最大允许误差，即相对误差。5.分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。71、静态响应特性当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出－输入特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。6测量范围传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。7.量程传感器测量范围的上限值与下限值的代数差-称为量程。8.零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。82、动态特性动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。调整时间峰值时间最大超调量振荡次数延迟时间Ts上升时间Tr1）时域指标二、传感器的特性92）频域指标可以用幅频特性和相频特性描述二、传感器的特性10二阶系统的脉冲输入和响应

二阶系统的阶跃输入和响应

两种典型的输入响应：二、传感器的特性11

3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；12作业

1、传感器的性能指标有哪两大类，各包括那些内容？2、传感器的选用原则是什么？133.2位移测量传感器

3.2.1模拟式位移传感器 1.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。14一、电感式位移传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转换为电感量的变化。

3.2位移传感器分类:电感式传感器自感型可变磁阻气隙型涡流式互感型可变磁阻面积型可变磁阻螺线管型15自感L可表示为：灵敏度：1）可变磁阻式气隙型电感传感器1、自感型电感式传感器16如果将δ固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、可变气隙差动型、单螺管线圈型。1、自感型电感式传感器当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

灵敏度k为17可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、可变气隙差动型、单螺管线圈型。1、自感型电感式传感器

螺线管型自感传感器——如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。18差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，e1<e2，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。2、互感型电感式传感器192、互感型电感式传感器优点：差动变压器式电感位移传感器测量精度高，分辨力可达0.1μm,线性范围大，有的能达到250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。201）自感型电涡流式电感传感器高频反射式涡流传感器：高频(>1MHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。若只改变距离δ而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化。3、电涡流式传感器21低频透射式涡流传感器：发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈ω2产生感应电动势e2，且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。3、电涡流式传感器2）互感型电涡流式电感传感器22二、电容式位移传感器电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。

式中：ε0——真空的介电常数；s——极板的遮盖面积；ε——极板间相对介电系数；δ——两平行极板间的距离。231、极距变化型电容式传感器如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：传感器的灵敏度为：二、电容式位移传感器242、面积变化型电容式传感器动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：电容量为：其灵敏度为：二、电容式位移传感器253、介质变化型电容式传感器的变换原理这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。二、电容式位移传感器264、电容式传感器的测量电路

电容传感器为电桥的一部分。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。1）电桥电路二、电容式位移传感器27电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。2）谐振电路二、电容式位移传感器283）运算放大器电路

前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压约与位移的关系转换为线性关系。如图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为二、电容式位移传感器29作业１.简述电容式位移传感器的工作原理，对其灵敏度分析并据此说明应用条件。二、电容式位移传感器30图3-6可变磁阻式电感传感器31

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）32

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）。33

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）34

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）35图3-7可变磁阻差动式传感器36图3-8可变磁阻面积型电感传感器37

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。38图3-9可变磁阻螺管型传感器392.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。

40(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。

41(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。

42(1)变极距式电容传感器43(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

44(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。45(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

46(1)变极距式电容传感器47(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。

48

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。49

3.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。

50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

51

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52

图3-14是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图。

图3-14螺旋差动型传感器的结构图53

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。

54图3-15光栅测量原理

55图3-16莫尔条纹示意图56

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)57图3-17光栅测量系统58感应同步器

感应同步器是一种应用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种检测元件，有直线式和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。59

滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图3-18。

60图3-18感应同步器原理图61

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1/4节距。62图3-19圆盘式感应同步器（a）定子；（b）转子63

（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。64图3-20滑尺绕组位置与定尺感应电势幅值的变化关系65

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=KuAcosθ（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）66

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) （3-14）67

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）68

（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=Umsinθ1sinωt（3-16）

uB=Umcosθ1sinωt（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(sinθ1cosθ-cosθ1sinθ)sinωt=KUmsin(θ1-θ)sinωt（3-18）693.3速度、加速度传感器

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。70图3-21永磁式测速机的原理图71

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72

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。73图3-23光电式转速传感器的结构原理图74

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Zt=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。753.3.3加速度传感器检测 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。

76图3-24应变式加速度传感器77

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。

78图3-25晶体的压电原理79

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)。80图3-26压电传感器的并联、串联示意图(a)并联；(b)串联81

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823.4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83

2.二维矩阵式配置的位置传感器84

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

85

3.4.2接近式位置传感器

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86

3.4.2接近式位置传感器

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)87

3.4.2接近式位置传感器

3.光电式传感器883.5传感器前期信号处理3.5.1测量放大器89AD522的外围电路AD522集成测量放大器主要可用于恶劣环境下要求进行高精度数据采集的场合。90AD522的典型应用91 3.5.2程控增益放大器

（3-34） 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。92程控增益放大器原理图当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为而当S2闭合,而其余两个开关断开时，其放大倍数为3.5.2程控增益放大器93AD521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。94AD524原理图从其结构图可知,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。95 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。