传感器及其接口技术

第四章传感器及其接口技术

4.1概述

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)需要测量与控制，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。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：传感器是一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。

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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)转换成电量参数(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。直接转换与间接转换传感器的组成

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：(1)量程或测量范围传感器预期要测量的被测量值的范围，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。(2)过载能力传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。2.关于输入输出关系的静态特性(1)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。(2)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。(3)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。(4)灵敏度传感器输入增量与输出增量之比；(5)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。3.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。在被测信号变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性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;1、

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；2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、数字型和模拟型，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。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＜INonINoff与INon的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。二值型传感器的实用特性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；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。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户常需位移测量，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位移为基础的。

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。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。n=60N/Ztn—转速r/mint–测量时间sN---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—物体的一种传感器。

(1)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二维矩阵式配置的位置传感器1、柔软电极2、柔软绝缘体(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：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。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CMOS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)时间断续采样定理设信号最高频率为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，它定义为量化器的满量程电压FSR与2n的比值；q=FSR/2n例当FSR=10V,n=8时q=39.1mv当FSR=10V,n=12时q=2.44mv当FSR=10V,n=16时q=0.15mv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。根据比较的工作原理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

去留码规则，UI>=UF保留1UI<UF不保留1,置零UF=UREF(2-1a1+2-1a2…..+2-nan)AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：

分辨率：12位

非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS

转换速率：25us

模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种

电源电压：±15V和5V

数据输出格式：12位/8位12位逐次逼近式A/D转换器AD574与单片机8051的接口电路(2)双斜积分式A/D转换器结构与工作原理ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D转换器。在要求转换速度不太高的场合，如用于称重测力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL7109。ICL7109主要有如下特性：(1)高精度(12位)(2)低噪声(典型值为15μVP-P);(3)低漂移(＜1μV/℃)；(4)高输入阻抗(典型值1012Ω);(5)低功耗(＜20mW);(6)转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；ICL7109与8031接口电路3采样/保持器

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，可能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”。采样保持器的组成与工作原理单片集成采样/保持电路LF198在LF198中，采用了双极型与CMOS型混合工艺。当CH=0.01uF时，输出电压