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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。
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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。
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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。
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
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传感器的组成
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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
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。
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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. 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。
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(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。
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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)
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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；
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：
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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。
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。
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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。 二值型传感器的实用特性
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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。
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。
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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。
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。
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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；
4.1.5 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。
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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。
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。
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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。
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。
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n = 60N/Zt n—转速 r/min t –测量时间 s N ---t内的脉冲个数 Z --- 圆盘上的缝隙个数
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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。
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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。
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(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
(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
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二维矩阵式配置的位置传感器 1、柔软电极 2、柔软绝缘体
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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。
(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
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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；
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。
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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。
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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
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
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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。
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。
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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。
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
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UF = UREF(2-1a1 + 2-1a2 ….. +2-nan)
去留码规则， UI >= UF 保留 1 UI <UF 不保留 1, 置零 UF = UREF(2-1a a2 ….. +2-nan)
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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
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
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12位逐次逼近式A/D转换器AD574与单片机8051的接口电路
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(2) 双斜积分式A/D转换器 结构与工作原理
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(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；
ICL 7109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ICL 7109。 ICL 7109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；
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ICL 7109与8031接口电路
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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。
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”。
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采样保持器的组成与工作原理
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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，输出电压的下降率达到10-3 mv/s 以下.
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4 模拟多路开关 在机电一体化系统中，经常对许多传感器信号进行采集和控制。如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅成本比单路成倍的增加，还会导致系统体积庞大，且由于模拟器件，阻容元件参数和特性不一致，对系统的校准带来很多困难。因此除特殊情况下，多采用公共的采样/保持及A/D转换电路。要实现这种设计，往往需要采用模拟多路开关，将各路信号按照一定的顺序切换到后续电路中。
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CD 4051 模拟多路开关的组成与工作原理
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5 测量放大器 在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。 下图为三个运放组成的测量放大器，差动输入端UI1和UI2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：
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为了提高共模抑制比和降低温飘的影响，测量放大器采用对称结构， 即取R1=R2，R3=R4, R5=R6, 则增益 K 可由下式计算
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常用的测量放大器(仪表放大器)AD620的典型应用电路
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(1) 多通道一般型 6 传感器模拟量接口的几种形式
6 传感器模拟量接口的几种形式 (1) 多通道一般型 特点：适合于中低速采样，在A/D转换器为逐次逼近式的情况下，必须加采样保持器。在采用间接比较式A/D转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低接口成本。 结构与工作过程：
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特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。 结构与工作过程：
(2) 多通道同时采样共享A/D转换器型 特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。 结构与工作过程：
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特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路信号的相位，成本较高。 结构与工作过程：
(3) 多通道并行A/D转换型 特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路信号的相位，成本较高。 结构与工作过程：
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以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路。
4.3 传感器的非线性补偿处理 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行测量、显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系．使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。 以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路。 非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。
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常用的非线性软件处理方法主要有两种：插值法和计算法
插值法
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4.3.2 拟合计算法 1、对所给的数据点，寻找一条曲线，使得在同一坐标点xi处，曲线上的点与实测的数据之间的误差平方和最小，以这种度量方法确定拟合曲线称为最小二乘原理。
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4.4 传感器输出信号的数字滤波 它与硬件滤波器相比具有以下优点：
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。
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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。
4.4.1 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。
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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。
4.4.2 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。
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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。
4.4.3 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。
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4.3 智能传感器 4.3.1 智能传感器的概念 4.3.2 智能传感器的功能与特点
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。 4.3.2 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,检查传感器各部分是否正常, 并可诊断发生故障的部件。 (4) 数值处理功能: 可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计 处理,剔除异常值等。
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理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调 节和控制。
(5) 双向通信功能: 微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处 理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调 节和控制。 (6) 信息存储和记忆功能。 (7) 数字量输出功能: 输出数字信号,可方便的和计算机或接口总线相连。 目前研制的智能传感器通常只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化, 而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、Ａ/Ｄ转换等)、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成如图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。
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4.3.3 智能传感器的组成与结构 智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电路组成,其结构框图如下图所示
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智能传感器结构原理框图
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智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可以分为模块式、混合式和集成式三种形式。
1 初级的智能传感器由许多互相独立的模块组成,如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内,体积较大,但在目前的技术水平下,仍不失为一种实用的结构形式。 2 将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上,则构成混合式的智能传感器(Hybrid Smart Sensor)。 3 集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。
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4.5.4 智能传感器的应用 智能传感器最早应用在航天领域。飞船中需要测量大量参数,有反映运行轨道的速度、加速度、姿态、方位等参数,有反映宇航员生存环境的温度、湿度、气压、空气成分等参数,因此需要大量的传感器。这些大量的原始数据若直接送到计算机中,无疑会增加主计算机的负担,影响处理速度。为了提高效率和可靠性,采用分布处理的方法,即将这些数据先经过各自的处理系统进行预处理,然后再传送至主机进行集中处理。这就是在美国宇航局开发宇宙飞船时所开发的智能传感器主要目的。由于智能传感器和多功能传感器的功能强,集成度高,体积小,因此可以大大减少传感器的数量和连接电缆线的重量,这恰是导弹、卫星、宇宙飞船等飞行器所需要的,所以它们在航空航天领域中起着非常重要的作用。
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在工业生产中,随着生产过程自动化的发展,采集的数据越来越多,需要使用大量传感器和计算机。特别是需要智能传感器。
智能传感器及多功能传感器在机器人等机电一体化系统中有广阔的应用前景。如视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器等。特别是智能机器人,需要根据采集的信息进行识别、判断、决策。智能传感器如同人的五官,可以使机器人具有感知功能。 现在一些国家在研究开发可以识别物体形状的智能触觉传感器,分辨不同气体的智能嗅觉传感器。 随着智能传感器的不断发展,它们将在工业、科技、国防等各个部门得到更广泛的应用。
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