第三章傳感檢測(cè)技術(shù)(新

1、本章導(dǎo)讀在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，無(wú)論是機(jī)械電子化產(chǎn)品（如數(shù)控機(jī)床），還是機(jī)電相互融合的高級(jí)產(chǎn)品（如機(jī)器人），都離不開檢測(cè)與傳感器這個(gè)重要環(huán)節(jié)。若沒(méi)有傳感器對(duì)原始各種參數(shù)進(jìn)行精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，那么，信號(hào)轉(zhuǎn)換、信息處理、正確顯示、控制器的最佳控制等都是無(wú)法進(jìn)行和實(shí)現(xiàn)的。本章首先解釋傳感器的基本概念和組成，并介紹傳感檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成。其次對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用傳感器的分類進(jìn)行詳細(xì)介紹。再次對(duì)傳感器的特性、選用原則、校準(zhǔn)及安裝進(jìn)行說(shuō)明。隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，因此，本章最后簡(jiǎn)要介紹了傳感檢測(cè)電路及其計(jì)算機(jī)接口。學(xué)習(xí)內(nèi)容與要求1.掌握傳感器的組成和分類；2.熟悉根據(jù)機(jī)電

2、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求選用傳感器；3.了解傳感器的校準(zhǔn)及安裝方法；4.熟悉傳感器的測(cè)量電路、計(jì)算機(jī)接口及其主要性能指標(biāo)。本章重點(diǎn)1.傳感器的組成和使用方法；2.根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求選用傳感器；3.傳感器的測(cè)量電路、計(jì)算機(jī)接口及其主要性能指標(biāo)；4.傳感器的校準(zhǔn)及安裝方法。本章難點(diǎn)1.傳感器的組成和使用方法；2.常用傳感器的特性及選用方法。媒體使用說(shuō)明學(xué)生可以通過(guò)文字教材理解傳感器的基本概念、傳感檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、傳感器的選用方法、傳感器測(cè)量電路與計(jì)算機(jī)接口等知識(shí)。結(jié)合流媒體課件著重學(xué)習(xí)本章主要知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)流媒體課件中二維或三維動(dòng)畫仿真演示，深入理解課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。在錄像教材中，主要介紹傳感器測(cè)

3、量電路及其計(jì)算機(jī)接口。3.1傳感檢測(cè)技術(shù)概述在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會(huì)中，人類已進(jìn)入瞬息萬(wàn)變的信息時(shí)代。在從事工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)中，對(duì)信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理是極其重要的。傳感器處于研究對(duì)象與測(cè)控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測(cè)信息的窗口。科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)要獲取信息，都要通過(guò)傳感器將其轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號(hào)。傳感器的水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)水平的標(biāo)志之一，它的發(fā)展水平、生產(chǎn)能力和應(yīng)用領(lǐng)域已成為一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。從生產(chǎn)實(shí)踐看，從人們?nèi)粘５囊率匙⌒械礁鞣N復(fù)雜的工程，都離不開傳感器。例如，工廠自動(dòng)化的柔性制造系統(tǒng)、計(jì)

4、算機(jī)集成制造系統(tǒng)、大型發(fā)電廠、飛機(jī)（一架飛機(jī)上裝有幾千只傳感器）、武器指揮系統(tǒng)、雷達(dá)、宇宙飛船、海洋探測(cè)器、各種家用電器、報(bào)警器、環(huán)境監(jiān)測(cè)器、醫(yī)療衛(wèi)生器械、生物工程等都依靠不同性質(zhì)的傳感器來(lái)獲取所需要的信息。3.1.1傳感器及其組成1.傳感器的定義傳感器好比人的五官，人通過(guò)五官即眼（視覺(jué)）、耳（聽覺(jué)）、鼻（嗅覺(jué)）、舌（味覺(jué)）、四肢（觸覺(jué)）感知和接收外界信息，然后通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)控制系統(tǒng)的“電五官”，它感測(cè)到外界的信息，然后反饋給系統(tǒng)的處理器即“電腦”進(jìn)行加工處理。人與傳感器的關(guān)系如圖3-1所示。圖3-1人與傳感器的關(guān)系傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與

5、之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。其具體含義包括以下幾方面：（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；（2）它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；（3）它的輸出量是某種物理量，且這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，另外，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；（4）輸出/輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。2.傳感器的組成傳感器的輸出信號(hào)通常是電量，因?yàn)樗阌趥鬏?、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件及其他輔助部件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺?/p>

6、或響應(yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大和運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可以安裝在傳感器的殼體里，也可以與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助電源，因此，信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。傳感器組成框圖如圖3-2 所示。圖3-2傳感器組成框圖（1）敏感元件。它能直接感受被測(cè)非電量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)非電量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的其他物理量。

7、（2）轉(zhuǎn)換器件（又稱變換器、傳感器件）。將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變、 光強(qiáng)等）轉(zhuǎn)換成電路參量。（3）信號(hào)調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換）電路。將轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等，以獲得便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)。（4）輔助電源。它的作用是提供能源。有的傳感器需要外部電源供電；有的傳感器則不需要外部電源供電，如壓電傳感器。3.1.2傳感檢測(cè)系統(tǒng)盡管現(xiàn)代檢測(cè)儀器和檢測(cè)系統(tǒng)的種類、型號(hào)繁多，用途、性能千差萬(wàn)別，但它們的作用都是用于各種物理或化學(xué)成分等參量的檢測(cè)，其組成單元按信號(hào)傳遞的流程來(lái)區(qū)分，通常由各種傳感器（變送器）將非電被測(cè)物理或化學(xué)成分參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)調(diào)理（信號(hào)轉(zhuǎn)

8、換、信號(hào)檢波、信號(hào)濾波、信號(hào)放大等）、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理后顯示并輸出。以上設(shè)備以及系統(tǒng)所需的交、直流穩(wěn)壓電源和必要的輸入設(shè)備便組成了一個(gè)完整的傳感檢測(cè)系統(tǒng)。傳感檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖如圖3-3所示。圖3-3傳感檢測(cè)系統(tǒng)的組成框圖1.傳感器傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的器件或裝置。它的作用是感受指定被測(cè)參量的變化并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)相應(yīng)的便于傳遞的輸出信號(hào)。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換部分組成，其中，敏感元件為傳感器直接感受被測(cè)參量變化的部分，轉(zhuǎn)換部分的作用通常是將敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為便于傳輸和后續(xù)環(huán)節(jié)處理的電信號(hào)。2.信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用是對(duì)傳感器輸出的微弱信

9、號(hào)進(jìn)行檢波、轉(zhuǎn)換、濾波和放大等，以方便檢測(cè)系統(tǒng)后續(xù)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理或顯示。對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的一般要求有以下兩方面：（1）能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定放大、可靠地傳輸信號(hào)；（2）信噪比高，抗干擾性能要好。3.數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集（系統(tǒng)）在檢測(cè)系統(tǒng)中的作用是對(duì)信號(hào)調(diào)理后的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化并轉(zhuǎn)換成與模擬信號(hào)電壓幅度相對(duì)應(yīng)的一系列數(shù)值信息，同時(shí)以一定的方式把這些轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給微處理器或依次自動(dòng)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常以各類模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器為核心，輔以模擬多路開關(guān)、采樣/保持器、輸入緩沖器、輸出鎖存器等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有：（1）輸入模擬電壓信號(hào)的范圍，單位：V；（2）轉(zhuǎn)換速度（率），單位：次/s；（

10、3）分辨率，通常以模擬信號(hào)輸入為滿度時(shí)的轉(zhuǎn)換值的倒數(shù)來(lái)表征；（4）轉(zhuǎn)換誤差，通常指實(shí)際轉(zhuǎn)換數(shù)值與理想、A/D轉(zhuǎn)換器理論轉(zhuǎn)換值之差。4.信號(hào)處理信號(hào)處理模塊是現(xiàn)代檢測(cè)儀表、檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和各種控制的中樞環(huán)節(jié)，其作用和人的大腦相類似?，F(xiàn)代傳感檢測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)處理模塊通常以各種型號(hào)的單片機(jī)、微處理器為核心來(lái)構(gòu)建，對(duì)高頻信號(hào)和復(fù)雜信號(hào)的處理有時(shí)需增加數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算速度快、處理精度高的專用高速數(shù)據(jù)處理器（DSP）或直接采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，從而使所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)獲得更高的性能價(jià)格比。5.信號(hào)顯示通常人們都希望及時(shí)知道被測(cè)參量的瞬時(shí)值、累積值或其隨時(shí)間的變化情況，因此，各類檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)處理

11、器計(jì)算出被測(cè)參量的當(dāng)前值后一般均需送至各自的顯示器作實(shí)時(shí)顯示。顯示器是檢測(cè)系統(tǒng)與人聯(lián)系的主要環(huán)節(jié)之一。顯示器一般可分為指示式、數(shù)字式和屏幕式3種。6.信號(hào)輸出在許多情況下，檢測(cè)儀表和檢測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)處理器計(jì)算出被測(cè)參量的瞬時(shí)值后除送至顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示外，通常還需把測(cè)量值及時(shí)傳送給控制計(jì)算機(jī)、可編程序控制器 （Programmable Logic Controller，PLC）或其他執(zhí)行器、打印機(jī)、記錄儀等，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)打?。ㄓ涗洠┹敵?。7.輸入設(shè)備輸入設(shè)備是操作人員和檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)聯(lián)系的另一主要環(huán)節(jié)，主要用于輸入設(shè)置參數(shù)、下達(dá)有關(guān)命令等。最常用的輸入設(shè)備是各種鍵盤、撥碼盤和條

12、碼閱讀器等。近年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化、辦公自動(dòng)化和信息化程度的不斷提高，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或各種通信總線利用其他計(jì)算機(jī)或數(shù)字化智能終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息和數(shù)據(jù)輸入的方式愈來(lái)愈普遍。最簡(jiǎn)單的輸入設(shè)備是各種開關(guān)和按鈕，模擬量的輸入和設(shè)置往往借助電位器進(jìn)行。8.穩(wěn)壓電源一個(gè)檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)往往既有模擬電路部分，又有數(shù)字電路部分，通常需要多組幅值大小要求各異但穩(wěn)定的電源。這類電源在檢測(cè)系統(tǒng)使用現(xiàn)場(chǎng)一般無(wú)法直接提供，通常只能提供交流220 V的工頻電源或+24V的直流電源。檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者需要根據(jù)使用現(xiàn)場(chǎng)的供電電源情況及檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部電路的實(shí)際需要，統(tǒng)一設(shè)計(jì)各組穩(wěn)壓電源，給系統(tǒng)各部分電路和器件分別提供它們所需的穩(wěn)定電源。

13、需要注意的是，上述各部分不是所有的檢測(cè)系統(tǒng)（儀表）全都具備的，而且對(duì)有些簡(jiǎn)單的檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其各環(huán)節(jié)之間的界線也不是十分清楚，需根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。另外，在進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于把以上各環(huán)節(jié)具體相連的傳輸通道，也應(yīng)給予足夠的重視。傳輸通道的作用是聯(lián)系儀表的各個(gè)環(huán)節(jié)，給各環(huán)節(jié)的輸入/輸出信號(hào)提供通路。它可以是導(dǎo)線、管路（如光導(dǎo)纖維）以及信號(hào)所通過(guò)的空間等。信號(hào)傳輸通道比較簡(jiǎn)單，易被人們忽視，如果不按規(guī)定的要求布置和選擇，則易造成信號(hào)損失、失真或引入干擾等，從而影響檢測(cè)系統(tǒng)的精度。3.1.3傳感器的分類傳感器技術(shù)是一門知識(shí)密集型技術(shù)，與許多學(xué)科都相關(guān)。傳感器的構(gòu)成形式多種多樣，其種類也十分繁多

14、。目前一般采用兩種分類方法：一是按被測(cè)參數(shù)分類，如溫度、壓力、位移、速度等；二是按傳感器的工作原理分類，如應(yīng)變式、電容式、壓電式、磁電式等。本章是按后一種分類方法來(lái)介紹各種傳感器的，而傳感器的工程應(yīng)用則是根據(jù)工程參數(shù)進(jìn)行敘述的。對(duì)于初學(xué)者和應(yīng)用傳感器的工程技術(shù)人來(lái)說(shuō)，應(yīng)先從工作原理出發(fā)，了解各種各樣的傳感器，而對(duì)于工程上的被測(cè)參數(shù)則應(yīng)著重于如何合理地選擇和使用傳感器。目前，傳感器比較常用的分類方法有如下幾種。1.根據(jù)被測(cè)物理量分類這種分類方法明確表示了傳感器的用途，便于使用者選擇。比如速度傳感器用于測(cè)量物體的移動(dòng)速度，位移傳感器用于測(cè)量物體的位移量，溫度傳感器用于測(cè)量溫度，壓力傳感器用于測(cè)量壓

15、力等。一些常見的非電基本物理量與其對(duì)應(yīng)的派生物理量如表3-1所示。表3-1一些常見的非電基本被測(cè)物理量及其對(duì)應(yīng)的派生物理量2.按傳感器的工作原理分類根據(jù)傳感器工作原理的學(xué)科性，一般分成物理型、化學(xué)型和生物型3類。物理型傳感器是指利用變換元件的物理效應(yīng)制成的傳感器?；瘜W(xué)型傳感器是指利用電化學(xué)效應(yīng)，將有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)的組分、濃度等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。生物型傳感器是指利用生物活性物質(zhì)的選擇性識(shí)別和測(cè)定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。具體包括以下幾種類型。（1）電學(xué)式傳感器電學(xué)式傳感器是非電量電測(cè)技術(shù)中應(yīng)用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等。電

16、阻式傳感器。是利用變阻器將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)的原理制成的。電阻式傳感器一般有電位器式、觸點(diǎn)變阻式、電阻應(yīng)變片式及壓阻式傳感器等。電阻式傳感器主要用于位移、壓力、力、應(yīng)變、力矩、氣流流速、液位和液體流量等參數(shù)的測(cè)量。電容式傳感器。是利用改變電容的幾何尺寸或改變介質(zhì)的性質(zhì)和含量，從而使電容量發(fā)生變化的原理制成的，主要用于壓力、位移、液位、厚度、水分含量等參數(shù)的測(cè)量。電感式傳感器。是利用改變磁路幾何尺寸、磁體位置來(lái)改變電感或互感的電感量或壓磁效應(yīng)原理制成的，主要用于位移、壓力、力、振動(dòng)、加速度等參數(shù)的測(cè)量。磁電式傳感器。是利用電磁感應(yīng)原理，把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電量制成的，主要用于流量、轉(zhuǎn)速和位移

17、等參數(shù)的測(cè)量。電渦流式傳感器。是利用金屬在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線，在金屬內(nèi)形成渦流的原理制成的，主要用于位移及厚度等參數(shù)的測(cè)量。（2）磁學(xué)式傳感器磁學(xué)式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應(yīng)而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測(cè)量。（3）光電式傳感器光電式傳感器在非電量電測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)中占有重要的地位。它是利用光電器件的光電效應(yīng)和光學(xué)原理制成的，主要用于光強(qiáng)、光通量、位移、濃度等參數(shù)的測(cè)量。（4）電勢(shì)型傳感器電勢(shì)型傳感器是利用熱電效應(yīng)、光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等原理制成的，主要用于溫度、磁通、電流、速度、光強(qiáng)、熱輻射等參數(shù)的測(cè)量。（5）電荷傳感器電荷傳感器是利用壓電效應(yīng)原理制成的，主要用于力及加速度的測(cè)

18、量。（6）半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、半導(dǎo)體與氣體接觸產(chǎn)生物質(zhì)變化等原理制成的，主要用于溫度、濕度、壓力、加速度、磁場(chǎng)和有害氣體的測(cè)量。（7）諧振式傳感器諧振式傳感器是利用改變電或機(jī)械的固有參數(shù)來(lái)改變諧振頻率的原理制成的，主要用來(lái)測(cè)量壓力。（8）電化學(xué)式傳感器電化學(xué)式傳感器是以離子導(dǎo)電為基礎(chǔ)制成的，根據(jù)其電特性的形成不同，電化學(xué)傳感器可分為電位式傳感器、電導(dǎo)式傳感器、電量式傳感器、極譜式傳感器和電解式傳感器等。電化學(xué)式傳感器主要用于分析氣體、液體或溶于液體的固體成分、液體的酸堿度、電導(dǎo)率及氧化還原電位等參數(shù)的測(cè)量。3.按傳感器能量的傳遞方式分類按傳感器

19、能量的傳遞方式分類，包括能量轉(zhuǎn)換型（有源）傳感器和能量控制型（無(wú)源）傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器又稱發(fā)電型傳感器，不需要外加電源而將被測(cè)能量轉(zhuǎn)換成電能量輸出。這類型傳感器有壓電式、磁電感應(yīng)式、熱電偶、壓阻式、光電池等，可以將非電量轉(zhuǎn)換為電能量。能量控制型傳感器又稱參量型傳感器，需要外加電源才能輸出電能量。這類型傳感器有電阻式、電容式、電感式、霍爾式等，還有熱敏電阻、光敏電阻和濕敏電阻等。4.按傳感器的輸入量分類按傳感器的輸入量分類，包括機(jī)、光、電和化學(xué)等傳感器，例如位移、速度、加速度、力、溫度和流量傳感器等。5.按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，有模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模

20、擬式傳感器輸出模擬信號(hào)，數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號(hào)。6.按傳感器的工作機(jī)理分類按傳感器的工作機(jī)理分類，包括結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。結(jié)構(gòu)型傳感器是指被測(cè)參數(shù)變化可引起傳感器的結(jié)構(gòu)變化，從而使輸出電量發(fā)生變化，它是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律和運(yùn)動(dòng)定律而構(gòu)成的。這種類型的傳感器主要有電感式、電容式、光柵式傳感器等。物性型傳感器是利用某些物質(zhì)的某種性質(zhì)隨被測(cè)參數(shù)而變化的原理構(gòu)成的，傳感器的性能與材料密切相關(guān)。這種類型的傳感器主要有光電管、半導(dǎo)體傳感器、壓電式傳感器等。復(fù)合型傳感器由結(jié)構(gòu)型和物性型傳感器組合而成。7.按傳感器的轉(zhuǎn)換過(guò)程可逆與否分類按傳感器的轉(zhuǎn)換過(guò)程可逆與否分類，有單向和雙向兩種。單向表示只

21、能將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量，而不能逆轉(zhuǎn)，這種傳感器稱為單向傳感器。雙向表示信號(hào)能夠在傳感器的輸入/輸出端作雙向傳輸，具有可逆的特性，如壓電式傳感器、磁電感應(yīng)式傳感器。8.按高新技術(shù)分類按高新技術(shù)分類可將傳感器分為集成傳感器、仿生傳感器、機(jī)器人傳感器和智能化傳感器等。（1）集成傳感器集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。它既可以制作電路，又可以制作磁敏、力敏、溫敏、光敏和離子敏器件，所以已有集成磁敏傳感器、集成力敏傳感器、集成溫敏傳感器、集成光敏傳感器和集成場(chǎng)效應(yīng)離子敏傳感器等出現(xiàn)。集成傳感器的特點(diǎn)是成本低、體積小、性能好、可靠性高、接口靈活。（2）仿生傳感器仿生傳感器是一種采用

22、新檢測(cè)原理的新型傳感器，它采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。這種傳感器的特點(diǎn)是性能好、壽命長(zhǎng)。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。（3）機(jī)器人傳感器機(jī)器人傳感器是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來(lái)的一類專門用于機(jī)器人技術(shù)方面的新型傳感器。機(jī)器人傳感器和普通傳感器工作原理基本相同，但又有其特殊性。機(jī)器人傳感器主要包括機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)、距離覺(jué)、姿態(tài)覺(jué)、位置覺(jué)等傳感器。由于機(jī)器人視覺(jué)研究的重要性和復(fù)雜性，一般將機(jī)器人視覺(jué)單獨(dú)列為一個(gè)學(xué)科研究。與大量使用的工業(yè)檢測(cè)傳感器相比，

23、機(jī)器人傳感器對(duì)傳感信息的種類和智能化處理的要求更高。這就要求機(jī)器人傳感器對(duì)變化的環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，能進(jìn)行更精確的定位和控制，并具有更高的智能。（4）智能化傳感器智能化傳感器是指那些裝有微處理器的，不但能夠執(zhí)行信息處理和信息存儲(chǔ)，而且還能夠進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷的傳感器系統(tǒng)。智能傳感器指?jìng)鞲衅髋c微機(jī)結(jié)合，其主要組成部分包括主傳感器、輔助傳感器及微型機(jī)的硬件設(shè)備。通常情況下，一個(gè)通用的檢測(cè)儀器只能用來(lái)探測(cè)一種物理量，其信號(hào)調(diào)節(jié)是由那些與主探測(cè)部件相連接著的模擬電路來(lái)完成的；但智能化傳感器卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有的功能，而且其精度更高、價(jià)格更便宜、處理質(zhì)量也更好。另外，根據(jù)傳感器對(duì)信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的不同

24、，傳感器可分為直接轉(zhuǎn)換型傳感器和間接轉(zhuǎn)換型傳感器兩大類。前者是把輸入給傳感器的非電量一次性的變換為電信號(hào)輸出，如光敏電阻受到光照射時(shí)，電阻值會(huì)發(fā)生變化，直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；后者則要把輸入給傳感器的非電量先轉(zhuǎn)換成另外一種非電量，然后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，如采用彈簧管敏感元件制成的壓力傳感器就屬于這一類。當(dāng)有壓力作用到彈簧管時(shí)，彈簧管產(chǎn)生形變，傳感器再把變形量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。除上面所述的傳感器分類方法之外，還可以按應(yīng)用對(duì)象或范圍分類。例如，應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中的傳感器常按被檢測(cè)器官命名，如心音傳感器、心電傳感器、脈搏傳感器等。工業(yè)中把用于測(cè)量振動(dòng)的傳感器稱為振動(dòng)傳感器，把測(cè)量液體表面位置的傳

25、感器稱為液位傳感器等。3.1.4傳感器的發(fā)展趨勢(shì)傳感器技術(shù)是21世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)領(lǐng)域爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將傳感器技術(shù)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。我國(guó)從20世紀(jì)80年代以來(lái)也已將傳感器技術(shù)列為國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。有專家認(rèn)為，我國(guó)今后傳感器方面的研究和開發(fā)方向應(yīng)是微電子機(jī)械系統(tǒng)、汽車傳感器、環(huán)保傳感器、工業(yè)過(guò)程控制傳感器、醫(yī)療衛(wèi)生和食品業(yè)檢測(cè)傳感器、新型敏感材料等。傳感器的發(fā)展趨勢(shì)可概括為以下幾方面。1.向結(jié)構(gòu)型傳感器方向發(fā)展目前，在工業(yè)控制領(lǐng)域大量使用的是結(jié)構(gòu)型傳感器。由于結(jié)構(gòu)型傳感器在原理、材料和

26、結(jié)構(gòu)形式等方面都在不斷發(fā)生變化除主要向高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度方向發(fā)展外，正在向有源化方向發(fā)展，即敏感元件和電路組裝在一起，減小裝置體積，提高信噪比和精度。結(jié)構(gòu)型傳感器由于采用了新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，可大幅度提高傳感器的性能。2.向小型化、集成化方向發(fā)展由于航天和航空技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)療器件的需要，傳感器必須向小型化方向發(fā)展，以便減小體積和質(zhì)量。而小型化的基礎(chǔ)是集成化，它包括傳感器本身的集成化及后續(xù)電路的集成化。集成化傳感器把各種調(diào)節(jié)和補(bǔ)償電路與傳感器集成在一起，降低了對(duì)環(huán)境的要求，提高了信噪比和精度。3.向智能化方向發(fā)展智能傳感器是將傳統(tǒng)的傳感器和微處理器及相關(guān)電路組成一體化的傳感器。智能

27、傳感器可以分為3種類型，即具有判斷能力的傳感器、具有學(xué)習(xí)能力的傳感器和具有創(chuàng)造能力的傳感器。智能傳感器具有以下功能：（1）具有自校準(zhǔn)功能；（2）具有自補(bǔ)償功能；（3）具有自診斷功能；（4）具有數(shù)據(jù)處理功能；（5）具有雙向通信功能；（6）具有信息存儲(chǔ)和記憶功能；（7）具有數(shù)字信號(hào)輸出功能。3.2機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器傳感器是將機(jī)電一體化系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器，主要用于檢測(cè)機(jī)電一體化系統(tǒng)自身與作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)作提供信息。所以說(shuō)，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器及其檢測(cè)系統(tǒng)不僅是一個(gè)必不可少的組成部分，而且已成為機(jī)與電有機(jī)結(jié)合的一

28、個(gè)重要紐帶。機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的傳感器主要有位移（位置）傳感器、速度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、溫度傳感器等。本節(jié)主要介紹位移傳感器、速度和加速度傳感器、應(yīng)變及應(yīng)力傳感器、力和扭矩傳感器。3.2.1位移測(cè)量傳感器位移測(cè)量包括位移和角位移測(cè)量，它是工程中最基本的被測(cè)量。位移測(cè)量不僅可以對(duì)工程中常需要精確測(cè)量的部件位移、位置和尺寸進(jìn)行測(cè)量，還可以將很多機(jī)械量如壓力、力、扭矩等的測(cè)量轉(zhuǎn)換為位移來(lái)測(cè)量。測(cè)量位移的方法很多，現(xiàn)已形成多種位移傳感器，而且有向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的趨勢(shì)。按所測(cè)位移量值大小來(lái)分，位移測(cè)量一般可分為大位移測(cè)量和微小位移測(cè)量。表3-2所列為常用線位移和位置傳感器的

29、主要性能及其優(yōu)缺點(diǎn)。表3-2常用線位移和位置傳感器的主要性能及其優(yōu)缺點(diǎn)3.2.2速度測(cè)量傳感器單位時(shí)間內(nèi)位移的增量就是速度。速度包括線速度、角速度和轉(zhuǎn)速，與之相對(duì)應(yīng)的就有線速度傳感器、角速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，我們統(tǒng)稱為速度傳感器。加速度傳感器有慣性加速度傳感器和振動(dòng)沖擊加速度傳感器。常用速度和加速度傳感器的主要性能及特點(diǎn)分別如表3-3、3-4所示。表3-3常用速度傳感器的主要性能及特點(diǎn)表3-4常用加速度傳感器的主要性能及特點(diǎn)3.2.3力、壓力和扭矩測(cè)量傳感器力、壓力和扭矩測(cè)量傳感器的類型和特點(diǎn)如表3-5所示。表3-5力、壓力和扭矩測(cè)量傳感器的類型和特點(diǎn)3.3傳感器的特性及選用原則在生產(chǎn)過(guò)程和

30、科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)各種各樣的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制，就要求傳感器能感受被測(cè)非電量的變化并將其不失真地變換成相應(yīng)的電量，這取決于傳感器的基本特性，即輸出輸入特性；如果把傳感器看做二端口網(wǎng)絡(luò)，即有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，那么傳感器的輸出輸入特性則是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性。傳感器的基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來(lái)描述。3.3.1傳感器的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎胄盘?hào)不隨時(shí)間變化或變化非常緩慢時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的輸出響應(yīng)特性，稱靜態(tài)響應(yīng)特性。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)，所以傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，以與其對(duì)應(yīng)的輸

31、出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性范圍、線性度、靈敏度、精確度、分辨率、遲滯和穩(wěn)定性等。2.傳感器的動(dòng)態(tài)特性所謂動(dòng)態(tài)特性，是指其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種。傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)及選用原則如表3-6所示。表3-6傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)及選用原則3

32、.3.2傳感器的選用原則現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理1.選擇傳感器主要應(yīng)考慮的因素選擇傳感器除主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度等幾方面的問(wèn)題（見傳感器特性）之外，還要考慮以下幾方面。（1）根據(jù)測(cè)量目的選擇傳感器如果測(cè)量目的是進(jìn)行定性分析，則選用重復(fù)精度高的傳感器即可，而不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果是為了進(jìn)行定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，則需選用精度等

33、級(jí)能滿足要求的傳感器。對(duì)于某些特殊使用場(chǎng)合，無(wú)法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。（2）根據(jù)測(cè)量對(duì)象選擇傳感器在進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，要考慮采用何種傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一個(gè)物理量，也有多種原理的傳感器可供選用。哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題：量程的大小，被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求，測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式，信號(hào)的輸出方法，有線或是非接觸測(cè)量，傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，是否自行研制。（3）根據(jù)測(cè)量環(huán)境選擇傳感器根據(jù)測(cè)量環(huán)境選擇傳感器時(shí)應(yīng)對(duì)其使用

34、環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境造葬合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧p小環(huán)境的影響，而且要特別注意不同系列產(chǎn)品的應(yīng)陪葬婆、使用條件和維護(hù)要求。環(huán)境變化（如溫度、振動(dòng)、噪聲等）將改變傳感器的某些特性度、線性度等指標(biāo)），且能造成與被測(cè)參數(shù)無(wú)關(guān)的輸出，如零點(diǎn)漂移。為保證測(cè)量精度，根據(jù)使用目的可對(duì)環(huán)境條件及使用條件提出一定要求，或采取一定措施（如隔振）；還可以根據(jù)傳感器的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)（如零點(diǎn)漂移、加速度、靈敏度等）及應(yīng)用環(huán)境要求合理地選用傳感器。（4）根據(jù)測(cè)量條件選擇傳感器測(cè)量條件列舉如下：測(cè)量目的、被測(cè)量的選定（模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)）、測(cè)量的范圍、輸出量及其電平、輸入信號(hào)的帶寬、要求的精度、測(cè)量所需

35、要的時(shí)間、過(guò)輸入發(fā)生的頻繁程度等。（5）根據(jù)測(cè)量方式選擇傳感器傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等，條件不同，對(duì)測(cè)量方式的要求亦不同。在機(jī)械系統(tǒng)中，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)參數(shù)（例如回轉(zhuǎn)軸的誤差、振動(dòng)、扭力矩）往往采用非接觸測(cè)量方式，因?yàn)閷?duì)運(yùn)動(dòng)部件采用接觸測(cè)量時(shí)會(huì)有許多實(shí)際困難，如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)、信號(hào)的采集等問(wèn)題，都不易妥善解決，從而造成測(cè)量誤差。這種情況下，采用電容式、渦流式、光電式等非接觸式傳感器很方便，若選用電阻應(yīng)變片，則需配以遙測(cè)應(yīng)變儀。在某些條件下，可以運(yùn)用試件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，這時(shí)可進(jìn)行破壞

36、性檢驗(yàn)。然而，有時(shí)無(wú)法用試件模擬，因被測(cè)對(duì)象本身就是產(chǎn)品或構(gòu)件，這時(shí)宜采用非破壞性檢驗(yàn)方法，例如渦流探傷、超聲波探傷、核輻射探傷以及聲發(fā)射檢測(cè)等。非破壞性檢驗(yàn)可以直接獲得經(jīng)濟(jì)效益，因此應(yīng)盡可能選用非破壞性檢測(cè)方法。在線測(cè)試是與實(shí)際情況保持一致的測(cè)試方法。特別是對(duì)自動(dòng)化過(guò)程的控制與檢測(cè)系統(tǒng)，往往要求信號(hào)真實(shí)、可靠，所以必須在現(xiàn)場(chǎng)條件下才能達(dá)到檢測(cè)要求。實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)是比較困難的，對(duì)傳感器與測(cè)試系統(tǒng)都有一定的特殊要求。例如，在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的檢測(cè)，以往的光切法、干涉法、觸針?lè)ǖ榷紵o(wú)法運(yùn)用，取而代之的是激光、光纖或圖像檢測(cè)法。研制在線檢測(cè)的新型傳感器，也是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。除了以上

37、選用傳感器時(shí)應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。2.選擇傳感器的一般步驟（1）借助于傳感器的分類表，根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)找出符合用戶需要的傳感器類別，再?gòu)牡湫蛻?yīng)用中初步確定幾種傳感器。（2）借助于常用傳感器的比較表、價(jià)格表，按被測(cè)量的測(cè)量范圍、精度要求、環(huán)境要求等情況再次確定傳感器的類別。（3）借助于傳感器的產(chǎn)品目錄、選型樣式或傳感器手冊(cè)，查出傳感器的規(guī)格型號(hào)、性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸。3.4傳感器的校準(zhǔn)與安裝傳感器在使用前或使用一段時(shí)間后（中國(guó)計(jì)量法規(guī)定一般為一年）或經(jīng)過(guò)修理后，必須對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)再次進(jìn)行標(biāo)定或校準(zhǔn)，以確保傳感器的性能指

38、標(biāo)達(dá)到要求。在測(cè)量過(guò)程中，傳感器的安裝方法是否正確，對(duì)測(cè)量結(jié)果有重要的影響。3.4.1傳感器的校準(zhǔn)傳感器在使用前、使用中或擱置一段時(shí)間再使用時(shí)必須對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)或作必要的調(diào)整和修正，以確保傳感器的測(cè)量精度，這個(gè)復(fù)測(cè)、調(diào)整過(guò)程稱為校準(zhǔn)。為了使傳感器有一個(gè)長(zhǎng)期的、穩(wěn)定的和高精度的基準(zhǔn)，在一些測(cè)量?jī)x器中特別是內(nèi)部裝有微處理器的測(cè)量?jī)x器中，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)功能。如果被測(cè)量是長(zhǎng)度、角度或質(zhì)量，則用標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)度、角度或質(zhì)量基準(zhǔn)對(duì)儀器實(shí)行自動(dòng)定期校準(zhǔn)或?qū)崟r(shí)校準(zhǔn)是可行的；但如果被測(cè)量是溫度、流速或濕度，則很難保持基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，需要精度比它高的基準(zhǔn)器，這種基準(zhǔn)器受時(shí)間的推移和使用的磨損

39、等因素的影響，參數(shù)會(huì)隨之改變，因此，對(duì)這種基準(zhǔn)器還要用更高精度的基準(zhǔn)器來(lái)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。這樣一來(lái)，就形成了一個(gè)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)管理系統(tǒng)，最終的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)器有賴于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)最高級(jí)的基準(zhǔn)由國(guó)家計(jì)量院保存并向下屬單位逐級(jí)地傳遞。3.4.2傳感器的安裝傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的安裝方法對(duì)測(cè)量結(jié)果有重要的影響，下面只介紹被測(cè)對(duì)象為固體與流體兩種情況。1.傳感器與固體對(duì)象的連接方式當(dāng)被測(cè)對(duì)象是固體時(shí)，可把傳感器直接安裝在被測(cè)對(duì)象上，這種安裝方法叫做接觸型。當(dāng)把傳感器或敏感元件裝在被測(cè)對(duì)象上面時(shí)，被測(cè)對(duì)象就承受了某種新的負(fù)載，其結(jié)果是被測(cè)對(duì)象的狀態(tài)或特性不可避免地發(fā)生變化（即負(fù)載效應(yīng)），即使是位移型傳感器只與被測(cè)

40、對(duì)象機(jī)械地接觸，情況也是如此。由于這種負(fù)載效應(yīng)，所以很難得到精確的測(cè)量結(jié)果。如果將傳感器的體積、剛度、熱容量等與負(fù)載效應(yīng)有關(guān)的參數(shù)變小。加在被測(cè)對(duì)象上的負(fù)載就減輕了。實(shí)際上，有時(shí)接觸型安裝方法對(duì)被測(cè)對(duì)象的影響可以小到忽略不計(jì)的程度。當(dāng)上述這些措施難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須謀求某種補(bǔ)償?shù)霓k法。如果負(fù)載效應(yīng)能得到解決，則接觸型傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：第一，由于傳感器直接裝在被測(cè)對(duì)象上，可以把它看成被測(cè)對(duì)象的一部分，不易受到環(huán)境變動(dòng)的影響，有利于直接獲得與被測(cè)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)；第二，一般傳感器在使用之前都必須進(jìn)行標(biāo)定，接觸型傳感器可使用與具體被測(cè)對(duì)象無(wú)關(guān)的標(biāo)定方法與裝置進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的結(jié)果對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象都可

41、立即使用，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)再次標(biāo)定。如果被測(cè)對(duì)象是高溫或角度回轉(zhuǎn)的對(duì)象，或由于操作危險(xiǎn)、傳感器材料特性等方面的原因，接觸型測(cè)量就有些困難，這時(shí)就不便使用接觸型傳感器。又如，當(dāng)被測(cè)對(duì)象很小時(shí)，傳感器不便安裝在上面，而且也不易把負(fù)荷效應(yīng)減小，所以，在這些情況下，必須做到不與被測(cè)對(duì)象接觸就能將信號(hào)取出，即使用非接觸型傳感器。用非接觸型傳感器從被測(cè)對(duì)象上獲得信息有以下幾種方法：一種方法是接收由被測(cè)對(duì)象發(fā)出的輻射熱，由此而得知被測(cè)物體的溫度；另一種方法是由傳感器向被測(cè)對(duì)象發(fā)射信號(hào)或者構(gòu)成電位差等，然后用傳感器接收與其相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，從而獲得必要的信號(hào)，如使傳感器的極板與被測(cè)對(duì)象之間的距離改變，由此轉(zhuǎn)換成電容的變化

42、，就屬于這種方法；還有一種是遙感測(cè)量方法，如衛(wèi)星上的照相機(jī)、微波影像系統(tǒng)、微波高度計(jì)等。一般情況下，非接觸型測(cè)量的負(fù)荷效應(yīng)很小，在實(shí)際應(yīng)用中可不加考慮。但有一種非接觸型傳感器，它的一部分部件可安裝在被測(cè)對(duì)象上，如激光干涉儀就是把反光鏡片裝在被測(cè)物體上來(lái)測(cè)得位移信號(hào)的，這時(shí)，就必須考慮負(fù)荷效應(yīng)。另一方面，非接觸型檢測(cè)也存在以下缺點(diǎn)：被測(cè)對(duì)象的放射性，被測(cè)對(duì)象與傳感器之間的介質(zhì)特性，或者在傳感器附近的其他物體等，都有可能使輸出受到影響。對(duì)于輻射溫度傳感器來(lái)說(shuō)，如果被測(cè)對(duì)象的輻射率不清楚，則溫度就無(wú)法知道。對(duì)于電容型位移傳感器來(lái)說(shuō)，如果極板間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，則傳感器的輸出也勢(shì)必發(fā)生變化。另外

43、，傳感器與被測(cè)對(duì)象間距離的變動(dòng)，也會(huì)使傳感器的輸出發(fā)生變化。接觸型與非接觸型傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以必須根據(jù)具體的使用目的作出相應(yīng)的選擇。接觸型與非接觸型傳感器的比較如表3-7所示。表3-7接觸型與非接觸型傳感器的比較2.傳感器與流體對(duì)象的連接方式利用傳感器測(cè)量流體的某些參數(shù)（如流速、溫度、流量、濃度等）時(shí)，傳感器必須安裝在盛有流體的容器里或有流體流動(dòng)的管道上，因此傳感器對(duì)原有流體的狀態(tài)將不可避免地產(chǎn)生影響。為了減小其負(fù)荷效應(yīng)，要求傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的能量變換越小越好，但這將導(dǎo)致傳感器的輸入信號(hào)很弱，所以，為了獲得一定的輸出電信號(hào)，要求傳感器必須具有較高的靈敏度。流速傳感器的安裝有兩種方法：一

44、種方法像空速管那樣，將流速傳感器插入管道內(nèi)部；另一種方法是像電磁流量計(jì)那樣，在管道的一端安裝上傳感器。前者因?yàn)橹荒軝z測(cè)流體的一部分流速，所以稱為局部傳感器；而后者因可檢測(cè)全部流體的平均流速值，所以稱其為積分式傳感器。3.傳感器安裝時(shí)注意的問(wèn)題除上述介紹的方法之外，在安裝傳感器時(shí)還須注意以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）傳感器的安裝位置有無(wú)影響？因?yàn)閭鞲衅髋c數(shù)據(jù)源之間的阻塞物將大大地降低數(shù)據(jù)采集強(qiáng)度和精度。（2）有沒(méi)有額外的信息？多余的信息源如射頻干擾可以在所需的數(shù)據(jù)上增加很多噪聲信 號(hào)，那么傳感器的測(cè)量就會(huì)變得毫無(wú)用處。（3）傳感器是否可以準(zhǔn)確地讀出數(shù)據(jù)？在一些極端的情況下，如紊流、過(guò)度地振動(dòng)或高溫條件下，

45、一些傳感器可能會(huì)失效或完全損壞。（4）所接收到的信息是否就是從需要測(cè)量的地方傳輸過(guò)來(lái)的信息？錯(cuò)誤的安裝可能導(dǎo)致傳感器將其他反饋信號(hào)（如聽覺(jué)反饋和視覺(jué)反饋的虛像信號(hào)）記錄下來(lái)。（5）采集數(shù)據(jù)的速度應(yīng)盡可能快。數(shù)據(jù)采集時(shí)間如果過(guò)長(zhǎng)，那么，對(duì)當(dāng)前的情況來(lái)說(shuō)，所采集的數(shù)據(jù)就已經(jīng)過(guò)時(shí)了。3.5傳感器測(cè)量電路及其計(jì)算機(jī)接口傳感器從機(jī)電一體化系統(tǒng)中獲取到的相關(guān)信息是傳感檢測(cè)系統(tǒng)的原始信息，通常比較微弱，需由中間轉(zhuǎn)換電路將傳感元件檢測(cè)到的信號(hào)放大成易于檢測(cè)或處理的電壓或電流等電參量信號(hào)，再經(jīng)調(diào)制解調(diào)、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等處理，以滿足信號(hào)傳輸、計(jì)算機(jī)處理的要求。另外，根據(jù)需要還必須進(jìn)行必要的阻抗匹配、線性化

46、及溫度補(bǔ)償?shù)忍幚?。需要指出的是，在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用的傳感元件多數(shù)已由生產(chǎn)廠家配好轉(zhuǎn)換放大控制電路而不需要用戶自己設(shè)計(jì)，除非是現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品在精度或尺寸、性能等方面不能滿足設(shè)計(jì)要求，才自己選用傳感器的敏感元件并設(shè)計(jì)與此相匹配的轉(zhuǎn)換測(cè)量電路。因此，在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器及其檢測(cè)電路絕大多數(shù)都是合理地選擇和使用的問(wèn)題。傳感器與計(jì)算機(jī)接口電路的主要作用就是用傳感器將各種物理量變成電信號(hào)，經(jīng)由如放大、濾波、干擾抑制、多路轉(zhuǎn)換等信號(hào)檢測(cè)及預(yù)處理電路，將模擬量的電壓或電流送入A/D 轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，供計(jì)算機(jī)處理。3.5.1傳感器的測(cè)量電路傳感器測(cè)量電路的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。按傳

47、感器輸出信號(hào)的要求不同，可將傳感器測(cè)量電路分為模擬型測(cè)量電路、數(shù)字型測(cè)量電路、開關(guān)型測(cè)量電路和中間轉(zhuǎn)換電路。1.模擬型測(cè)量電路模擬型測(cè)量電路適用于電阻應(yīng)變式、電感式、電容式、電熱式等輸出模擬信號(hào)的傳感器。當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象的物理量發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)引起傳感器敏感元件的電參數(shù)（阻擾、感抗、電容量等）發(fā)生變化，然后通過(guò)基本轉(zhuǎn)換電路將這些電參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量（電壓、電流等）。若傳感器的輸出量已是電量，則不需要基本轉(zhuǎn)換電路。為了將檢測(cè)信號(hào)從其他干擾信號(hào)中提取出來(lái)，提高其抗干擾性能并利于計(jì)算機(jī)處理和數(shù)字顯示，常采用中間轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行“調(diào)制”的方法。信號(hào)的調(diào)制一般在轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行。調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大再通過(guò)

48、解調(diào)器將信號(hào)恢復(fù)為原有形式，然后通過(guò)濾波器選取其有效信號(hào)。未調(diào)制的信號(hào)不需要解調(diào)。為適應(yīng)不同測(cè)量范圍的需要，還可以引人量程切換電路。為了獲得數(shù)字顯示或便于與計(jì)算機(jī)連接，常采用A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)。2.數(shù)字型測(cè)量電路數(shù)字型測(cè)量電路主要有絕對(duì)編碼數(shù)字式和增量編碼數(shù)字式兩大類。（1）絕對(duì)編碼數(shù)字式傳感器測(cè)量電路傳感器輸出的編碼與被檢測(cè)量一一對(duì)應(yīng)，每一碼道的狀態(tài)由相應(yīng)的光電元件讀出，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大整形后，得到與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的編碼。（2）增量編碼數(shù)字式傳感器測(cè)量電路這種測(cè)量電路主要用于增量編碼數(shù)字式傳感器輸出信號(hào)的測(cè)量，如光柵、磁柵、容柵、同步感應(yīng)器、激光干涉器等傳感元件輸出信號(hào)的測(cè)

49、量。為了提高傳感器的分辨率，常采用細(xì)分的 方法。使傳感器的輸出變化一個(gè)周期時(shí)計(jì)一個(gè)數(shù)，稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。細(xì)分電路還常同時(shí)起整形作 用，有時(shí)為了便于讀出，還需要進(jìn)行脈沖當(dāng)量變換。方向辨別電路用于辨別運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方向，以進(jìn)行正確的加法或減法計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算后的數(shù)值將被送到相關(guān)的顯示或控制環(huán)節(jié)。 3.開關(guān)型測(cè)量電路開關(guān)型測(cè)量電路主要用于光電開關(guān)、觸點(diǎn)開關(guān)通斷信號(hào)的檢測(cè)，電路的實(shí)質(zhì)是對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大或降即分流等處理。4.中間轉(zhuǎn)換電路傳感器測(cè)量電路中中間轉(zhuǎn)換電路的種類和結(jié)構(gòu)主要由所選用的傳感器的類型決定，主要有電橋、放大、調(diào)制與解調(diào)和A/D，D/A轉(zhuǎn)換等電路。（1）電橋電路電橋電路主要用于測(cè)量阻抗、感抗、電

50、容量等電參量變化所產(chǎn)生的電量（電壓、電流等）。（2）放大電路放大電路由運(yùn)算放大器、晶體管等組成，用來(lái)放大傳感元件檢測(cè)到的微弱電信號(hào)（電壓放大、電流放大、功率放大等）。為了得到高質(zhì)量的測(cè)量信號(hào)，要求放大電路具有抗干擾、高輸入阻抗等性能。常采用的抗干擾措施有屏蔽、濾波、正確的接地等。屏蔽是抑制電磁場(chǎng)干擾的主要措施，而濾波則是抑制干擾最有效的手段，特別是抑制導(dǎo)線耦合到電路中的干擾。對(duì)于信號(hào)通道中的干擾，可依據(jù)測(cè)量中有效信號(hào)的頻譜和干擾信號(hào)的頻譜設(shè)計(jì)濾波器，以保留有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)。接地的目的是為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，如果接地方法不正確，就會(huì)引進(jìn)干擾。（3）調(diào)制與解調(diào)電路當(dāng)傳感器檢測(cè)的輸出信號(hào)

51、微弱、變化緩慢類似于直流信號(hào)時(shí)，若采用一般的直流放大電路放大和傳輸信號(hào)，將產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等干擾信號(hào)，從而影響測(cè)量精度。因此，常先用調(diào)制器把直流信號(hào)變換成某種頻率的交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)交流放大器放大后再通過(guò)解調(diào)器將此交流信號(hào)重新恢復(fù)為原來(lái)的直流信號(hào)。（4）A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)輸入、計(jì)算機(jī)處理、輸出執(zhí)行信號(hào)之間的匹配轉(zhuǎn)換。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器輸出的信號(hào)如果是連續(xù)變化的模擬量，為了滿足系統(tǒng)信息傳輸、運(yùn)算處理、顯示或控制的需要，應(yīng)將模擬量變換為數(shù)字量（A/D變換），然后再將數(shù)字量變?yōu)槟M量（D/A變換）。3.5.2傳感器與微機(jī)的接口1.傳感器輸出信號(hào)的形式由于輸入到微機(jī)

52、的信號(hào)必須是微機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，微機(jī)才能進(jìn)行有效的運(yùn)算和處理，因此，傳感器輸出信號(hào)的形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量。傳感器輸出信號(hào)的形式如表3-8所示。表3-8傳感器輸出信號(hào)的形式2.傳感器接口電路（1）接口電路的作用及分類傳感器接口電路對(duì)于傳感器和檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的連接環(huán)節(jié)，其整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和靈敏度。傳感器接口電路的作用是進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)連接作用。作為智能化的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，傳感器與微型計(jì)算機(jī)的接口電路也千變?nèi)f化。常用的傳感器接口電路的類型及作用如表3-9所示。表3-9常用的傳感器接口電路的類型及作用（2）對(duì)傳感器接口電路的要求一般來(lái)說(shuō)，對(duì)傳感器接口電路有如下要求：盡可能提高

53、包括傳感器和接口電路在內(nèi)的整體效率。能量是傳遞信息的載體，所以，傳感器在傳遞信息時(shí)必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，但傳感器的能量變換效率不是最重要的。實(shí)際上，為了不影響或盡可能地少影響被測(cè)對(duì)象的本來(lái)狀態(tài)，要求從被測(cè)對(duì)象上獲得的能量越小越好。具有一定的信號(hào)處理能力。如半導(dǎo)體熱效電阻中的接口電路具有引線補(bǔ)償功能，熱電偶的接口電路應(yīng)有冷端補(bǔ)償功能，等等。如果從整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)考慮，則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作要求選擇功能盡可能全的接口電路芯片，甚至可以考慮整個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)芯片。提供傳感器所需要的驅(qū)動(dòng)電源（信號(hào)）。按傳感器的輸出信號(hào)來(lái)劃分，傳感器可分為電參數(shù)傳感器和電量傳感器。后者的輸出信號(hào)為電量，如電勢(shì)、電流等，這

54、類電量傳感器有壓電傳感器、光電傳感器等。前者輸出的是電量參數(shù)，如電阻、電容、電感、互感等，這類傳感器需外加傳感器驅(qū)動(dòng)電源才能工作。一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)定性會(huì)直接影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，因而，這類傳感器的接口電路應(yīng)能提供穩(wěn)定性盡可能高的驅(qū)動(dòng)電源。具有盡可能完善的抗干擾和抗高壓沖擊保護(hù)機(jī)制。在工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)測(cè)量中，干擾是難以避免的，如工頻干擾、射頻干擾等。而高電壓的沖擊同樣難以避免，這在工業(yè)測(cè)量中是不言而喻的。在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，經(jīng)常存在幾千伏甚至更高的靜電，在搶救時(shí)還有施加到人體的除顫電壓。因而，傳感器接口電路應(yīng)具有盡可能完善的抗干擾和抗高壓沖擊保護(hù)機(jī)制，以減少干擾對(duì)測(cè)量精度的影響，保護(hù)傳感器和

55、接口電路本身的安全。這種機(jī)制包括輸入端的保護(hù)、前后級(jí)電路的隔離、模擬和數(shù)字濾波等。（3）傳感器與微機(jī)的接口傳感器還可依據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入精度、輸入速度、通道數(shù)量和類型等因素提供如下幾種轉(zhuǎn)換輸入接口電路：輸入放大電路、抗頻混濾波器電路、采樣保持電路和模擬多路開關(guān)等（后面將介紹）。在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，控制和信息處理功能多數(shù)采用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，檢測(cè)信號(hào)一般都需要被采集到計(jì)算機(jī)中做進(jìn)一步處理，以便獲得所需的信息。模擬式傳感器輸出的是連續(xù)信號(hào)，首先必須將其轉(zhuǎn)換成能夠被計(jì)算機(jī)接收的數(shù)字信號(hào)，然后才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效的運(yùn)算和處理。所以，依據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入精度、輸入速度、通道數(shù)量和類型等因素，有下面4

56、種轉(zhuǎn)換輸入方式，如圖3-4，3-5，3-6，3-7所示。通道直接型轉(zhuǎn)換輸入方式。這是最簡(jiǎn)單的一種方式，只用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器及緩沖器即可將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后通過(guò)三態(tài)緩沖器送入計(jì)算機(jī)總線。這種方式僅適用于只有一路檢測(cè)信號(hào)的場(chǎng)合。另外，受轉(zhuǎn)換電壓幅度與速度的限制，這種方式應(yīng)用范圍窄。多通道一般型轉(zhuǎn)換輸入方式。多路檢測(cè)信號(hào)共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)多路模擬開關(guān)依次對(duì)每個(gè)模擬通道進(jìn)行采樣保持和轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、節(jié)省元部件、速度低，不能獲得同一瞬時(shí)各通道的模擬信號(hào)。多通道同步型轉(zhuǎn)換輸入方式。它與第二種方式的主要區(qū)別是信號(hào)的采集/保持電路在多路開關(guān)之前，各采樣/保持同時(shí)動(dòng)作，可測(cè)得同一瞬時(shí)各傳感

57、器輸出的模擬信號(hào)。多通道并行輸入型轉(zhuǎn)換輸入方式。各通道都有單獨(dú)的采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換通道，可以直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果將送入微型機(jī)或信號(hào)通道，而且根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)可分別采用不同的采樣/保持電路或不同精度的A/D轉(zhuǎn)換器，因而這種轉(zhuǎn)換方式靈活性大，抗干擾能力強(qiáng)，但電路復(fù)雜，采用的元器件較多。圖3-4單通道直接型轉(zhuǎn)換輸入方式圈3-5多通道一般型轉(zhuǎn)換輸入方式圖3-6多通道同步型轉(zhuǎn)換輸入方式圖3-7多通道并行輸入型轉(zhuǎn)換輸入方式上述4種方式中，除第一種外，其他3種都可用于對(duì)多路檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行采集，因此，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)常被稱做多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3.接口電路的作用下面將簡(jiǎn)單介紹轉(zhuǎn)換輸入接口電路的作用。（

58、1）輸入放大器被分析的信號(hào)幅值往往大小不一，輸入放大器（或稱衰減器）就是對(duì)幅值進(jìn)行處理的器件。對(duì)于超過(guò)限額的電壓幅值，可以加以衰減，對(duì)于太小的幅值，則加以放大，以避免影響采樣精度。輸入放大器的放大倍數(shù)（衰減百分?jǐn)?shù)）一般可以用程控方式或手動(dòng)方式設(shè)定。對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，一般不宜放得過(guò)大，以免后面分析運(yùn)算中產(chǎn)生失真現(xiàn)象。（2）抗頻混濾波器由于采樣信號(hào)頻譜發(fā)生變化而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的現(xiàn)象，稱為頻混現(xiàn)象。在作頻域分析時(shí)，為解決頻混的影響，采樣之前通常用模擬濾波器來(lái)衰減元用的高頻分量，然后根據(jù)濾波器的選擇性來(lái)確定適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率。低通濾波器為抗頻混濾波器。由于低通濾波能衰減高頻分量，所以也可以對(duì)時(shí)域分析時(shí)的信號(hào)作平滑處理?？诡l混濾波器的截止頻率一般都有多擋可供選擇，使用時(shí)，應(yīng)依信號(hào)特性選用。（3）采樣保持電路采樣保持電路設(shè)置在A/D轉(zhuǎn)