第4章檢測(cè)技術(shù)與傳感器

第4章檢測(cè)技術(shù)與傳感器

4.1概述

4.2位移檢測(cè)

4.3速度、加速度檢測(cè)

4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè)

4.5其他傳感器

4.6傳感器的正確選擇和使用

4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

4.8傳感器接口技術(shù)

4.1概述4.1.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成機(jī)電一體化產(chǎn)品中需要檢測(cè)的物理量分成電量和非電量?jī)煞N形式，非電量的檢測(cè)系統(tǒng)有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。

(1)把各種非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這就是傳感器的功能，傳感器又稱為一次儀表。

(2)對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行放大、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、記錄、指示、顯示等處理，這叫電信號(hào)處理系統(tǒng)，通常被稱為二次儀表。機(jī)電一體化系統(tǒng)一般采用計(jì)算機(jī)控制方式，因此，電信號(hào)處理系統(tǒng)通常是以計(jì)算機(jī)為中心的電信號(hào)處理系統(tǒng)。綜上所述，非電量檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖4-1所示。對(duì)于電量檢測(cè)系統(tǒng)，只保留了電信號(hào)的處理過程，省略了一次儀表的處理過程。下一頁返回4.1概述4.1.2傳感器的概念及基本特性傳感器是一種以一定的精確度將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量(如電量)的測(cè)量部件或裝置。通常傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量來輸出。傳感器的特性(靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性)是其內(nèi)部參數(shù)所表現(xiàn)的外部特征，決定了傳感器的性能和精度。

1.傳感器的構(gòu)成傳感器一般是由敏感元件、傳感元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖4-2所示。下一頁上一頁返回4.1概述2.傳感器的靜態(tài)特性

(1)線性度。傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，利用一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，對(duì)傳感器進(jìn)行往復(fù)循環(huán)測(cè)試，得到輸入/輸出特性(列表或畫曲線)。通常希望這個(gè)特性(曲線)為線性，這給標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實(shí)際的輸出與輸入特性只能接近線性，對(duì)比理論直線有偏差，如圖4-3所示。實(shí)際曲線與其兩個(gè)端尖連線(稱理論直線)之間的偏差稱為傳感器的非線性誤差。取其中最大值與輸出滿度值之比作為評(píng)價(jià)線性度(或非線性誤差)的指標(biāo)。下一頁上一頁返回4.1概述

(2)靈敏度。傳感器在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出變化對(duì)輸入變化的比值稱靈敏度，用S0表示，即

(3)遲滯。傳感器在正(輸入量增大)、反(輸入量減小)行程中輸出/輸入特性曲線的不重合程度稱遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分?jǐn)?shù)表示下一頁上一頁返回4.1概述

(4)重復(fù)性。傳感器在同一條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，所得輸出/輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性，如圖4-5表示。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即

(5)分辨力。傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為闌值。分辨力與滿度輸入比的百分?jǐn)?shù)表示稱為分辨率。

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(6)漂移。由于傳感器內(nèi)部因素或外界干擾的情況下，傳感器的輸出變化稱為漂移。當(dāng)輸入狀態(tài)為零時(shí)的漂移稱為零點(diǎn)漂移。在其他因素不變情況下，輸出隨著時(shí)間的變化產(chǎn)生的漂移稱為時(shí)間漂移;隨著溫度變化產(chǎn)生的漂移稱為溫度漂移。

(7)精度。表示測(cè)量結(jié)果和被測(cè)的“真值”的靠近程度。下一頁上一頁返回4.1概述

3.傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí)，由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化，測(cè)量和記錄過程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)有最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們具有同一時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況以外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，由此引起動(dòng)態(tài)誤差。下一頁上一頁返回4.1概述4.1.3信號(hào)傳輸與處理電路傳感器信號(hào)處理電路內(nèi)容的選擇所要考慮的問題主要包括:(1)傳感器輸出信號(hào)形式，是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，電壓還是電流。(2)傳感器輸出電路形式，是單端輸出還是差動(dòng)輸出。(3)傳感器電路輸出能力，是電壓還是功率，輸出阻抗大小。(4)傳感器的特性，如線性度、信噪比、分辨率。上一頁返回4.2位移檢測(cè)位移測(cè)量是線位移測(cè)量和角位移測(cè)量的總稱，位移測(cè)量在機(jī)電一體化制造系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，這不僅因?yàn)樵诟鞣N機(jī)械加工中位置確定和加工尺寸的需要，而且還因?yàn)樗俣?、加速度等參?shù)的檢測(cè)都可以借助測(cè)量位移的方法。有些參數(shù)的測(cè)量屬于微位移測(cè)量，如力、扭矩、變形等。微位移檢測(cè)傳感器包括:應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、電感傳感器。4.2.1模擬式位移傳感器

1.可變磁阻式電感傳感器典型的可變磁阻式電感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵所組成。下一頁返回4.2位移檢測(cè)當(dāng)線圈通以激磁電流時(shí)，其自感L與磁路的總磁阻Rm有關(guān)，即如果空氣隙δ較小，而且不考慮磁路的損失，則總磁阻為下一頁返回4.2位移檢測(cè)由于鐵芯的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的，計(jì)算時(shí)鐵芯的磁阻可以忽略不計(jì)，故將式(4一7)代入式(4-5)，得下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)式(4-8)表明，自感L與空氣隙δ的大小成反比，與空氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)A0固定不變，改變?chǔ)臅r(shí)，L與占呈非線性關(guān)系，此時(shí)傳感器的靈敏度下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)

2.渦流式傳感器渦流式傳感器的變換原理，是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦電流效應(yīng)。如圖4-9所示。渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。

3.互感型差動(dòng)變壓器式電感傳感器互感型電感傳感器是利用互感M的變化來反映被測(cè)量的變化。這種傳感器實(shí)質(zhì)是一個(gè)輸出電壓的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級(jí)線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測(cè)量的變化而變化。差動(dòng)變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器，其結(jié)構(gòu)形式有多種，以螺管形應(yīng)用較為普遍，其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4-11所示。下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)

圖4-12是用于小位移的差動(dòng)相敏檢波電路的工作原理圖。當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減小;當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)4.2.2數(shù)字式位移傳感器

1.光柵位移傳感器光柵是一種新型的位移檢測(cè)元件，是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測(cè)量裝置。它的特點(diǎn)是測(cè)量精確度高(可達(dá)士1μm)、響應(yīng)速度快、量程范圍大、可進(jìn)行非接觸測(cè)量等。其易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量和自動(dòng)控制，廣泛用于數(shù)控機(jī)床和精密測(cè)量中。光柵位移傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。它主要由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光電器件和光源等組成。通常，標(biāo)尺光柵和被測(cè)物體相連，隨被測(cè)物體的直線位移而產(chǎn)生位移。一般標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線密度是相同的，而刻線之間的距離W稱為柵距。光柵條紋密度一般為每毫米25條、50條、100條、250條等。下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)如果把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖4-15所示。莫爾條紋是光柵非重合部分光線透過而形成的亮帶，它由一系列四棱形圖案組成，如圖中的d-d線區(qū)所示。f-f線區(qū)則是由于光柵的遮光效應(yīng)形成的。下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)莫爾條紋具有如下特點(diǎn)。(1)莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。(2)莫爾條紋具有位移放大作用。(3)莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

2.感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制造的高精度檢測(cè)元件，有直線和圓盤式兩種，分別用作檢測(cè)直線位移和轉(zhuǎn)角。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺較長(zhǎng)(200mm)以上，可根據(jù)測(cè)量行程的長(zhǎng)度選擇不同規(guī)格長(zhǎng)度)，上面刻有均勻節(jié)距的繞組;滑尺表面刻有兩個(gè)繞組，即正弦繞組和余弦繞組，見圖4-18。當(dāng)余弦繞組與定子繞組相位相同時(shí)，正弦繞組與定子繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距?；咴谕ㄓ须娏鞯亩ǔ弑砻嫦鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)圓盤式感應(yīng)同步器，如圖4-19所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的滑尺，定子相當(dāng)于定尺，而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開1/4節(jié)距。

3.旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無特殊要求，輸出信號(hào)大，抗干擾好，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。當(dāng)從一定頻率(頻率通常為400Hz,500Hz,1000H:及5000Hz等幾種)的激磁電壓加于定子繞組時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系，或在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)角呈正比關(guān)系。前一種旋轉(zhuǎn)變壓器稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于大角位移的絕對(duì)測(cè)量;后一種稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，適用于小角位移的相對(duì)測(cè)量。下一頁上一頁返回4.2位移檢測(cè)如圖4-21所示，旋轉(zhuǎn)變壓器一般做成兩極電機(jī)的形式。

4.光電編碼器光電編碼器是一種碼盤式角度數(shù)字檢測(cè)元件。它有兩種基本類型:一種是增量式編碼器，一種是絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多。絕對(duì)式編碼器能直接給出對(duì)應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來，組成多級(jí)檢測(cè)裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。絕對(duì)式編碼器是把被測(cè)轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測(cè)元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)4.3.1直流測(cè)速機(jī)速度檢測(cè)直流測(cè)速機(jī)是一種測(cè)速元件，實(shí)際上它就是一臺(tái)微型的直流發(fā)電機(jī)。根據(jù)定子磁極激磁方式的不同，直流測(cè)速機(jī)可分為電磁式和永磁式兩種。如以電樞的結(jié)構(gòu)不同來分，有無槽電樞、有槽電樞、空心杯電樞和圓盤電樞等。近年來，又出現(xiàn)了永磁式直線測(cè)速機(jī)。常用的為永磁式測(cè)速機(jī)。測(cè)速機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖4-24所示為永磁式測(cè)速機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢(shì)。直流測(cè)速機(jī)的輸出特性曲線，如圖4-25所示。下一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)4.3.2光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種角位移傳感器，由裝在被測(cè)軸(或與被測(cè)軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成，如圖4-26所示。4.3.3加速度傳感器應(yīng)變式傳感器加速度測(cè)試原理如圖4-27所示，它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時(shí)，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形可測(cè)出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測(cè)加速度。殼體內(nèi)灌滿的砧性液體作為阻尼之用，這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。

下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)壓電加速度測(cè)試傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖4-28所示。圖中1是質(zhì)量塊，當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力加載在2(壓電材料切片)上，3是電荷(或電勢(shì))的輸出端。該壓電傳感器是兩片壓電材料切片組成，下面一片的輸出引線是通過殼體與電極平面相連。上一頁返回4.4力、扭矩和流體壓強(qiáng)檢測(cè)4.4.1力檢測(cè)測(cè)力傳感器按其量程大小和測(cè)量精度不同而有很多規(guī)格品種，它們的主要差別是彈性元件的結(jié)構(gòu)形式不同，以及應(yīng)變片在彈性元件上粘貼的位置不同。常見的彈性元件有柱形、簡(jiǎn)形、環(huán)形、梁式和輪輻式等。

1.柱形或筒形彈性元件如圖4-29所示，這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受較大的載荷，常用于測(cè)量較大力的拉(壓)力傳感器中，但其抗偏心載荷和測(cè)向力的能力差，制成的傳感器高度大，應(yīng)變片在柱形和簡(jiǎn)形彈性元件上的粘貼位置及接橋方法如圖4-29所示。這種接橋方法能減少偏心載荷引起的誤差，且能增加傳感器的輸出靈敏度。下一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)若在彈性元件上施加一壓力P，則簡(jiǎn)形彈性元件的軸向應(yīng)變?chǔ)臠為用電阻應(yīng)變儀測(cè)出的指示應(yīng)變?yōu)橄乱豁撋弦豁摲祷?.3速度、加速度檢測(cè)2.梁式彈性元件(1)懸臂梁式彈性元件它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工、粘貼應(yīng)變片方便、靈敏度較高，適用于測(cè)量小載荷的傳感器中。圖4-30所示為一截面懸臂梁彈性元件，在其同一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，組成差動(dòng)工作形式的電橋輸出。若梁的自由端有一被測(cè)力P，則應(yīng)變片感受的應(yīng)變?yōu)殡姌蜉敵鰹橄乱豁撋弦豁摲祷?.3速度、加速度檢測(cè)

2)兩端固定梁這種彈性元件的結(jié)構(gòu)形狀、參數(shù)以及應(yīng)變片粘貼組成橋形式如圖4-31所示。它的懸臂梁剛度大，抗側(cè)向能力強(qiáng)。粘貼應(yīng)變片感受應(yīng)變與被測(cè)力P之間的關(guān)系為

下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)3)梁式剪切彈性元件這種彈性元件的結(jié)構(gòu)與普通梁式彈性元件基本相同，只是應(yīng)變片粘貼位置不同。應(yīng)變片受的應(yīng)變只與梁所承受的剪切力有關(guān)，而與彎曲應(yīng)力無關(guān)。因此，無論是拉仲還是壓縮載荷，靈敏度相同，適用于同時(shí)測(cè)量拉力和壓力的傳感器。此外，它與梁式彈性元件相比線性好、抗偏心載荷和側(cè)向力的能力大，其結(jié)構(gòu)和粘貼應(yīng)變片的位置如圖4-32所示。下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)4.4.2力矩測(cè)量

圖4一33所示為機(jī)器人手腕用力矩傳感器原理，它是檢測(cè)機(jī)器人終端環(huán)節(jié)(如小臂)與手爪之間力矩的傳感器。目前，國內(nèi)外研究制腕力傳感器種類較多。但使用的敏感元件幾乎全部是應(yīng)變片，不同的只是彈性結(jié)構(gòu)有差異。圖4-33中的驅(qū)動(dòng)軸B通過裝有應(yīng)變片A的腕部與手部C連接。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸回轉(zhuǎn)并帶動(dòng)手部回轉(zhuǎn)而擰緊螺絲釘D時(shí)，手部所受力矩的大小可通過應(yīng)變片電壓的輸出測(cè)得。下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)4.4.3流體壓強(qiáng)傳感器4.4.3.1膜式壓力傳感器它的彈性元件為四周固定的等截面圓形薄板，又稱平膜板或膜片，其一表面承受被測(cè)分布?jí)毫?，另一?cè)面砧有應(yīng)變片或?qū)Ｓ玫牟綉?yīng)變花，并組成電橋。如圖4-35所示。膜片在被測(cè)壓力P作用下發(fā)生彈性變形，應(yīng)變片在任意半徑r的徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤分別為下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)4.4.3.2筒式壓力傳感器它的彈性元件為薄壁圓簡(jiǎn)，簡(jiǎn)的底部較厚。這種彈性元件的特點(diǎn)是，圓簡(jiǎn)受到被測(cè)壓力后表面各處的應(yīng)變是相同的。因此應(yīng)變片的粘貼位置對(duì)所測(cè)應(yīng)變不影響，如圖4-36所示。對(duì)于薄壁圓簡(jiǎn)(壁厚與壁的中面曲率半徑之比<1/20）的切向應(yīng)變?chǔ)?與被測(cè)壓力P的關(guān)系，可用下式求得簡(jiǎn)壁上工作應(yīng)變片對(duì)于厚壁圓簡(jiǎn)(壁厚與壁的中面曲率半徑之比>1/20)則有下一頁上一頁返回4.3速度、加速度檢測(cè)4.4.3.3壓阻式壓力傳感器壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-37所示。其核心部分是一圓形的硅膜片。在沿某晶向切割的N型硅膜片上擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的P型電阻，構(gòu)成平衡電橋。硅膜片周邊用硅杯固定，其下部是與被測(cè)系統(tǒng)相連的高壓腔，上部為低壓腔，通常與大氣相通。在被測(cè)壓力作用下，膜片產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，P型電阻產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，其電阻發(fā)生相對(duì)變化。上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.1固態(tài)圖像傳感器(CCD)

固態(tài)圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理，將被測(cè)物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號(hào)輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，常稱電荷藕合器件(簡(jiǎn)稱CCD)。其工作過程是:首先由光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)物體成像在CCD的受光面上，受光面下的許多光敏單元形成了許多像素點(diǎn)，這些像素點(diǎn)將投射到它的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)并存儲(chǔ);然后在時(shí)鐘脈沖信號(hào)控制下，將反映光像的被存儲(chǔ)電荷信號(hào)讀取并順序輸出，從而完成了從光圖像到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程。圖像傳感器體積小，析像度高，功耗小，廣泛用于非接觸的尺寸、形狀、損傷的測(cè)量，以及圖像處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。下一頁返回4.5其他傳感器

4.5.1.1CCD的基本結(jié)構(gòu)和原理

CCD器件是在MOS電容器基礎(chǔ)理論上發(fā)展起來的。是在V型或P型硅襯底上生成一層厚度約120mm的二氧化硅層(SiO2),該二氧化硅層具有介質(zhì)作用，然后在二氧化硅層上依一定次序沉積金屬電極，形成金屬氧化物半導(dǎo)體電容陣列，即MOS電容器陣列，最后加上輸入和輸出端便構(gòu)成了CCD器件。

CCD的工作原理是建立在CCD的基本功能上，即電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.1.2CCD的應(yīng)用固態(tài)圖像傳感器依其光敏元排列方式分為線型、面型等種。已應(yīng)用的有1024,1728,2048,4096像素的線型傳感器和32X32,100X100,320X244,490X400以及28萬~38萬、130萬像素的面型傳感器。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.2激光檢測(cè)激光檢測(cè)主要是利用激光的方向性、單色性、相干性以及隨時(shí)間、空間的可聚焦性的特點(diǎn)，所以無論在測(cè)量精確度和測(cè)量范圍上都具有明顯的優(yōu)越性。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.2.1激光多普勒效應(yīng)當(dāng)激光照射到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，被物體散射(或反射)光的頻率將發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。相應(yīng)地，將散射(或反射)光的頻率與光源光頻率的差值稱為多普勒頻移。對(duì)于如圖4-42所示的激光測(cè)速系統(tǒng)，激光光源S和受光點(diǎn)P(即反射表面)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于反射表面運(yùn)動(dòng)速度而引起光波頻率漂移，此時(shí)，多普勒頻移下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.2.2應(yīng)用組成激光測(cè)速系統(tǒng)的主要光學(xué)部件有激光光源，入射光系統(tǒng)和收集光系統(tǒng)等。激光多普勒流速計(jì)原理如圖4-43所示。由激光器發(fā)射出的單色平行光，經(jīng)透鏡聚集到被測(cè)流體內(nèi)。下一頁上一頁返回4.5其他傳感器

4.5.3超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè)的基本原理是利用某些非聲量的物理量(如密度、流量等)與描述超聲波介質(zhì)聲學(xué)特性的超聲量(聲速、衰減、聲阻抗)之間存在著直接或間接的關(guān)系。探索到這些規(guī)律，通過超聲量的測(cè)定來測(cè)出某些被測(cè)物理量。超聲波檢測(cè)多采用超聲波源向被測(cè)介質(zhì)發(fā)射超聲波，然后接收與被測(cè)介質(zhì)相作用之后的超聲波，從中得到所需信息，其檢測(cè)過程如圖4-44所示。上一頁返回4.6傳感器的正確選擇和使用

4.6.1傳感器的選擇

1.測(cè)試要求和條件測(cè)量目的、被測(cè)物理量選擇、測(cè)量范圍、輸入信號(hào)最大值和頻帶寬度、測(cè)量精度要求、測(cè)量所需時(shí)間要求等。

2.傳感器特性精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。

3.使用條件安裝條件、工作場(chǎng)地的環(huán)境條件(溫度、濕度、振動(dòng)等)、測(cè)量時(shí)間、所需功率容量、與其他設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。下一頁返回4.6傳感器的正確選擇和使用

4.6.2傳感器的正確使用

1.線性化處理與補(bǔ)償在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中，特別是需對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測(cè)電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測(cè)量對(duì)象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。但是大多數(shù)傳感器具有不同程度的非線性特性，這使較大范圍的動(dòng)態(tài)檢測(cè)存在著很大的誤差。在使用模擬電路組成檢測(cè)回路時(shí)，為了進(jìn)行非線性補(bǔ)償，通常采用與傳感器輸入/輸出特性相反特性的元件，通過硬件進(jìn)行線性化處理。另外，在含有微型計(jì)算機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)中，這種非線性補(bǔ)償可以用軟件來完成，其補(bǔ)償過程較簡(jiǎn)單，精確度也很高，又減少了硬件電路的復(fù)雜性。下一頁上一頁返回4.6傳感器的正確選擇和使用

2.傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)量對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時(shí)間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場(chǎng)工作，而現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是不可預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測(cè)系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號(hào)的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。上一頁返回4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

4.7.1測(cè)量放大器在許多檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器輸出的信號(hào)往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁藕合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱為測(cè)量放大器或儀表放大器。

圖4-46為三個(gè)運(yùn)放組成的測(cè)量放大器，差動(dòng)輸入端V1和V2分別是兩個(gè)運(yùn)算放大器(Al,A2)的同相輸入端，因此輸入阻抗很高。采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，而且被測(cè)信號(hào)直接加入到輸入端上，從而保證了較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。A3實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。測(cè)量放大器的放大倍數(shù)由下式確定:下一頁返回4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

這種電路，只要運(yùn)放Al和A2性能對(duì)稱(主要輸入阻抗和電壓增益對(duì)稱)，其漂移將大大減小，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對(duì)微小的差模電壓很敏感，并適用于測(cè)量遠(yuǎn)距離傳輸過來的信號(hào)，因而十分適宜于與微小信號(hào)輸出的傳感器配合使用。下一頁上一頁返回4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

4.7.2程控增益放大器經(jīng)過處理的模擬信號(hào)，在送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理前，必須進(jìn)行量化，即進(jìn)行模擬數(shù)字變換，變換后的數(shù)字信號(hào)才能為計(jì)算機(jī)接收和處理。當(dāng)模擬信號(hào)送到模數(shù)變換器時(shí)，為減少轉(zhuǎn)換誤差，一般希望送來的模擬信號(hào)盡可能大，如采用A/D變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，在A/D輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號(hào)盡可能達(dá)到最大值;然而，當(dāng)被測(cè)參量變化范圍較大時(shí)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號(hào)變化也較大，在這種情況下，如果單純只使用一個(gè)放大倍數(shù)的放大器，就無法滿足上述要求;在進(jìn)行小信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，可能會(huì)引入較大的誤差。為解決這個(gè)問題，工程上常采用通過改變放大器增益的方法，來實(shí)現(xiàn)不同幅度信號(hào)的放大，如萬用表、示波器等許多測(cè)量?jī)x器的量程變換等。下一頁上一頁返回4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

圖4-49即為一利用改變反饋電阻的力、法來實(shí)現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當(dāng)開關(guān)K1閉合，K2和K1斷開時(shí)，放大倍數(shù)為而當(dāng)K2閉合，而其余兩個(gè)開關(guān)斷開時(shí)，其放大倍數(shù)為下一頁上一頁返回4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

選擇不同的開關(guān)閉合，即可實(shí)現(xiàn)增益的變換，如果利用軟件對(duì)開關(guān)閉合情況進(jìn)行選擇，即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。利用程控增益放大器與A/D轉(zhuǎn)換器組合，配合一定的軟件，很容易實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的增益控制或量程變換，間接地提高輸入信號(hào)的分辨率。

圖4-50為利用AD521測(cè)量放大器與模擬開關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器，通過改變其外接電阻R的力、法來實(shí)現(xiàn)增益控制。下一頁上一頁返回4.7傳感器前級(jí)信號(hào)處理

4.7.3隔離放大器一般來講，隔離放大器是指對(duì)輸入、輸出和電源在電流和電阻彼此隔離使之沒有直接藕合的測(cè)量放大器。由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸入、輸出端之間的藕合，因此還具有以下特點(diǎn):(1)能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。

(2)泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。

(3)共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)(電壓或電流)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。上一頁返回4.8傳感器接口技術(shù)4.8.1傳感器信號(hào)的采樣/保持

1.采樣/保持器原理采樣/保持由存儲(chǔ)電容C，模擬開關(guān)S等組成，如圖4-53所示。當(dāng)S接通時(shí)，輸出信號(hào)跟蹤輸入信號(hào)，稱采樣階段。當(dāng)S斷開時(shí)，電容C兩端一直保持?jǐn)嚅_的電壓，稱保持階段。由此構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單采樣/保持器。實(shí)際上為使采樣/保持器具有足夠的精度，一般在輸入級(jí)和輸出級(jí)均采用緩沖器，以減少信號(hào)源的輸出阻抗，增加負(fù)載的輸入阻抗。在電容選擇時(shí)，使其大小適宜，以保證其時(shí)間常數(shù)適中，并選用漏泄小的電容。下一頁返回4.8傳感器接口技術(shù)2.集成采樣/保持器集成采樣/保持器的特點(diǎn)如下。(1)采樣速度快、精度高(2)下降速率慢下一頁上一頁返回4.8傳感器接口技術(shù)4.8.2多通道模擬信號(hào)輸入

1.常用模擬多路開關(guān)集成電路

(1)單端8通道

AD7501是單片集成的CMOS8選1多路模擬開關(guān)，每次只選中8個(gè)輸入端的一路與公共端接通，選通通道是根據(jù)輸入地址編碼而得。所有數(shù)字量輸入均可用TTI或CMOS電路。圖4-57為AD7501的外引腳圖和原理圖。下一頁上一頁返回4.8傳感器接口技術(shù)

2.多路模擬開關(guān)應(yīng)用舉例在許多機(jī)電一體化產(chǎn)品中，都需要用到多路模擬量輸入情況，此時(shí)可采用多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，圖4一60為利用AD7501組成的八路模擬量輸入通道。對(duì)于16路輸入情況，可使用兩片AD7501組合而成，見圖4一61,當(dāng)然也可采用單片AD7506等。但對(duì)于更多輸入情況，如64路128路輸入，則只能使用多個(gè)多路模擬開關(guān)組合的方式。下一頁上一頁返回4.8傳感器接口技術(shù)

3.多路開關(guān)選用注意事