传感器及其接口技术

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1、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。 n4.1.1 传感器的定义 n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)

2、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。 n4.1.2 组成 n 组成：敏感元件、转换元件、电子线路 等组成。 n 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。 n 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。 n 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。 n直接转换与间接转换 传感器的组成 4.1.3 传感器的特性 n传感器比较常用的性能指标有以下几种 n1. 关于输入量的特性： n(1)

3、量程或测量范围 n 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。 n(2) 过载能力 n 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。 n2. 关于输入输出关系的静态特性 n(1)精度 n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。 n(2)重复性 n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。 n(3)线性度 n 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

4、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。 n(4) 灵敏度 n传感器输入增量与输出增量之比； n(5) 稳定性(温度漂移，时间零漂) n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； n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。 n3. 动态响应特性 n 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

5、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。 n 频率响应特性 n 幅频特性 n 相频特性 n 阶跃响应特性 n 时间常数 n 上升时间 n 过冲量(超调量) n 固有频率 n 阻尼比(对数减缩) n4.1.4 传感器的分类 n 传感器的分类方法有多种; n1、 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； n2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式 、光电式； n3、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： n1 开关型 n开关型传感器的二值就 是“1”和“0”或开(ON)和

6、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。 n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 n INoffINon nINoff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 n2 数字型 n 数字型传感器有计数型和代码型两大类。 n其中计数型又称脉冲数字型； n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

7、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。 n 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。 n3 模拟型 n 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。 n4.1.5 机电一体化系统对传感器的基本要求 n1. 精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪 比高； n2. 体积小、重量轻、对整机的适应性好； n3. 安全可靠、寿命长； n4. 便于与计算机连接； n5. 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； n6. 对环境条件适应能力强; n7. 现场

8、处理简单、操作性能好； n8. 价格便宜。 n4.1.6 机电一体化系统常用传感器 n1. 位移检测传感器 n 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。 n 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。 n 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。 n2. 速度、加速度传感器 n 检测转速的传感器有测速发电机、光电、 磁电式转速传感器。 n 检测加速度可用

9、电容式或压电式加速度传感 器。 n 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。 n 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。 nn = 60N/Zt nn转速 r/min nt 测量时间 s nN -t内的脉冲个数 nZ - 圆盘上的缝隙个数 n3. 力、力矩传感器 n 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

10、式。 n4 位置传感器 n 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。 n 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。 n(1) 接触式位置传感器 n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 na. 由微动开关制成的位置传感器 n二维矩阵式配置的位置传感器 n1、柔软电极 2、柔软绝缘体 n(2) 接近式位置传感器 n接近式位置传感器按其工作原

11、理主要分：电 磁式；光电式；静电容式；超声波式； 气压式等。其基本工作原理可用下图表示出 来。 n 接近式位置传感器的工作原理 n5 视觉传感器 n 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； n2、图像识别：确定对象物的特征(识别符号、读 出文字、识别物体)； n3、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的 缺陷。 n 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 传传感器与微机的接口技术术 输入到

12、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。 n4.2.1 数字量、开关量的接口 n 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。 n4.2.2 模拟量的接口 1. 模拟量的数字化过程 n(1) 时间断续 n采样定理 n 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。 n(2) 数值断续 n 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

13、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； n q=FSR/2n n例 当FSR=10V, n=8时 q = 39.1mv n当FSR=10V, n=12时 q = 2.44mv n当FSR=10V, n=16时 q = 0.15mv n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 n 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。 n 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。 n(1) 逐次逼近型A/D转换器 n结构与工作原理 n去留码规则， UI = UF 保留 1 n UI UF 不保留 1, 置零 nUF

14、 = UREF(2-1a1 + 2-1a2 +2-nan) nAD574A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 n 非线性误差：小于1/2LBS或1LBS n 转换速率：25us n 模拟电压输入范围：010V和020V，0 5V和010V两档四种 n 电源电压：15V和5V n 数据输出格式：12位/8位 12位逐次逼近式A/D转换器AD57

15、4与单片机8051的接口电路 n(2) 双斜积分式A/D转换器 n结构与工作原理 nICL 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。 nICL 7109主要有如下特性： n(1) 高精度(12位) n(2) 低噪声(典型值为15VP-P); n(3)低漂移(1V/)； n(4)高输入阻抗(典型值1012); n(5)低功耗(20mW); n(6)转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶 振作振源时，速

16、度为7.5次/秒； ICL 7109与8031接口电路 n3 采样/保持器 n 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AD转换 器的孔径时间。 n 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AD转换开始时将信号电平保持住，而在AD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。 n 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”。 n采样保持器的组成与工作原理 单片集成采样/保持电路LF198 n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