傳感器檢測及其接口電路

第3章傳感器檢測及其接口電路3.1概述3.2位移檢測3.3速度、加速度檢測3.4力、扭矩和流體壓強檢測3.5傳感器前級信號處理3.6傳感器接口技術3.7傳感器非線性補償處理思考題3.1概述 3.1.1檢測系統(tǒng)的組成 (1)把各種非電量信息轉換為電信號,這就是傳感器的功能,傳感器又稱為一次儀表。 (2)對轉換后的電信號進行測量,并進行放大、運算、轉換、記錄、指示、顯示等處理,這叫作電信號處理系統(tǒng),通常被稱為二次儀表。 非電量檢測系統(tǒng)的結構形式如圖3-1所示。

圖3-1非電量檢測系統(tǒng)的結構形式 3.1.2傳感器的概念及基本特性 1.傳感器的構成 傳感器一般由敏感元件、傳感元件和轉換電路三部分組成,如圖3-2所示。圖3-2傳感器的組成框圖 （1）敏感元件:是一種能夠將被測量轉換成易于測量的物理量的預變換裝置,其輸入、輸出間具有確定的數(shù)學關系（最好為線性）。如彈性敏感元件將力轉換為位移或應變輸出。 （2）傳感元件：將敏感元件輸出的非電物理量轉換成電信號（如電阻、電感、電容等）形式。 （3）基本轉換電路：將電信號量轉換成便于測量的電量,如電壓、電流、頻率等。計數(shù)型（二次型+計數(shù)型）

電壓，電流型（熱電偶,Cds電池）電感，電容型（可變電容）有接點型(微動開關，接觸開關，行程開關)

傳感器電阻型（電位器，電阻應變片）非電量型二值型電量無接點型(光電開關，接近開關)模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉編碼器，磁尺）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)標準條件下,利用一定等級的標準設備,對傳感器進行往復循環(huán)測試,得到的輸入/輸出特性（列表或畫曲線）。通常希望這個特性（曲線）為線性,這對標定和數(shù)據(jù)處理帶來方便。但實際的輸出與輸入特性只能接近線性,與理論直線有偏差,如圖3-3所示。圖3-3傳感器的線性度示意圖直線擬合方法a)理論擬合b)過零旋轉擬合c)端點連線擬合d)端點連線平移擬合設擬合直線方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘擬合法最小二乘法擬合y=kx+b若實際校準測試點有n個，則第i個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上響應值之間的殘差為最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)對k和b一階偏導數(shù)等于零，求出a和k的表達式即得到k和b的表達式將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出殘差的最大值Lmax即為非線性誤差。 線性度可用下式計算： 式中：;

γL——線性度(非線性誤差)；

Δmax——最大非線性絕對誤差；

yFS——輸出滿度值。 （2）靈敏度。傳感器在靜態(tài)標準條件下,輸出變化對輸入變化的比值稱為靈敏度,用S0表示,即（3-1） 對于線性傳感器來說,它的靈敏度S0是個常數(shù)。 （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為遲滯,遲滯誤差一般以滿量程輸出yFS的百分數(shù)表示：

式中: ΔHm——輸出值在正、反行程間的最大差值。(3-2)(3-3) 遲滯特性一般由實驗方法確定,如圖3-3所示。圖3-4遲滯特性 （4）重復特性。傳感器在同一條件下,被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復測量時,所得的輸出/輸入曲線不一致的程度,稱為重復特性,如圖3-5所示。重復特性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表示,即 式中:

ΔRm——最大重復性誤差。 重復特性也由實驗方法確定,常用絕對誤差表示,如圖3-5所示。(3-4)圖3-5重復特性分辨力用絕對值表示,用與滿量程的百分數(shù)表示時稱為分辨率。在傳感器輸入零點附近的分辨力稱為閾值。

5．分辨力與閾值分辨力是指傳感器能檢測到的最小的輸入增量。有些傳感器,當輸入量連續(xù)變化時,輸出量只作階梯變化,則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。

6．穩(wěn)定性測試時先將傳感器輸出調至零點或某一特定點，相隔4h、8h或一定的工作次數(shù)后，再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為穩(wěn)定性誤差。它可用相對誤差表示,也可用絕對誤差表示。穩(wěn)定性是指傳感器在長時間工作的情況下輸出量發(fā)生的變化，有時稱為長時間工作穩(wěn)定性或零點漂移。測試時先將傳感器置于一定溫度(如20℃),將其輸出調至零點或某一特定點，使溫度上升或下降一定的度數(shù)(如5℃或10℃),再讀出輸出值，前后兩次輸出值之差即為溫度穩(wěn)定性誤差。8．抗干擾穩(wěn)定性7．溫度穩(wěn)定性溫度穩(wěn)定性又稱為溫度漂移，是指傳感器在外界溫度下輸出量發(fā)生的變化。溫度穩(wěn)定性誤差用溫度每變化若干℃的絕對誤差或相對誤差表示,每℃引起的傳感器誤差又稱為溫度誤差系數(shù)。指傳感器對外界干擾的抵抗能力，例如抗沖擊和振動的能力、抗潮濕的能力、抗電磁場干擾的能力等。評價這些能力比較復雜，一般也不易給出數(shù)量概念，需要具體問題具體分析。

9．靜態(tài)誤差取2σ和3σ值即為傳感器的靜態(tài)誤差。靜態(tài)誤差也可用相對誤差來表示，即靜態(tài)誤差的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對應值的殘差,看成是隨機分布,求出其標準偏差,即靜態(tài)誤差是指傳感器在其全量程內任一點的輸出值與其理論值的偏離程度。yi—各測試點的殘差；n一測試點數(shù)。

10、精確度與精確度有關指標：精密度、準確度和精確度(精度)準確度：說明傳感器輸出值與真值的偏離程度。如,某流量傳感器的準確度為0.3m3/s，表示該傳感器的輸出值與真值偏離0.3m3/s。準確度是系統(tǒng)誤差大小的標志，準確度高意味著系統(tǒng)誤差小。同樣，準確度高不一定精密度高。精密度：說明測量傳感器輸出值的分散性，即對某一穩(wěn)定的被測量，由同一個測量者，用同一個傳感器，在相當短的時間內連續(xù)重復測量多次，其測量結果的分散程度。例如，某測溫傳感器的精密度為0.5℃。精密度是隨即誤差大小的標志，精密度高，意味著隨機誤差小。注意：精密度高不一定準確度高。精確度：是精密度與準確度兩者的總和，精確度高表示精密度和準確度都比較高。在最簡單的情況下，可取兩者的代數(shù)和。機器的常以測量誤差的相對值表示。

（a）準確度高而精密度低（b）準確度低而精密度高（c）精確度高在測量中我們希望得到精確度高的結果。

動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標準輸入特性來考慮傳感器的響應特性。標準輸入有三種：經(jīng)常使用的是前兩種。正弦變化的輸入階躍變化的輸入線性輸入3.傳感器的動態(tài)特性 3.1.3信號傳輸與處理電路 傳感器信號處理電路內容的選擇所要考慮的問題主要包括： （1）傳感器輸出信號形式,如是模擬信號還是數(shù)字信號,是電壓還是電流。 （2）傳感器輸出電路形式,是單端輸出還是差動輸出。 （3）傳感器電路的輸出能力,是電壓還是功率,輸出阻抗的大小如何等。 （3）傳感器的特性,如線性度、信噪比、分辨率。

3.1.4傳感器的選用原則

快速、準確、可靠、經(jīng)濟的獲取信號。傳感器的選擇所要考慮的問題主要包括： 1）足夠的量程；2）與測量或控制系統(tǒng)匹配、轉換靈敏度高；3）精度適當、穩(wěn)定性高；4）反應速度快、工作可靠；5）實用性和適應性強；6）使用經(jīng)濟；1、電子秤使用的測力裝置：力傳感器力傳感器的應用——電子秤2、常見的一種力傳感器：金屬梁應變片應變片是一種敏感元件，多用半導體材料制成3、力傳感器的工作原理：金屬梁U2U1兩個應變片的形變引起電阻變化，致使兩個應變片的電壓差變化，力F越大，電壓差就越大。拉伸R1變大壓縮R2變小固定溫度傳感器的應用——電熨斗1、電熨斗中的溫度傳感器對溫度的控制：1）達到設定溫度后將不再升溫；2）使用中溫度降低后自動升溫到設定溫度；3）根據(jù)衣物不同設定不同的溫度。2、電熨斗中的傳感器：雙金屬片溫度傳感器3、電熨斗的結構：上層金屬片的熱膨脹系數(shù)大于下層的金屬片。溫度傳感器的應用——電飯鍋1、電飯鍋中的溫度傳感器：主要元件是感溫鐵氧體2、感溫鐵氧體是用氧化錳MnO2、氧化鋅ZnO和氧化鐵Fe2O3粉末混合燒結而成，特點是常溫下具有鐵磁性，能夠被磁體吸引；升溫后，約達103℃

(稱為居里溫度或居里點)時，就會失去磁性，不能被磁體吸引。3、電飯鍋的結構：光傳感器的應用——火災報警器1、天花板上的火災報警器：是利用煙霧對光的散射來工作的2、如圖所示，帶孔的罩子內裝有發(fā)光二極管LED、光電三極管(特性：強光下電阻將變小)和不透明的擋板。平時，因擋板的作用，光電三極管收不到LED發(fā)出的光，電阻較大；當有煙霧進入罩內，由于煙霧對光的散射，使部分光線照射到光電三極管上，導致其電阻變小。與之相連的電路檢測到這種變化，就會發(fā)出警報。加速度計如圖所示為一個加速度傳感器，質量為m的滑塊2可以在光滑的框架1中平移，滑塊兩側用彈簧3拉著，R為滑動變阻器，4是滑動片，它與電阻器任一端間的電阻值都與它到這端的距離成正比，兩個電池E的電壓相同，電壓表指針的零點調在中央，當P端的電勢高于Q端時，指針向零點右側偏轉。當物體具有圖示方向的加速度a時，電壓表的指針將向哪個方向偏轉？1、滑動片4指在變阻器正中央時，P、Q等勢，電壓表指在中央零刻度；2、如圖滑動片4向左端滑動，左端電阻小，電流流過時電勢降落小，故Q點電勢高于P，電壓表指針向零點左側偏；且加速度越大，偏轉越大。機械式鼠標器的工作原理鼠標器移動時，滾球運動通過滾軸帶動兩個碼盤轉動，紅外接收管就收到斷續(xù)的紅外線脈沖，輸出相應的電脈沖信號.計算機分別統(tǒng)計x、y兩個方向的脈沖信號，處理后就使屏幕上的光標產(chǎn)生相應的位移。

在光電鼠標內部有一個發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面（這就是為什么鼠標底部總會發(fā)光的原因）；然后將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過一組光學透鏡（下圖），傳輸?shù)揭粋€光感應器件（微成像器）內成像。這樣，當光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像，最后利用光電鼠標內部的一塊專用圖像分析芯片（DSP，即數(shù)字微處理器）對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位。 3.2.1模擬式位移傳感器3.2位移檢測1電容式位移傳感器以電容器為敏感元件，將機械位移量轉換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。電容傳感器的形式很多，常使用變極距式電容傳感器和變面積式電容傳感器進行位移測量。

(1).變極距式電容傳感器

圖2是空氣介質變極距式電容傳感器的工作原理圖。圖中一個電極板固定不變，稱為固定極板，另一極板間距離d響應變化，從而引起電容量的變化。因此，只要測出電容量的變化量⊿C，便可測得極板間距變化量，即動極板的位移量⊿d。

(1)變極距式電容傳感器變極距電容傳感器的初始電容Co可由下式表達，即

式中：ε——真空介電常數(shù)（8.85×10-12F/m）

A——極板面積（m2）

do——極板間距初始距離（m）

傳感器的這種變化關系呈非線性，如圖所示。

(1)變極距式電容傳感器(1)變極距式電容傳感器當極板初始距離由do減少⊿d時，則電容量相應增加⊿C，即

電容相對變化量⊿C/Co為

由于

，在實際使用時常采用近似線性處理，即

(1)變極距式電容傳感器

此時產(chǎn)生的相對非線性誤差γo為

這種處理的結果，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖4所式。(1)變極距式電容傳感器為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這種傳感器的結構，如圖5所示。它有三個極板，其中兩個固定不動，只有中間極板可產(chǎn)生移動。當中間活動極板處于平衡位置時，即d1=d2=do，則C1=C2=Co，如果活動極板向右移動⊿d,則d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為

傳感器的相對非線性誤差γo為

(1)變極距式電容傳感器(2)變面積式電容傳感器

圖6是變面積式電容傳感器結構示意圖，它由兩個電極構成，其中一個為固定極板，另一個為可動極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質不變（即電介質常數(shù)不變），當兩極板完全重疊時，其電容量為

Co=⊿A/d

當動極板繞軸轉動一個α角時，兩極板的對應面積要減小⊿A，則傳感器的電容量就要減小⊿C。如果我們把這種電容量的變化通過諧振電路或其它回路方法檢測出來，就實現(xiàn)了角位移轉換為電量的電測變換。

電容式位移傳感器的位移測量范圍在1um—10mm之間，變極距式電容傳感器的測量精度約為2%。變面積式電容傳感器的測量精度較高，其分辨率可達0.3um。 2.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構如圖3-6所示,它主要由線圈、鐵心和活動銜鐵組成。圖3-6可變磁阻式電感傳感器 當線圈通以激磁電流時,其自感L與磁路的總磁阻Rm有關,即 （3-5） 式中: W——線圈匝數(shù)；

Rm——總磁阻。 如果空氣隙δ較小,而且不考慮磁路的損失,則總磁阻為（3-6） 式中:;

L——鐵心導磁長度（m）；

μ——鐵心導磁率（H/m）；

A——鐵心導磁截面積（m2）,

A=a×b;

δ——空氣隙(m),δ=δ0+Δδ;

μ0——空氣磁導率（H／m）,μ0=2π×10-7;

A0——空氣隙導磁截面積（m2）。 由于鐵心的磁阻與空氣隙的磁阻相比是很小的,因此計算時鐵心的磁阻可以忽略不計,故 （3-7） 將式(3-7)代入式(3-5),得（3-8） 式（3-8）表明,自感L與空氣隙δ的大小成反比,與空氣隙導磁截面積A0成正比。當A0固定不變而改變δ時,L與δ成非線性關系,此時傳感器的靈敏度為 圖3-7為差動型磁阻式傳感器,它由兩個相同的線圈、鐵心及活動銜鐵組成。當活動銜鐵接于中間位置（位移為零）時,兩線圈的自感L相等,輸出為零。當銜鐵有位移Δδ時,兩個線圈的間隙為δ0+Δδ,δ0-Δδ,這表明一個線圈的自感增加,而另一個線圈的自感減小。（3-9）圖3-7可變磁阻差動式傳感器圖3-8可變磁阻面積型電感傳感器 如圖3-9所示,在可變磁阻螺管線圈中插入一個活動銜鐵,當活動銜鐵在線圈中運動時,磁阻將變化,導致自感L的變化。圖3-9可變磁阻螺管型傳感器 3.渦流式傳感器 渦流式傳感器的變換原理,是金屬導體在交流磁場中的渦電流效應。如圖3-10所示,金屬板置于一只線圈的附近,它們之間相互的間距為δ。 （1）高頻反射式渦流傳感器。如圖3-10所示,高頻(>1MHz)激勵電流i0產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面,由于集膚效應,在金屬板表面將形成渦電流。圖3-10高頻反射式渦流傳感器 （2）低頻透射式渦流傳感器。低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖3-11所示。圖3-11低頻透射式渦流傳感器（a）原理圖；（b）曲線圖 4.互感型差動變壓器式電感傳感器 差動變壓器式電感傳感器是常用的互感型傳感器,其結構形式有多種,以螺管型應用較為普遍,其結構及工作原理如圖3-12（a）、（b）所示。圖3-12差動變壓器式電感傳感器（a）、（b）工作原理;（c）輸出特性 圖3-13是用于小位移的差動相敏檢波電路的工作原理。圖3-13差動相敏檢波電路的工作原理 圖3-13是電感測微儀所用的螺旋差動型位移傳感器的結構圖。圖3-13螺旋差動型傳感器的結構圖 3.2.2數(shù)字式位移傳感器 光柵由標尺光柵和指示光柵組成,兩者的光刻密度相同,但體長相差很多,其結構如圖3-15所示。 它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列的,如圖3-16所示。圖3-15光柵測量原理圖3-16莫爾條紋示意 光柵莫爾條紋的特點是起放大作用,用W表示條紋寬度,P表示柵距,θ表示光柵條紋間的夾角,則有 若P＝0.01mm,把莫爾條紋的寬度調成10mm,則放大倍數(shù)相當于1000倍,即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大1000倍,因而大大減輕了電子線路的負擔。 光柵測量系統(tǒng)的基本構成如圖3-17所示。(3-10)圖3-17光柵測量系統(tǒng)圖3-18感應同步器原理圖滑尺表面刻有兩個繞組,即正弦繞組和余弦繞組,見圖3-18。

圓盤式感應同步器如圖3-19所示,其轉子相當于直線感應同步器的滑尺,定子相當于定尺,而且定子繞組中的兩個繞組也錯開1/3節(jié)距。圖3-19圓盤式感應同步器（a）定子；（b）轉子 （1）鑒相式。所謂鑒相式,就是根據(jù)感應電勢的相位來鑒別位移量。 即uA=Umsinωt,uB=Umcosωt時,則定尺上的繞組由于電磁感應作用將產(chǎn)生與激磁電壓同頻率的交變感應電勢。圖3-20說明了感應電勢幅值與定尺和滑尺相對位置的關系。

圖3-20滑尺繞組位置與定尺感應電勢幅值的變化關系 滑尺在定尺上每滑動一個節(jié)距,定尺繞組感應電勢就變化了一個周期,即

eA=Ku

–Acosθ（3-11） 式中:;

K——滑尺和定尺的電磁耦合系數(shù)；

θ——滑尺和定尺相對位移的折算角。 若繞組的節(jié)距為W,相對位移為l,則 （3-12）

同樣,當僅對正弦繞組B施加交流激磁電壓UB時,定尺繞組感應電勢為

e

B=-Ku

Bsinθ （3-13） 對滑尺上兩個繞組同時加激磁電壓,則定尺繞組上所感應的總電勢為 e=e

A+eB=KuA

cosθ-KuBsinθ =KUmsinωtcosω-KU

m

cosωtsinω =KUmsin(ωt-θ) （3-13） 從上式可以看出,感應同步器把滑尺相對定尺的位移l的變化轉成感應電勢相角θ的變化。因此,只要測得相角θ,就可以知道滑尺的相對位移l： （3-15） （2）鑒幅式。在滑尺的兩個繞組上施加頻率和相位均相同,但幅值不同的交流激磁電壓uA和uB。

uA=Umsinθ-1sinωt（3-16）

uB=Umcosθ-1sinωt（3-17） 式中:θ1——指令位移角。 設此時滑尺繞組與定尺繞組的相對位移角為θ,則定尺繞組上的感應電勢為

e=KuAcosθ-KuBsinθ=KUm(sinθ-1cosθ-cosθ-1sinθ)sinωt=KUmsin(θ1-θ)sinωt（3-18）3.3速度、加速度檢測 3.3.1直流測速機速度檢測 圖3-21所示為永磁式測速機的原理圖。圖3-21永磁式測速機的原理圖 直流測速機的輸出特性曲線如圖3-22所示。圖3-22直流測速機的輸出特性 3.3.2光電式轉速傳感器 光電式轉速傳感器是一種角位移傳感器,由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件和指示縫隙盤組成,如圖3-23所示。圖3-23光電式轉速傳感器的結構原理圖 根據(jù)測量單位時間內的脈沖數(shù)N,則可測出轉速為 （3-19） 式中:

Z——圓盤上的縫隙數(shù)；

n——轉速(r／min)；

t——測量時間(s)。 一般取Z=60×10m(m＝0,1,2,…)。利用兩組縫隙間距W相同,位置相差（i／2+1／4）W（i＝0,1,2,…）的指示縫隙和兩個光電器件,就可辨別出圓盤的旋轉方向。應變式傳感器加速度測試原理如圖3-24所示,它通過測試慣性力引起彈性敏感元件的變形換算出力的關系。

圖3-24應變式加速度傳感器圖3-25晶體的壓電原理1.壓電效應及壓電材料 圖3-25表示晶體切片在z軸和y軸方向受壓力和拉力時電荷產(chǎn)生方向的情況。 2.壓電傳感器的結構及特性 壓電傳感器一般由兩片或多片壓電晶體粘合而成,由于壓電晶片有電荷極性,因此接法上分成并聯(lián)和串聯(lián)兩種（如圖3-26所示)。圖3-26壓電傳感器的并聯(lián)、串聯(lián)示意圖(a)并聯(lián)；(b)串聯(lián) 3.壓電傳感器的應用 壓電加速度測試傳感器的結構如圖3-27所示。圖3-27壓電加速度傳感器的結構3.3力、扭矩和流體壓強檢測 3.3.1力、力矩檢測 1.柱形或筒形彈性元件 如圖3-28所示,這種彈性元件結構簡單,可承受較大的載荷,常用于測量較大力的拉（壓）力傳感器中,但其抗偏心載荷和測向力的能力差,制成的傳感器高度大。應變片在柱形和筒形彈性元件上的粘貼位置及接橋方法如圖3-28所示。圖3-28柱形和筒形彈性元件組成的測力傳感器 若在彈性元件上施加一壓力p,則筒形彈性元件的軸向應變εL為 用電阻應變儀測出的指示應變?yōu)?/p>

ε=2(1+μ)εL（3-21） 式中:;

p——作用于彈性元件上的載荷；

E——圓筒材料的彈性模量；

μ——圓筒材料的泊松系數(shù)；

A——筒體截面積,A=π(D1-D2)+2／3。其中,D1為筒體外徑,D2為筒體內徑。(3-20) 2.梁式彈性元件 （1）懸臂梁式彈性元件。它的特點是結構簡單,容易加工,粘貼應變片方便,靈敏度較高,適用于測量小載荷的傳感器。圖3-29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變片，組成差動工作形式的電橋輸出。圖3-29懸臂梁式測力傳感器示意圖 若梁的自由端有一被測力p,則應變片感受的應變?yōu)? 電橋輸出為

USC=KεU

0（3-23） 式中:;

l——應變計中心處距受力點距離；

b——懸臂梁寬度；

h——懸臂梁厚度；

E——懸臂梁材料的彈性模量；

K——應變計的靈敏系數(shù)。(3-22) （2）兩端固定梁。這種彈性元件的結構形狀、參數(shù)以及應變片粘貼組成橋的形式如圖3-30所示。它的懸臂梁剛度大,抗側向能力強。粘貼應變片感受應變與被測力p之間的關系為

（3-23）

它的電橋輸出與式（3-23）相同。圖3-30兩端固定式測力傳感器示意圖 （3）梁式剪切彈性元件。 與梁式彈性元件相比,它的線性好、抗偏心載荷和側向力的能力大,其結構和粘貼應變片的位置如圖3-31所示。圖3-31梁式剪切型測力傳感器示意圖 粘貼應變片處的應變與被測力p之間的關系近似為 （3-25） 式中:G為彈性元件的剪切模量；b和h為粘貼應變片處梁截面的寬度和高度。 3.扭矩測量圖3-32所示為電阻應變轉矩傳感器。它的彈性元件是一個與被測轉矩的軸相連的轉軸,轉軸上貼有與軸線成35°的應變片,應變片兩兩相互垂直,并接成全橋工作的電路方式。應變片感受的應變與被測試件的扭矩MT的關系如下式：圖3-32轉矩傳感器示意圖

MT=2GWT（3-26） 式中:G=E/2（1+μ）為剪切彈性量；WT為抗扭截面模量,實心圓軸的WT=πD+3/16,空心圓軸的WT=πD3(1-α+3)/16,α=d/D,d為空心圓柱內徑,D為外徑。 3.3.2流體壓強傳感器 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。其一表面承受被測分布壓力,另一側面貼有應變片。應變片接成橋路輸出,如圖3-33所示。圖3-33膜式壓力傳感器 膜片上粘貼應變片處的徑向應變εr和切向應變εt與被測力p之間的關系為 式中:;

x——應變計中心與膜片中心的距離；

h——膜片厚度；

r——膜片半徑；

E——膜片材料的彈性模量；

μ——膜片材料的泊松比。（3-27）（3-28） 為保證膜式傳感器的線性度小于3％,在一定壓力作用下,要求

2.筒式壓力傳感器 如圖3-33所示,工作應變片R1、R3沿圓周方向貼在筒壁上,溫度補償應變計R2、R3貼在筒底壁上,并接成全橋線路。這種傳感器適用于測量較大壓力。對于薄壁圓筒(壁厚與臂的中面曲率半徑之比<1／20),筒壁上工作應變計處的切向應變與被測壓力p的關系,可用下式求得：(3-29)圖3-33筒式壓力傳感器

對于厚壁圓筒（壁厚與中面曲率半徑之比大于1／20）,則有 （3-31） 式中:;

D1——圓筒內孔直徑；

D2——圓筒的外壁直徑；

E——圓筒材料的彈性模量；

μ——圓筒材料的泊松系數(shù)。（3-30）3.4位置傳感器

3.4.1接觸式位置傳感器

1.由微動開關制成的位置傳感器

2.二維矩陣式配置的位置傳感器

3.4.2接近式位置傳感器

接近式位置傳感器按其工作原理主要分：電磁式、光電式、靜電容式，氣壓式和超聲波式。其基本工作原理可用圖表示出來

1.電磁式傳感器高頻振蕩電路在檢測部分有檢測線圈，檢測對象為金屬體。當開關接近金屬體時，檢測線圈的電感量發(fā)生變化，使振蕩回路停振，檢測出這一停振變化，產(chǎn)生輸出信號。高頻振蕩電路金屬體檢波電路波形整形電路輸出電路

2.電容式傳感器

電容式接近開關在檢測部分采用導體電極，當電極與被測物一接近，檢測部分的導體電極與被測對象之間產(chǎn)生靜電電容變化。利用這一現(xiàn)象制成電容式接近開關，檢測出這一電容量的變化，產(chǎn)生輸出信號。檢測物體高頻震蕩電路檢波電路整形電路輸出電路電極板(檢測頭) 3.光電式傳感器

3.5傳感器前級信號處理 3.5.1測量放大器 圖3-35為三個運放組成的測量放大器,差動輸入端U1和U2分別是兩個運算放大器(A1、A2)的同相輸入端,因此輸入阻抗很高。采用對稱電路結構,而且被測信號直接加入到輸入端上,從而保證了較強的抑制共模信號的能力。A3實際上是一差動跟隨器,其增益近似為1。測量放大器的放大倍數(shù)由下式確定：

如果圖3-35中左邊兩個運放采用7650,這將是非常優(yōu)質的放大。(3-32)(3-33)圖3-35測量放大器原理圖 AD522主要可用于惡劣環(huán)境下要求進行高精度數(shù)據(jù)采集的場合。由于AD522具有低電壓漂移(2μV/℃)、低非線性(0.005％，增益為100時)、高共模抑制比(>110dB,增益為1000時)、低噪聲(1.5V（P-P）,0.1～100Hz)、低失調電壓(100V)等特點,因而可用于許多12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖3-36為AD522的典型接法。圖3-36AD522的外圍電路 利用數(shù)據(jù)防護端可以克服上述影響（如圖3-37所示）。對于無此端子的儀器用放大器,如AD523、AD623等,可在RG2(如圖3-30所示)端取得共模電壓,再用一運放作為它的輸出緩沖屏蔽驅動器。運放應選用具有較低偏流的場效應管運放,以減少偏流流經(jīng)增益電阻時對增益產(chǎn)生的誤差。

圖3-37AD522的典型應用 3.5.2程控增益放大器 圖3-38即為一利用改變反饋電阻的辦法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當開關S1閉合,S2和S3斷開時,放大倍數(shù)為 （3-33） 而當S2閉合,而其余兩個開關斷開時,其放大倍數(shù)為 （3-35） 選擇不同的開關閉合,即可實現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對開關閉合情況進行選擇,即可實現(xiàn)程控增益變換。圖3-38程控增益放大器原理圖 圖3-39為AD521測量放大器與模擬開關結合組成的程控增益放大器,通過改變其外接電阻R的辦法可實現(xiàn)增益控制。圖3-39由AD521和模擬開關構成的程控增益放大器 圖3-30為AD523的結構原理圖,其特點是具有低失調電壓（50mV）,低失調電壓漂移（0.5μV/℃）,低噪聲(0.3μV（P-P）,0.1～10Hz),低非線性（0.003％,增益為1時）,高共模抑制比（120dB,增益為1000時,增益帶寬為25MHz),具有輸入保護等。從其結構圖可知,對于1,10,100和1000倍的整數(shù)倍增益,無需外接電阻,在具體使用時只需一個模擬開關的控制即可達到目的；對于其他倍數(shù)的增益控制,也可用外接增益調節(jié)電阻的方法來實現(xiàn),同樣也可用改變反饋電阻與D/A轉換器的結合、甚至改變其參考端電壓的方法來實現(xiàn)程控增益。圖3-30AD523原理圖 3.5.3隔離放大器 由于隔離放大器采用了浮離式設計,消除了輸入、輸出端之間的耦合,因此還具有以下特點： （1）能保護系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害,防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。 （2）泄漏電流低,對于測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,能對直流和低頻信號(電壓或電流)進行準確、安全的測量。

圖3-31為283型隔離放大器的電路結構圖。為提高微電流和低頻信號的測量精度,減小漂移,其電路采用調制式放大,其內部分為輸入、輸出和電源三個彼此相互隔離的部分,并由低泄漏高頻載波變壓器耦合在一起。通過變壓器的耦合,將電源電壓送入輸入電路并將信號從輸出電路送出。輸入部分包括雙極型前置放大器、調制器；輸出部分包括解調器和濾波器,一般在濾波器后還有緩沖放大器。圖3-31283型隔離放大器的電路結構圖3.6傳感器接口技術 3.6.1傳感器信號的采樣/保持 在對模擬信號進行模/數(shù)變換時,從啟動變換到變換結束的數(shù)字量輸出,需要一定的時間,即A/D轉換器的孔徑時間。當輸入信號頻率提高時,由于孔徑時間的存在,會造成較大的轉換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生,必須在A/D轉換開始時將信號電平保持住,而在A/D轉換結束后又能跟蹤輸入信號的變化,即對輸入信號處于采樣狀態(tài)。能完成這種功能的器件叫采樣/保持器。從上面的分析也可知,采樣/保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。在模擬量輸出通道,為使輸出得到一個平滑的模擬信號,或對多通道進行分時控制時,也常使用采樣/保持器。 1.采樣/保持器的原理 采樣/保持器由存儲電容C,模擬開關S等組成,如圖3-42所示。圖3-42采樣/保持原理 2.集成采樣/保持器

集成采樣／保持器的特點是： （1）采樣速度快、精度高,一般在2~2.5s內即可達到±0.01％～±0.003％的精度。 （2）下降速率慢,如AD585,AD338為0.5mV／ms,AD389為0.1V／ms。 正因為集成采樣／保持器有許多優(yōu)點,因此得到了極為廣泛的應用。下面以LF398為例,介紹集成采樣／保持器的原理。圖3-43為LF398的原理圖。由圖可知,其內部由輸入緩沖級、輸出驅動級和控制電路三部分組成。圖3-33LF398的原理圖 主要技術指標有： （1）工作電壓：±5～±18V。 （2）采樣時間：≤10μs。 （3）可與TTL、PMOS、CMOS兼容。 （3）當保持電容為0.01μF時,典型保持步長為0.5mV （5）低輸入漂移,保持狀態(tài)下輸入特性不變。 （6）在采樣或保持狀態(tài)時高電源抑制。

圖3-43為LF398的外引腳圖,圖3-45為其典型應用圖。在有些情況下,還可采取兩級采樣保持串聯(lián)的方法,選用不同的保持電容,使前一級具有較高的采樣速度而使后一級保持電壓下降速率慢,兩級結合構成一個采樣速度快而下降速度慢的高精度采樣／保持電路,此時的采樣總時間為兩個采樣／保持電路時間之和。圖3-43LF398的外引腳圖圖3-45LF398的典型應用圖 3.6.2多通道模擬信號輸入 1.常用多路模擬開關集成電路 1）單端8通道 AD7501是單片集成的CMOS8選1多路模擬開關,每次只選中8個輸入端的一路與公共端接通,選通通道是根據(jù)輸入地址編碼而得到的。所有數(shù)字量輸入均可用TTL或CMOS電路。圖3-46為AD7501的外引腳圖和原理圖。 圖3-46AD7501的外引腳原理圖。 AD7501的主要參數(shù)有： (1)導通電阻Ron的典型值為170（-10V≤VS≤10V）,導通電阻溫漂為0.5％／℃,路間偏差為3％。 (2)輸入電容：3pF。 (3)開關時間：ton=0.8μs,toff=0.8μs。 (3)極限電源電壓：UDD＝+17V,USS＝-17V。 2）單端16通道 AD7506為單端16選1多路模擬開關,圖3-37為AD7506的外引腳圖和原理圖。圖3-47AD7506的外引腳圖和原理圖 (1)導通電阻Ron＝300。導通電阻溫漂為0.5％／℃,路間偏差為3％。 (2)開關時間：ton=0.8μs,toff=0.8μs。 (3)極限電源電壓：UDD＝＋17V,USS＝-17V。 3）差動3通道 AD7502是差動3通道多路模擬開關,其主要特性與AD7501的基本相同,但在同選通地址情況下有兩路同時選通。其外引腳和原理圖如圖3-38所示。圖3-38AD7502的外引腳圖和原理圖 2.多路模擬開關應用舉例 在許多機電一體化產(chǎn)品中,都需要用到多路模擬量輸入情況,此時可采用多路模擬開關來實現(xiàn)。圖3-39為利用AD7501組成的8路模擬量輸入通道。對于16路輸入情況,可使用兩片AD7501組合而成,見圖3-50。圖3-39AD75018路輸入圖3-50兩片AD7501組成16路輸入 3.多路開關選用時的注意事項 （1）對于傳輸信號電平較低的場合,可選用低壓型多路模擬開關,這時必須在電路中有嚴格的抗干擾措施,一般情況下選用常用的高壓型。 （2）對于要求傳輸精度高而信號變化慢的場合,如利用鉑電阻測量緩變溫度場,就可選用機械觸點式開關。但在輸入通道較多的場合,應考慮其體積問題。 （3）在切換速度要求高、路數(shù)多的情況下,宜選用多路模擬開關。在選用時應盡可能根據(jù)通道量選取單片模擬開關集成電路,因為在這種情況下每路特性參數(shù)可基本一致；在使用多片組合時,也宜選用同一型號的芯片以盡可能使每個通道的特性一致。 （3）在選擇多路模擬開關的速度時,要考慮到其后級采樣保持電路和A／D的速度,只需略大于它們的速度即可,不必一味追求高速。 （5）在使用高精度采樣/保持A／D進行精密數(shù)據(jù)采集和測量時,需考慮模擬開關的傳輸精度問題,尤其需注意模擬開關漂移特性。因為如果性能穩(wěn)定,即使開關導通電阻較大,也可采取補償措施來消除影響；但如果阻值和漏電流等漂移很大,將會大大影響測量精度。3.7傳感器非線性補償處理 在完成了非線性參數(shù)的線性化處理以后,要進行工程量轉換,即標度變換,才能顯示或打印帶物理單位(如℃)的數(shù)值,其框圖如圖3-51。圖3-51數(shù)字量非線性校正框圖 下面介紹非線性軟件處理方法。 用軟件進行“線性化”處理的方法有三種： 1.計算法 2.查表法 程序流程圖,如圖3-52所示。圖3-52順序查表法程序流程圖 3.插值法 1）插值原理 設某傳感器的輸出特性曲線（例如電阻—溫度特性曲線）如圖3-53所示。圖3-53分段先行插值原理 設x在（xi,xi+1）之間,則其對應的逼近值為

（3-36） 將上式進行化簡,可得

y=y

i+ki(x-xi)（3-37） 或

y=yi0+k

ix（3-38） 其中,yi0=yi-k

ixi為第i段直線的斜率。 式（3-37）是點斜式直線方程,而式（3-38）為截矩式直線方程。上兩式中,只要n取得足夠大,即可獲得良好的精度。 2）插值法的計算機實現(xiàn) 下邊以點斜式直線方程（3-37）為例,講一下用計算機實現(xiàn)線性插值的方法。 第一步,用實驗法測出傳感器的變化曲線y=f（x）。 第二步,將上述曲線進行分段,選取各插值基點。 第三步,確定并計算出各插值點的xi、yi值及兩相鄰插值點間的擬合直線的斜率ki,并存放在存儲器中。 第四步,計算x-xi。 第五步,找出x所在的區(qū)域（xi,xi+1）,并取出該段的斜率ki。 第六步,計算ki(x-xi)。 第七步,計算結果y=yi+ki（x-xi）。 程序框圖見圖3-53。圖3-53先行插值計算程序流程圖3.8傳感器輸出信號的數(shù)字濾波

在機電一體化測控系統(tǒng)的輸入信號中，一般都含有各種干擾信號，它們主要來自被測信號本身、傳感器或者外界的干擾。為了提高信號的可靠性，減小虛假信息的影響，可采用軟件方法實現(xiàn)數(shù)字濾波。

數(shù)字濾波就是通過一定算法程序的計算或判斷來剔除或減少干擾信號成分，提高信噪比。它與硬件濾波器相比具有以下優(yōu)點：(1)數(shù)字濾波是用軟件程序實現(xiàn)的，不需要增加任何硬件設備，也不存在阻抗匹配問題，可以多個通道共用，不但節(jié)約投資，還可提高可靠性、穩(wěn)定性。(2)可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，而模擬RC濾波器由于受電容容量的限制,頻率不可能太低。(3)靈活性好，可以用不同的濾波程序實現(xiàn)不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)。正因為用軟件實現(xiàn)數(shù)字濾波具有上述特點，所以在機電一體化測控系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用。數(shù)字濾波的方法有很多種，可以根據(jù)不同的測量參數(shù)進行選擇。下面介紹幾種常用的數(shù)字濾波方法及程序。3.8.1算術平均值法

式中:xi——第i次采樣值；Y——數(shù)字濾波的輸出；N——采樣次數(shù)。N的選取應按具體情況決定。若N大，則平滑度高，靈敏度低，但計算量較大。一般而言，對于流量信號，推薦取N＝12；壓力信號取N=4。3.8.2中值濾波法

所謂“中值濾波法”，就是對某一個被測量連續(xù)采樣n次(一般取奇數(shù))，然后把n個采樣值從小到大(或從達到小)排序，再取中間值作為本次采樣的結果。X1<X2<X3<X4<X5，取X3中值濾波能有效地濾去由于偶然因素引起的波動(脈沖)或采樣器的不穩(wěn)定造成的誤碼等引起的脈沖干擾。對緩慢變化的過程變過采用中值濾波有效果。中值濾波不宜用于快速變化的過程參數(shù)。3.8.3防脈沖干擾復合濾波法

將算術平均值法和中值濾波法結合起來，便可得到防脈沖干擾平均值法。它是先用中值濾波原理濾除由于脈外干擾引起誤差的采樣值，然后把剩下的采樣值進行算術平均。

3.9智能傳感器3.9.1智能傳感器的概念

智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器(或微計算機)相結合而構成的,它充分利用計算機的計算和存儲能力,對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理,并能對它的內部行為進行調節(jié),使采集的數(shù)據(jù)最佳。3.9.2智能傳感器的功能與特點智能傳感器的功能概括起來主要有以下7個；自補償能力:通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償。(2)自校準功能:操作者輸入零值或某一標準量值后,自校準軟件可以自動地對傳感器進行在線校準。(3)自診斷功能:接通電源后,可對傳感器進行自檢,檢查傳