第五章 传感器与检测系统 第一节 传感器与检测系统概述 第二节 传感器的检测电路及其与微机接口 第三节 机械量检测传感器及应用简介 第四节 利用传感器的控制实例 第五节 传感器的特性分析 第一节 传感器与检测系统概述 一、传感器的定义与概述 1、传感器的涵义 传感器（Transducer or Sensor），有时亦称为换能器、变换器、变送器或探测器，是指能够把规定的被测量（物理量、化学量、生物量等）按照一定的规律转换成可用输出信号（常为电量，如电压、电源、频率、脉冲等）的器件或装置。其主要特征是能够感知和检测某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 2、传感器的应用 在自动检测与自动控制系统中，传感器是感受外界信息的关键部件，相当于人的感觉器官，因而有极其重要的作用，对整个系统的性能有决定性的影响。任何自动化系统都离不开和外界的信息交换，没有传感器，这些系统将无法实现任何功能。系统自动化的程度越高，对传感器的要求就越高。各发达国家都将传感器列为优先发展的高技术而倍加重视。传感器技术、传输技术（通讯）和处理技术（计算机）并称为现代信息技术的三大基础。 传感器技术已广泛应用于工业自动化、航空航天、军事工程、机器人、资源探测、环境监控、医疗诊断、家用电器等各个学科领域。 二、检测系统的功用、组成及基本要求 （一）检测系统的功用及组成 1、何谓检测系统 检测系统是机电一体化产品中的重要组成部分，它包括传感器及其（信号）检测电路。用于实现计测功能。 2、检测系统的组成
（二）基本要求 1、精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电系统对检测精度和速度要求； 2、线性、稳定性和重复性好，工作可靠； 3、静、动态性能好，测量范围大； 4、抗干扰能力强； 5、其它（体积小、重量轻、价格便宜、便于维护和安装，对环境适应能力强等）。 三、传感器的分类与选用 （一）分类 1、若按传感器输出信号的性质分类
传 感 器 传输、存储 运算、放大 ……
信 号 处
控制装置
显示记录 被测物理（非电一次仪二次仪电信图 检测系统
的组成
器，磁尺）代码型（如：旋转编码计数器）计数型（如：二值型＋数字型
变电容）电感、电容型（如：可电池）电偶、电压、电流型（如：热电阻应变片等）电阻型（如：电位器、模拟型关，接近开关）无接点型（如：光电开关）关、接触开关、行程开有接点型（如：微动开二值型电量非电量型传感器Cds
2、按传感器的用途 表 基本被测物理量及其对应的派生物理量 基本被测物理量 派生物理量 位移 线位移 长度、位置、厚度、振幅、应变、磨损等 角位移 角度、偏转角、俯仰角等 速度 线速度 移动、振动、动量、流量等 角速度 转动、角动量、角振动等 加速度 线加速度 冲击、振动、质量、力、应力等 角加速度 角冲击、角振动、转动惯量、力矩、转矩等 力、压力 重力、密度、推力、力矩、转矩、声压、应力等 温度 热量、比热容等 湿度 水分、露点等 （二）选用 选用传感器需从以下几个方面考虑（并注意表4.21和4.22）。 1、检测要求和条件； 2、传感器性能； 3、使用条件。 注：①用户需根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可（对传感器的性能指标，应确保主要性能指标，而放宽次要指标，使其更适用）。 ②所选用的传感器多数已由生产厂家配好转换放大控制电路而不需要用户设计，除非选不到合适的才自己选用传感器的灵敏元件并设计与此相匹配的转换测量电路。 四、传感器的转换原理 （一）光－电转换 入射光照射到PN结上时，使PN结的正向压降发生变化，利用这个特性制作光敏二极管和光敏三级管，使光转换为电压变量。同样，当光照射到半导体材料上时，使电阻发生变化，它将光转换为半导体材料的电阻（或电导）变量。 （二）热－电转换
将半导体材料或导体加热或冷却，使它的电阻发生变化，应用这个效应制作热敏电阻。它将热转换为电阻变量。 （三）力－电压转换
外力作用在电阻应变片上，组成电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1、R2电阻增大，而R3、R4阻值减小，使电桥失去平衡，有信号输出；输出电压与压力呈线性关系。应用力－电转换原理制作力传感器，其线路图如图所示。 （四）力－电荷转换
外力作用在压电晶体（铌酸锂、石英晶体等）上时，使其表面产生电荷或电压变化。根据这个原理制作压电传感器，它将应力转换成电荷Q或电压U变量，如图所示。 （五）磁－电转换 线圈内磁芯作上下移动，磁路中磁阻发生变化，利用这个效应制作磁阻传感器。它将磁转换为交流电压的变化，如图所示。
电容传感器是由介质及被介质分开的两个电极组成的，变化电极间的距离或者改变两级间的介质都可引起电容量的变化。电容传感器将所测变量转换为电容变量，如图所示。
幻灯片16 （六）气体－电阻转换 氧化物半导体材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3等，当其接触气体时，使其表面（或体内）电阻变化，如图所示。利用这种特性制造各种气体传感器，用来检测一些气体，它广泛用于矿井、工业、环保等领域。它将气体转换为电信号输出，实现了气－电转换。
（七）湿度－电阻转换 半导体陶瓷（MgCr2O4－TiO2）材料或多孔性绝缘薄膜Al3O3（SiO2）制作在衬底材料，如图所示，当它接触湿度环境时，吸附水汽，使其电阻发生变化；利用这种特性制作湿度传感器。它将湿度转化为电信号输出，实现了湿度－电阻转换。 五、传感器技术的发展方向 随着信息和自动化技术的发展，传感器的发展方向主要有： （1）新原理 （2）新工艺 （3）新材料 （4）智能化 第二节 传感器的检测电路及其与微机接口 一、传感器的检测电路 （一）传感检测系统构成
图 传感检测系统构成 （二）常见的检测电路 1、模拟型测量电路 2、数字型测量电路 3、开关型测量电路 4、转换电路 (1)电桥 (2)放大电路 (3)调制与解调电路 (4)模/数(A/D)与数/模(D/A)转换电路 二、传感器的微机接口 （一）传感器与微机的三种基本接口 接口方式 基本方法 模拟量接口方式 传感器输出信号→放大→采样/保持→模拟多路开关→A/D转换→I/0接口→微机 开关量接口方式 开关型传感器输出二值式信号(逻辑1或O) →三态缓冲器→微机
数字量接口方式 数字型传感器输出数字量(二进制代码、BCD码、脉冲序列等) →计数器→三态缓冲器→微机
敏感元件 转换元件
基本转换电路
电量 被测量 （二）模拟量输入方式与基本元件 1、四种输入方式（根据模拟量转换、输入的精度、速度和通道等因素确定） （1）单通道直接型
最简单的形式。只用一个A/D转换器及缓冲器将模拟量转换为数字量，并输入微机。受转换电压幅度与速度的限制，应用范围窄 。 （2）多通道一般型
依次对每个模拟通道进行采样保持和转换，节省元、部件。速度低，不能获得同一瞬时的各通道的模拟信号 （3）多通道同步型
各采样/保持同时动作，可测得在同一瞬时各传感器输出的模拟信号 （4）多通道并行输入型
各通道直接进行转换,送入微机或信号通道。灵活性大，抗干扰能力强。根据传感器输出信号的特点可采用采样/保持或不同精度的ADC 2、基本组成元件 （1）输入放大器 （2）抗频混滤波器 （3）采样保持电路 （4）模拟多路开关 （5）A/D转换器及其与微机的连接 图 传感器与微机的连接
第三节 机械量检测传感器及应用简介 在机电一体化产品中，控制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，受控变量通常是机械运动参数（位移、速度、加速度、力、运动轨迹，以及机器操作和加工过程参数等）。 这些参数可以用旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅、磁栅、编码器等来检测，这些传感器所获得的信息，在开环控制系统中可用于数字显示或误差补偿，在闭环控制系统中作为反馈信息（与给定指令值比较后来实现闭环控制）。 一、位置检测传感器 （一）接触式传感器 原理结构图 （二）非接触式传感器 1、高频振荡式接近开关
高频振荡式接近开关原理示意图 幻灯片30 2、静电电容式接近开关
金属体
高频振荡电路 检波电路 波形整形电路 输出电路 静电电容式接近开关原理示意图 幻灯片31 3、光电传感器
光耦合器的图形符号 幻灯片32 二、位移与角度检测传感器 （一）电位差计
检测物体
高频振荡电路 检波电路 整形电路 输出电路
电极板 （检测头）
R C V0
r(θ)