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1、第二章第二章 传感器及其接口处理技术传感器及其接口处理技术 2.1 概述概述 在机电一体化系统中有各种不同的物理量在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、如位移、压力、速度等速度等)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。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
2、发展正进入集成化、智能化作为一个独立器件，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。芯片上，就是所谓的智能型传感器。n n2.1.1 传感器的定义传感器的定义n 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、加速度等如位移、力、加速度等)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(如电量如电量)的测量部件或装置。n n2.1.2 组
3、成组成n n 组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。n n 1 1 敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件 直接感受被测量、并以确定关系输出直接感受被测量、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。物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。n n 2 2 转换元件转换元件转换元件转换元件 将敏感元件输出的非电物理量将敏感元件输出的非电物理量(如位如位移、应变、光强等移、应变、光强等)转换成电量参数转换成电量参数(如电阻、电感、如电阻、电感、电容等电容等)等。等。n n 3 3 基本转换电路基本转换电路基本转换电路基本转换电路 将电路参数量转换成便于测量的将电路参数量转换成
4、便于测量的电量，如电压、电流、频率等。电量，如电压、电流、频率等。n n直接转换与间接转换直接转换与间接转换传感器的组成传感器的组成 2.1.3 传感器的特性传感器的特性n n传感器比较常用的性能指标有以下几种传感器比较常用的性能指标有以下几种n n1.1.关于输入量的特性：关于输入量的特性：关于输入量的特性：关于输入量的特性：n n(1)(1)量程或测量范围量程或测量范围量程或测量范围量程或测量范围n n 传感器预期要测量的被测量值的范围，一般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限值也称为满
5、量程FSFS。n n(2)(2)过载能力过载能力过载能力过载能力n n 传感器允许承受的最大输入量传感器允许承受的最大输入量(被测量被测量),),通常通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。n n2.2.关于输入输出关系的静态特性关于输入输出关系的静态特性n n(1)(1)精度精度n n表示测量结果与被测的表示测量结果与被测的“真值真值”的接近程度。一的接近程度。一般用般用“极限误差极限误差”或极限误差与满量程的比值按或极限误差与满量程的比值按百分数给出。百分数给出。n n(2)(2)重复性重复性n n反映传感器在工作条件不变的情况下，重复地输反映传
6、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。义与精度类似。n n(3)(3)线性度线性度n n 也称非线性，表示传感器输出与输入之间的关也称非线性，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靠近程度，采用工作系曲线与选定的工作曲线的靠近程度，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。输出之比来表示。n n(4)灵敏度n n传感器输入增量与输出增量之比；n n(5)(5)稳定性稳定性(温度漂移，时间零漂温度漂移，时间零漂)n n时间
7、零漂时间零漂:在规定的时间内，在温度不变的条件在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；下，零输出的变化；n n温度漂移温度漂移:当温度发生变化时，其输出特性的变化，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。程的比值来表示。n n3.3.动态响应特性动态响应特性n n 在被测量的物理量随时间变化的情况下，传感器的输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
8、不能很好追随输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，可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信加以控制，可以高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。态响应持性。n n 频率响应特性频率响应特性n n 幅频特性幅频特性n n 相频特性相频特性n n 阶跃响应特性阶跃响应特性n n 时间常数时间常数n n 上升时间上升时间n n 过冲量过冲量(超调量超调量)n n 固有频率
9、固有频率n n 阻尼比阻尼比(对数减缩对数减缩)n n2.1.4 传感器的分类分类n n 传感器的分类方法有多种;n n1、按被测物理量的性质分；位移传感器、温位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；度传感器、压力传感器等等；n n2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、电阻式、电感式、电容式、光电式；光电式；n n3、按照输出信号的性质分类；可分为开关型可分为开关型(二值型二值型)、数字型和模拟型，如下图所示：、数字型和模拟型，如下图所示：n n1 1 开关型开关型开关型开关型n n开关型传感器的二值就是开关型传感器的二值就是“1”“1”和和“0”“0”或开或开(ON)(ON)和和关关(O
10、FF)(OFF)。这种。这种“l”“l”和和“0”“0”数字信号可直接传数字信号可直接传送到微机进行处理，使用送到微机进行处理，使用方便。方便。n n特性曲线中如果设输出状态特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为从断到通时的输入值为INonINon，而从通到断时的输入值为，而从通到断时的输入值为INoffINoff，则特性满足，则特性满足n n INoff INoffINonINonn nINoffINoff与与INonINon的差称为磁滞的差称为磁滞宽度或瞬动宽度或瞬动(snap)(snap)宽度。宽度。二值型传感器的实用特性n n2 2 数字型数字型数字型数字型n n 数字型传感器有
11、计数型和代码型两大类。数字型传感器有计数型和代码型两大类。n n其中其中计数型又称脉冲数字型计数型又称脉冲数字型；n 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会移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就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发生一个脉冲信号，例如增量式光
12、电码盘和检测光栅就是如此。如此。n n 代码型传感器又称编码器代码型传感器又称编码器，它输出的信号是，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数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。值。n n3 3 模拟型模拟型模拟型模拟型n n 模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相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。性的也可以是非线性的。n n2.1.5 2.1.5 机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感器的基本要求机电一体化系统对传感
13、器的基本要求n n1.1.精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；高；n n2.2.体积小、重量轻、对整机的适应性好；体积小、重量轻、对整机的适应性好；n n3.3.安全可靠、寿命长；安全可靠、寿命长；n n4.4.便于与计算机连接；便于与计算机连接；n n5.5.不易受被测对象性不易受被测对象性(如电阻、导磁率如电阻、导磁率)的影响，的影响，也不影响外部环境；也不影响外部环境；n n6.6.对环境条件适应能力强对环境条件适应能力强;n n7.7.现场处理简单、操作性能好；现场处理简单、操作性能好；n n8.8.价格便宜。价格便宜。n n2.1.6
14、2.1.6 机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器机电一体化系统常用传感器n n1.1.位移检测传感器位移检测传感器位移检测传感器位移检测传感器n 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，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。的测量都是以位移测量位移为基础的。n n
15、 直线位移传感器直线位移传感器主要有：电感传感器、差动变主要有：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压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器。感器。n n 角位移传感器角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。器和光电编码盘等。.1自感、互感型位移传感器 n n可变磁阻式电感传感器可变磁阻式电感传感器。改变铁心与活动衔铁之间的距离。n n涡流式传感器涡流式传感器 改变涡流线圈与被测量之间的距离。改变涡流线圈与被测量之间的距离。n n差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 改变衔铁位置实现位移测量。改变衔铁位置实现位
16、移测量。n n电容式位移传感器电容式位移传感器 极距变化、面积变化导致电容量变化。极距变化、面积变化导致电容量变化。.2电蜗流位移传感器 n n基基本本结结构构：由探头（线圈、骨架、壳体、射频电缆和射频插头）、与前置器构成。n n测量原理测量原理：前置放大器 高频信号激励 线圈 产生高频磁场 金属表面会感应出涡流 涡流损耗 线圈磁感应强度变化 经前置器转换成电压信号 距离（线性关系）电蜗流位移传感器n n特点特点：n n非接触式测量非接触式测量n n线性范围宽，线性范围宽，0 080mm80mmn n动态响应好，动态响应好，0-10kHz0-10kHzn n长期连续可靠工作，抗干扰能力强长期连
17、续可靠工作，抗干扰能力强n n在水、油等恶劣环境条件下工作在水、油等恶劣环境条件下工作n n可长线传输可长线传输n n直接与直接与A A、DD接口相连配计算机使用接口相连配计算机使用n n2.2.速度、加速度传感器速度、加速度传感器速度、加速度传感器速度、加速度传感器n n 检测检测转速的传感器转速的传感器转速的传感器转速的传感器有测速发电机、有测速发电机、光电、磁光电、磁光电、磁光电、磁电式转速传感器。电式转速传感器。电式转速传感器。电式转速传感器。n n 检测加速度可用检测加速度可用电容式或压电式加速度传感电容式或压电式加速度传感电容式或压电式加速度传感电容式或压电式加速度传感器器器器。n
18、 n 检测直线运动速度时，可以将直线运动变换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。字型传感器检测位移时，也可同时检测运动速度。n n 对于计数型传感器，可通过检测其脉冲频率对于计数型传感器，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。过检测其代码变换周期来确定运动的速度。n nn n=60=60N/ZtN/Ztn nnn转速转速 r/min r/minn nt t 测量时
19、间测量时间 s sn nN-tN-t内的脉冲个数内的脉冲个数n nZ-Z-圆盘上的缝隙个数圆盘上的缝隙个数转速及角位移传感器转速及角位移传感器n n编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。n n用途用途用途用途：用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、：用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。n n特点特点特点特点：n n(1)(1)能能借借助助于于微微电电
20、子子技技术术，达达到到足足够够高高的的精精度度，没没有有人人为的读数误差；为的读数误差；n n(2)(2)易于实现系统的快速、自动和数字化；易于实现系统的快速、自动和数字化；n n(3)(3)测测量量系系统统量量程程大大，长长度度可可以以达达数数米米甚甚至至更更长长，角角度度可以在可以在360360范围内进行测量；范围内进行测量；n n(4)(4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，使用和维护简单，工作可靠。使用和维护简单，工作可靠。转速及角位移传感器转速及角位移传感器n n1绝对式旋转编码器绝对式旋转编码器n n可可直直接接从从分分度度盘盘
21、的的编编码码图图案案中中得得出出角角度度位位置置，然后转换成编码信号。然后转换成编码信号。n n即即使使电电源源有有瞬瞬间间掉掉电电，只只要要主主轴轴转转速速在在允允许许范范围围内内，都都能能通通过过控控制制器器或或计计算算机机编编译译成成编编码码信信号。号。n n2增量式旋转编码器增量式旋转编码器n n以以脉脉冲冲形形式式输输出出，被被测测物物体体每每走走过过一一个个当当量量距距离，编码器就输出一个脉冲。离，编码器就输出一个脉冲。n n3.力、力矩传感器力、力矩传感器n n 利用应变片可以制成应力传感器、力传感器和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
22、部分力矩传感器，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、金属箔式和半导体式。有电阻丝式、金属箔式和半导体式。n n2.1.6.4电阻应变计电阻应变计n n电阻应变计是根据应变电阻效应，将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器，广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。n n电阻应变计的结构电阻应变计的结构n n电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、电阻应变计主要由电阻
23、敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。图3-9 电阻应变计的构造 1敏感栅；2引出线；3粘结剂（未示出）；4覆盖层；5基底n n3、应变计的类型、应变计的类型n n电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、温度以及用途的不同来分类。温度以及用途的不同来分类。n n（1 1）按敏感栅的制造方法分类）按敏感栅的制造方法分类n n1 1）金属丝式应变计）金属丝式应变计n n箔式应变计箔式应变计n n箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐
24、蚀箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的，箔栅厚度一般为技术制成的，箔栅厚度一般为0.002mm0.005mm,0.002mm0.005mm,最薄的达。箔式应变计，工艺上能保证敏感栅尺最薄的达。箔式应变计，工艺上能保证敏感栅尺寸的准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传寸的准确，线条均匀，适应不同的测量要求，传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好，递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好，因此得到了广泛的应用，现在已经基本上取代金因此得到了广泛的应用，现在已经基本上取代金属丝应变计。属丝应变计。n n金属薄膜应变计金属薄膜应变计n n所谓薄膜是指厚度在以下的膜，它是采用真空的所
25、谓薄膜是指厚度在以下的膜，它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图形制成的掩膜版，在基底材料上溅射或沉积一层形制成的掩膜版，在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜，从而制成金属薄膜应变计。电阻材料的薄膜，从而制成金属薄膜应变计。n n4、电阻应变计的应用、电阻应变计的应用n n电阻应变计主要有以下两种应用方式：电阻应变计主要有以下两种应用方式：n n（1 1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析的应力分析或所产生的应变，为结构
26、设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图所示。粘贴应变片进行测量，如图所示。图3-11 构件应力测定的应用n n（2 2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。压力、位移等物理量的传感器。1质量块；2应变梁；3应变片；4阻尼液；5密封圈；6接线板；7底座 图 3-12 应变式加速度传感器n n4
27、 位置传感器位置传感器n n 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量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。某种状态的开关量就可以了。n n 位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接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某一
28、范围内是否有某物体的一种传感器。物体的一种传感器。n n(1)接触式位置传感器接触式位置传感器n n这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成，它分以下两种它分以下两种n na.a.由微动开关制成的位置传感器由微动开关制成的位置传感器n n二维矩阵式配置的位置传感器n n1、柔软电极 2、柔软绝缘体n n(2)(2)接近式位置传感器接近式位置传感器接近式位置传感器接近式位置传感器n n接近式位置传感器按其工作原理主要分：接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁电磁式；式；光电式；光电式；静电容式；静电容式；超声波式；超声波式；气气压式等。其基本工作原
29、理可用下图表示出来。压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。n n 接近式位置传感器的工作原理接近式位置传感器的工作原理 接近传感器接近传感器1 1接近传感器概述接近传感器概述接近传感器概述接近传感器概述n n用用用用途途途途：属属无无触触点点接接近近开开关关，用用于于导导电电、导导磁磁金金属属材材料料的限位置、固体料位和液体液位检测等的限位置、固体料位和液体液位检测等n n常常常常用用用用的的的的接接接接近近近近传传传传感感感感器器器器：感感应应式式接接近近传传感感器器，电电容容式式接接近近传感器，及电磁式接近传感器传感器，及电磁式接近传感器n n高高高高精精精精度度度度的的的的接接接接近近
30、近近传传传传感感感感器器器器，还还能能检检测测金金属属薄薄板板及及渡渡层层的的厚厚度。度。n n优优优优点点点点：不不直直接接接接触触被被测测物物体体，开开关关及及被被测测物物均均没没有有机机械磨损，使寿命很长，可适用于高速检测。械磨损，使寿命很长，可适用于高速检测。n n原原原原理理理理：但但当当被被测测物物体体进进入入接接近近开开关关的的灵灵敏敏区区时时，就就会会发出一个脉冲信号。发出一个脉冲信号。n n灵敏区形状灵敏区形状灵敏区形状灵敏区形状：探头附近的一个近似半球区域。：探头附近的一个近似半球区域。.5感应式接近传感器 n n适用适用适用适用：空间有限情况的金属的非接触接近测量：空间有
31、限情况的金属的非接触接近测量n n探探头头结结构构分分分分类类类类：有有屏屏蔽蔽的的、无无屏屏蔽蔽的的两两种种。后后者者测量距离较前者为大。测量距离较前者为大。n n结结结结构构构构：振振荡荡器器、感感应应线线圈圈、斯斯密密特特电电路路及及输输出出电电路组成。路组成。n n工工工工作作作作原原原原理理理理：振振荡荡器器在在探探头头端端部部产产生生磁磁场场作作用用区区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。感应式接近传感器图图2-12-12-12-1感应式接近传感器的工作原理感应式接近传感器的工作原理 .6电容式接近传感器n n适适适适用用用用：非非接接触触
32、、空空间间有有限限。如如各各种种管管道道内内流流体体的的测量、料位测量及对金属物品测量。测量、料位测量及对金属物品测量。n n结结结结构构构构：由由振振荡荡器器、斯斯密密特特电电路路及及输输出出电电路路组组成成，电电容容器器的的一一个个电电极极是是传传感感电电极极，另另一一个个电电极极是是大大地。地。n n原理原理原理原理：加电后，两极间产生电场，当与大地连接：加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。电容式接近传感器图图2-12-22-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理电容式接近传感器的电路结构及工作原理 .7电
33、磁式接近传感器n n适用适用：非接触式导磁材料测量n n结结构构：内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧继电器。n n原原理理：导磁材料外界物体 靠近电磁式接近开关诱导面 磁场失去平衡 干簧继电器的触点闭合5温度传感器温度传感器n n分类分类：n n高高温温传传感感器器（热热电电偶偶、铂铂电电阻阻以以及及红红外外辐辐射射测测温计）；温计）；n n常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）；常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）；n n低温传感器（铜电阻等）。低温传感器（铜电阻等）。热敏电阻n n说说明明：热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体元件。n n特特点点：体积小，灵敏度高，价格崐低，所以应用最为广泛。n
34、n分分类类：一类电阻值随温度升高而增加（正的温度系数），一类随温度升高而降低（负的温度系数，常用）。n n特性特性：热电特性、伏安特性。热敏电阻的热电特性热敏电阻的热电特性n n定定定定义义义义：电电阻阻值值随随温温度度变变化化的的关关系系，以以坐坐标标图图表表示示它它是是一一条条指数曲线：指数曲线：式中：式中：R RT T温度为温度为T T时的电阻值；时的电阻值；T T绝对温度，绝对温度，K K；A A、BB由材料及制造工艺决定的系数由材料及制造工艺决定的系数热热敏敏电电阻阻材材材材料料料料：铁铁、镍镍、锰锰、钼钼、钛钛、镁镁、铜铜等等氧氧化化物物做做成成。改改变变这这些些混混合合物物的的成
35、成分分，就就可可以以改改变变热热敏敏电电阻阻的的测测量量范范围围、阻值及阻值及A A、B B值。值。热敏电阻的热电特性热敏电阻的热电特性 图图2-14-12-14-1热敏电阻的热电特性图热敏电阻的热电特性图 图图2-14-22-14-2热敏电阻的伏安特性图热敏电阻的伏安特性图热敏电阻伏安特性热敏电阻伏安特性n n说说说说明明明明：热热敏敏电电阻阻的的伏伏安安特特性性是是指指通通过过热热敏敏电电阻阻的的电流与其两端电压之间的关系。电流与其两端电压之间的关系。n n原理原理原理原理：当当热热敏敏电电阻阻的的电电流流很很小小时时，热热敏敏电电阻阻的的伏安特性遵循欧姆定律；伏安特性遵循欧姆定律；n n
36、但但当当电电流流大大到到一一定定程程度度时时，流流过过热热敏敏电电阻阻的的电电流流使其自身温度升高，因而其阻值减小。使其自身温度升高，因而其阻值减小。n n因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止电流过大电流过大电流过大电流过大。热电偶温度传感器n n说说说说明明明明：是是较较早早的的一一种种接接触触式式温温度度传传感感器器，测测量量可可从从室室温温至至18001800。所所以以至至今今仍仍是是应应用用最最广广的的温温度度传感器。传感器。n n发发发发展展展展趋趋趋趋势势势势：标标准准化化（我我国国已已8 8个个品品种种）、小小型型化化（最小的铠装热电偶直径为（最小
37、的铠装热电偶直径为2 24mm4mm）。）。n n测温原理测温原理测温原理测温原理：热电效应。：热电效应。n n将将不不同同的的导导体体或或半半导导体体A A、B B组组成成闭闭合合回回路路，使使两两个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。热电偶温度传感器n n输输出出电电动动势势：与两种材料的性质及两接点的温度差有关，与导体的大小，接触面积及连接方式无关。n n其输出电势为：EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)n n如果使热电偶的一个接点温度t0保持不变，设fAB(t0)=C，则上式可写成：EAB(t，t0)=fAB(t)-C热电偶温度
38、传感器n n表表明明：产生的热电势EAB(t，t0)只与温度t有关，成为温度的单值函数。n n实实际际：使t端与工作介质接触，进行测温，称为工作端，t0端称为热电偶自由端或参考端或冷端。n n冰冰点点槽槽装装置置：用于在工作中将自由端保持0恒温，然后将工作端的温度与电势关系列成表格，供测量人员使用。热电偶温度传感器图图2-14-32-14-3热电偶效应图热电偶效应图 2-14-4 2-14-4冰点槽装置冰点槽装置 n n6视觉传感器视觉传感器n n 视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：视觉传感器在机电一体化系统中的作
39、用有：1 1、确定对象物的位置与姿势；确定对象物的位置与姿势；确定对象物的位置与姿势；确定对象物的位置与姿势；n n2 2、图像识别：确定对象物的特征、图像识别：确定对象物的特征、图像识别：确定对象物的特征、图像识别：确定对象物的特征(识别符号、读出识别符号、读出识别符号、读出识别符号、读出文字、识别物体文字、识别物体文字、识别物体文字、识别物体)；n n3 3、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的、形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺陷。缺陷。缺陷。缺陷。n n 在机电一体化系统中采用的视觉传感器有
40、光导在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导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、激光视觉传感摄像管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感摄像管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感摄像管摄像机、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器等。固体半导体摄像器件有器等。固体半导体摄像器件有器等。固体半导体摄像器件有CMOSCMOS型型型型(金属氧化金属氧化金属氧化金属氧化物集成电路物集成电路物集成电路物集成电路)、CCDCCD型型型型(电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件)以及以及以及以及CMO
41、SCMOS和和和和CCDCCD混合型等。混合型等。混合型等。混合型等。图像传感器图像传感器n n在在机机电电控控制制、机机器器人人的的领领域域中中起起着着重重要要的的作作用用，尤尤以以CCDCCD图图像像传传感感器器和和红红外外线线图图像像传传感感器器应应用用最最为广泛。为广泛。n nCCDCCD图图图图像像像像传传传传感感感感器器器器：典典型型例例，日日本本KEYENCEKEYENCE公公司司生产的生产的VHVH系列图像显微检测仪。系列图像显微检测仪。n n红红红红外外外外线线线线图图图图像像像像传传传传感感感感器器器器：典典型型例例，AVIONICSAVIONICS公公司司生生产产的的TV
42、S-2000TVS-2000系列热图像系统。系列热图像系统。CCD图像传感器n n命命命命名名名名：CCD(Charge CCD(Charge couple couple Device)Device)即即电电荷荷耦耦合合器器件件的的简简称称，是是一一种种金金属属氧氧化化物物半半导导体体(MOS)(MOS)集集成成电电路路的简称。的简称。n n结构结构结构结构：由感光部和：由感光部和CCDCCD移位寄存器组成。移位寄存器组成。n n原原原原理理理理：成成像像在在CCDCCD上上的的景景物物 感感光光部部电电信信号号 电子图像电子图像 CCD CCD移位寄存器移位寄存器 放大器放大器 输出输出n
43、n分分分分类类类类：中中按按结结构构和和信信号号电电荷荷传传送送方方式式，又又可可分分为为线阵线阵(一维一维)和面阵两种。和面阵两种。1线阵线阵CCD图像传感器图像传感器n n中中间间是是一一列列感感光光单单元元（光光电电二二极极管管阵阵），两两侧侧分分别别设设置置了了CCDCCD移位寄存器。移位寄存器。n n感感光光单单元元按按位位置置的的奇奇偶偶性性，分分别别把把其其所所存存储储的的电电荷荷向向两两侧侧移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。移位寄存器传送，最后在输出部汇合输出。n n在其感光部和两侧在其感光部和两侧CCDCCD移位寄存器之间设有转移栅。移位寄存器之间设有转移栅。n n移移位
44、位寄寄存存器器停停顿顿时时，转转移移栅栅开开放放，光光电电二二极极管管所所积积累累的的电电荷可以送到两侧的荷可以送到两侧的CCDCCD移位寄存器中。移位寄存器中。n n接接着着转转移移栅栅关关闭闭，感感光光部部的的光光电电二二极极管管开开始始进进行行下下一一次次读读出的电荷积累。出的电荷积累。n n线阵线阵CCDCCD图像传感器广泛应用于传真等场合。图像传感器广泛应用于传真等场合。1线阵线阵CCD图像传感器图像传感器图图2-16-20482-16-2048位线阵位线阵CCDCCD图像传感器结构图像传感器结构 2面阵面阵CCD图像传感器图像传感器n n分类分类分类分类：按构成分为两种：帧传送方式
45、和行间传送方式。：按构成分为两种：帧传送方式和行间传送方式。n n在在帧帧帧帧传传传传送送送送方方方方式式式式垂垂直直消消影影期期中中，感感光光部部所所积积累累的的信信号号电电荷荷快快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。n n在在行行行行间间间间传传传传送送送送方方方方式式式式中中积积累累的的电电荷荷一一次次转转送送到到邻邻接接的的垂垂直直移移位位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。n n400500400500像像素素和和800500800500像像素素的的CCDCCD图图像像传传感感器器适适用用于于
46、工工工工业业业业监视监视监视监视及及工业机器人工业机器人工业机器人工业机器人。n n10248001024800的的CCDCCD图像传感器也已用于图像传感器也已用于TVTV摄像机摄像机摄像机摄像机。2面阵面阵CCD图像传感器图像传感器图图2-16-22-16-2帧传送面阵帧传送面阵CCDCCD图像传感器的结构图像传感器的结构 图图2-16-32-16-3行间传送面阵行间传送面阵CCDCCD图像传感器的结构图像传感器的结构 红外图像传感器n n功功功功能能能能：把把波波长长为为2 220m20m的的红红外外图图像像TVTV时时间间系系列列扫扫描描信信号。号。n n构成构成构成构成：红外传感（量子
47、型和热型）和电子扫描两部分。：红外传感（量子型和热型）和电子扫描两部分。n n分分分分类类类类：量量子子型型红红外外图图像像传传感感器器、热热型型红红外外图图像像传传感感器器两两大大类。类。n n量量量量子子子子型型型型红红外外图图像像传传感感器器：采采用用固固体体电电子子扫扫描描，如如单单片片型型CCDCCD、混合型、混合型CCDCCD或肖特基势垒型或肖特基势垒型CCDCCD等。等。n n热热热热型型型型红红外外图图像像传传感感器器：采采用用热热电电光光导导摄摄像像管管式式的的电电子子扫扫描描 或或 采用热电红外采用热电红外CCDCCD型的固体电子扫描。型的固体电子扫描。1热电光导摄像管热电
48、光导摄像管n n特特征征：靶电极用热电材料，采用镍铬和黄金黑体等吸收红外线的材料，其窗口采用能透过红外线的玻璃。n n原原理理：基于热热电电效效应应。景物 透镜 成像在热电光导摄像管上 红外热图像 在靶面上感应出相应的电压分布 被电子束拾取 做为时间序列信号读出2红外红外CCDn n特征特征特征特征：是采用固体电子扫描的原理。：是采用固体电子扫描的原理。n n最最新新的的肖肖特特基基势势垒垒型型CCDCCD图图像像传传感感器器可可制制成成灵灵敏敏度均匀的大面积图像传感器。度均匀的大面积图像传感器。图2-16-4热电光导摄像管图 2-16-5 红外CCD图像传感器 2.2 传传感器与微机的接口技
49、感器与微机的接口技术术 输入到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。n n2.2.1 2.2.1 数字量、开关量的接口数字量、开关量的接口n n 可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。n n2.2.2 2.2.2 模拟量的接口模拟量的接口 1.1.模拟量的数字化过程模拟量的数字化过程模拟量的数字化过程模拟量的数字化过程n n(1)(1)时间断续时间断续时间断续时间断续n n采样定理采样定理采样定理采样定理n n 设信号最高频率为设信号最高频率为fc,fc,在
50、采样频率在采样频率fs fs=2=2fc fc为的条件下，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。采样后的信号能无失真的恢复为原来的模拟信号。n n(2)(2)数值断续数值断续数值断续数值断续n n 数值断续的过程叫量化，所谓的量化就是把采样信号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。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。最小单位叫量化单位，它定义为量化器的满量程电压最小单位叫量化单位，它定义为量化器的满量程