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第 3 章 传感器检测及其接口电路 . 3.1 传感器 3.2 位移测量传感器 3.3 速度、加速度传感器 3.4 位置传感器 3.5 传感器前期信号处理 3.6 传感器接口技术. 3.1 传感器. 一、传感器技术 定义：传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按照一定规律将它转换成另一种信息的装置。目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。 二、传感器的分类及要求 按被测参量分：位移，速度，加速度，力，力矩等。 按工作原理分：应变式，电容式，压电式，热电式等。. 非电量型.
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第3章 传感器检测及其接口电路 • 3.1 传感器 • 3.2 位移测量传感器 • 3.3 速度、加速度传感器 • 3.4 位置传感器 • 3.5 传感器前期信号处理 • 3.6 传感器接口技术
3.1 传感器 • 一、传感器技术 • 定义：传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按照一定规律将它转换成另一种信息的装置。目前大多数的传感器将获取的信息转换为电信号。 • 二、传感器的分类及要求 • 按被测参量分：位移，速度，加速度，力，力矩等。 • 按工作原理分：应变式，电容式，压电式，热电式等。
非电量型 有接点型(微动开关，接触开关， 行程开关) 二值型 传感器 无接点型(光电开关，接近开关) 电阻型（电位器，电阻应变片） 电量 电压，电流型（热电偶,Cds电池） 电感，电容型（可变电容） 模拟型 计数型（二次型+计数型） 数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）
三、传感器性能与选用原则 • 1、传感器的静态特性 • 传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、分辨率、漂移和精度。
（1） 线性度。 • 传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到的输入/输出特性（列表或画曲线）。 • 通常希望这个特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，与理论直线有偏差，如图3-3所示。
（3-1） • 线性度可用下式计算： • 式中： ; • γL——线性度(非线性误差)； • Δmax——最大非线性绝对误差； • yFS——输出满度值。 • （2） 灵敏度。传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称为灵敏度，用S表示，即 •
(3-2) • 对于线性传感器来说，它的灵敏度S是个常数。 • （3）迟滞性。传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出yFS的百分数表示： • 式中: • ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。 (3-3)
迟滞特性一般由实验方法确定，如图3-4所示。迟滞特性一般由实验方法确定，如图3-4所示。 图3-4 迟滞特性
（4） 重复特性。 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得的输出/输入曲线不一致的程度，称为重复特性，如图3-5所示。重复特性误差用满量程输出的百分数表示，即 • 式中: • ΔRm——最大重复性误差。 • 重复特性也由实验方法确定，常用绝对误差表示，如图3-5所示。 (3-4)
（5）分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率 。 • （6）漂移。由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下,传感器的输出发生的变化称为漂移。 （7）精度。精度表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。
2. 传感器的动态特性 • 动态特性是指传感器测量动态信号时,输出对输入的响应特性。 一个动态特性好的传感器其输出能再现输入变化规律。但实际上，输出信号不可能与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入之间的差异叫做动态误差。
3 传感器的选用原则 • 快速、准确、可靠、经济的获取信号。传感器的选择所要考虑的问题主要包括： • 1）足够的量程； • 2）与测量或控制系统匹配、转换灵敏度高； • 3）精度适当、稳定性高； • 4）反应速度快、工作可靠； • 5）实用性和适应性强； • 6）使用经济；
作业 • 1、传感器的性能指标有哪两大类，各包括那些内容？ • 2、传感器的选用原则是什么？ •
3.2 位移测量传感器 • 3.2.1 模拟式位移传感器 • 1. 可变磁阻式电感传感器 • 典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图3-6所示,它主要由线圈、铁心和活动衔铁组成。 •
当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,即当线圈通以激磁电流时,其自感L与磁路的总磁阻Rm有关,即 • （3-5） • 式中: • W——线圈匝数； • Rm——总磁阻。 • 如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的损失,则总磁阻为 • （3-6）
式中: ; • L——铁心导磁长度（m）； • μ——铁心导磁率（H/m）； • A——铁心导磁截面积（m2）, • A=a×b; • δ——空气隙(m), δ=δ 0+Δδ; • μ0——空气磁导率（H／m）,μ0=2π×10-7 ; • A0——空气隙导磁截面积（m2）。
由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,因此计算时铁心的磁阻可以忽略不计,故由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,因此计算时铁心的磁阻可以忽略不计,故 • • （3-7） • 将式(3-7)代入式(3-5),得 （3-8）
式（3-8）表明,自感L与空气隙δ的大小成反比,与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变而改变δ时,L与δ成非线性关系,此时传感器的灵敏度为式（3-8）表明,自感L与空气隙δ的大小成反比,与空气隙导磁截面积A0成正比。当A0固定不变而改变δ时,L与δ成非线性关系,此时传感器的灵敏度为 • 图3-7为差动型磁阻式传感器,它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时,两线圈的自感L相等,输出为零。当衔铁有位移Δδ时,两个线圈的间隙为δ0+Δδ, δ0-Δδ,这表明一个线圈的自感增加,而另一个线圈的自感减小。 （3-9）
2. 电容式位移传感器 • 以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多，常使用变极距式电容传感器和变面积式电容传感器进行位移测量。
(1).变极距式电容传感器 图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。
(1)变极距式电容传感器 变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达，即 式中：ε——真空介电常数（8.85×10-12F/m）A——极板面积（m2）do——极板间距初始距离（m） 传感器的这种变化关系呈非线性，如图所示。
(1)变极距式电容传感器 当极板初始距离由do减少⊿d时，则电容量相应增加⊿C，即 电容相对变化量⊿C/Co为 由于 ，在实际使用时常采用近似线性处理，即
(1)变极距式电容传感器 此时产生的相对非线性误差γo为 这种处理的结果，使得传感器的相对非线性误差增大，如图4所式。
(1)变极距式电容传感器 为改善这种情况，可采用差动变极距式电容传感器，这种传感器的结构，如图5所示。它有三个极板，其中两个固定不动，只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时，即d1=d2=do，则C1=C2=Co，如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法，可得传感器电容总的相对变化，为 传感器的相对非线性误差γo为
(2)变面积式电容传感器 图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为Co=⊿A/d当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。(2)变面积式电容传感器 图6是变面积式电容传感器结构示意图，它由两个电极构成，其中一个为固定极板，另一个为可动极板，两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变（即电介质常数不变），当两极板完全重叠时，其电容量为Co=⊿A/d当动极板绕轴转动一个α角时，两极板的对应面积要减小⊿A，则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来，就实现了角位移转换为电量的电测变换。
电容式位移传感器的位移测量范围在1um—10mm之间，变极距式电容传感器的测量精度约为2%。变面积式电容传感器的测量精度较高，其分辨率可达0.3um。
3.互感型差动变压器式电感传感器 • 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器,其结构形式有多种,以螺管型应用较为普遍,其结构及工作原理如图3-12（a）、（b）所示。
图3-12 差动变压器式电感传感器 （a）、（b）工作原理; （c）输出特性
图3-13是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。 图3-13 差动相敏检波电路的工作原理
图3-14是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图。图3-14是电感测微仪所用的螺旋差动型位移传感器的结构图。 图3-14 螺旋差动型传感器的结构图
3.2.2 数字式位移传感器 • 光栅由标尺光栅和指示光栅组成,两者的光刻密度相同,但体长相差很多,其结构如图3-15所示。 • 它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列的,如图3-16所示。 •
光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度,P表示栅距,θ表示光栅条纹间的夹角,则有光栅莫尔条纹的特点是起放大作用,用W表示条纹宽度,P表示栅距,θ表示光栅条纹间的夹角,则有 • 若P＝0.01mm,把莫尔条纹的宽度调成10mm,则放大倍数相当于1000倍,即利用光的干涉现象把光栅间距放大1000倍,因而大大减轻了电子线路的负担。 • 光栅测量系统的基本构成如图3-17所示。 (3-10)
感应同步器 • 感应同步器是一种应用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移量转换成电信号的一种检测元件，有直线式和圆盘式两种，分别用作检测直线位移和转角。
滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图3-18。滑尺表面刻有两个绕组,即正弦绕组和余弦绕组,见图3-18。
圆盘式感应同步器如图3-19所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。圆盘式感应同步器如图3-19所示,其转子相当于直线感应同步器的滑尺,定子相当于定尺,而且定子绕组中的两个绕组也错开1/4节距。
图3-19 圆盘式感应同步器 （a） 定子； （b） 转子
（1） 鉴相式。 所谓鉴相式,就是根据感应电势的相位来鉴别位移量。 • 即uA=Umsinωt,uB=Umcosωt时,则定尺上的绕组由于电磁感应作用将产生与激磁电压同频率的交变感应电势。图3-20说明了感应电势幅值与定尺和滑尺相对位置的关系。
