第三章 传感器检测及其接口电路
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传感器与检测技术ppt课件第三章
• 力传感器
差动变压器式力传感
器原理结构图如图所
示。它是利用力作用
下引起弹性元件形变，
然后弹性元件的形变
带动差动变压器的衔
铁运动，从而产生相
2024/7/13 应地电流或电压输出
42
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差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式电感测微仪
2024/7/13
43
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3.3 电涡流传感器
• 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的， 气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀 分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长， 一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料 的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片， 500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度 考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。
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差动变压器式传感器的应用
• 差动变压器式加速度传感器是 由悬臂梁和差动变压器构成， 其结构如图所示。
2024/7/13
振动传感器及其测量电路 1—弹性支撑 2—差动变压器
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差动变压器式传感器的应用
• 力平衡式差压计
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差动变压器式传感器的应用
2024/7/13
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测量电路
• 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。 另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量 时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。
机电一体化系统设计课后习题
机电一体化系统设计课后习题
第一章绪论作业
1、简述机电一体化系统的基本功能要素。
第二章机械系统设计作业
1、图所示为一进给工作台。
电动机M、制动器B、工作台A、齿轮G1~G4以及轴1、丝杠轴的数据如表所示。
试求：此装置换算至电动机轴的等效转动惯量。
2、机电一体化系统对机械传动系统的基本要求是什么？
3、齿轮传动链的级数和各级传动比确定的三个基本原则是什么？如何选择？
第三章传感器检测及其接口电路作业
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、为什么差动变极距型电容位移传感器的精度是普通的变极距电容传感器的2倍？
4、光栅位移传感器主要由哪几部分构成？产生的莫尔条纹最主要的作用是什么？
5、感应同步器的测量方式有几种类型？写出励磁方式和输出信号的表达式。
6、已知光电脉冲编码器的周脉冲数Z=1200，在t=10s的时间内测轴的脉冲数N=6000，则光电脉冲编码器测得的角位移是多少？轴的转速是多少？
第四章控制电机及其选择计算作业
1、机电一体化系统的伺服驱动有哪几种形式?各有什么特点？
2、步进电动机的选用原则是什么？
3、直流PWM调压比其它调压方式有什么优点？
4、交流变频调速有哪几种类型。
机电一体化第三章
M
U0
RL
RL
理想值
Rl2
实测值
RL>RL1>RL2
图3-14 永磁式测速机测量电路图 图3-15 直流测速机输出特性
11
直流测速机的特点是输出为线性，斜率大、线性好，但由于 有电刷和换向器，构造和维护比较复杂，摩擦转矩较大。
直流测速机在机电控制系统中，主要用作测速和校正元件。 在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电 机轴上。有的电机本身就已安装了测速机。测速电机输出的 模拟电压直接送到速度换比较器中用于速度控制。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源 于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管 及红外发射二极管。接收器有光电二极管、光电 三极管、光电池组成。在其后面是检测电路，它 能滤出有效信号和应用该信号
23
输出
图3-21 透光型光电传感 器接口电路
在透光型光电传感器中， 发光器件和受光器件相 对放置，中间留有间隙。 当被测物体到达这一间 隙时，发射光被遮住， 从而接收器件（光敏元 件）便可检测出物体已 经到达。这种传感器的 接口电路如图3-21所示。
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已接触的信息 的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某 一范围内是否有某一物体的一种传感器。
14
一、接触式位置传感器
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。
1．由微动开关制成的位置传感器
它用于检测物体位置 ，有如图3-17所示的几种
16
二、接近式位置传感器
接近式位置传感器按其工作原理主要分：电磁式、 光电式、静电容式，基本工作原理可用图3-19表示 出来。
机电一体化技术
《机电一体化技术》复习题（交院 机械09级）第一章 绪论1、机电一体化系统的基本功能要素有哪些？功能各是什么？（P2）答：(1)机械本体 其主要功能是使构造系统的各子系统，零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。
(2)动力单元 按照机电一体化系统控制要求，为系统提供能量和动力，以保证系统正常运行。
(3)传感检测单元 对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析处理产生相应的控制信息。
(4)执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。
(5)驱动单元 在控制信息作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。
(6)控制与信息处理单元 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的的运行，并达到预期的性能。
(7)接口 将各要素或子系统连接成一个有机整体。
2、机电一体化的相关技术有哪些？（P4）答：①机械技术②检测传感技术③信息处理技术④自动控制技术⑤伺服驱动技术⑥系统总体技术第二章 机械系统设计1、各种机械特性（摩擦、阻尼、惯量）对系统性能有何影响？答：⑴.摩擦的影响分析(P23)：①引起动态滞后和稳态误差——如果系统开始处于静止状态，当输入轴以一定的角速度转动时,由于静摩擦力矩T 的作用,在一定的转角θi 范围内, 输出轴将不会运动,θi 值即为静摩擦引起的传动死区。
在传动死区内,系统将在一段时间内对输入信号无响应,从而造成误差。
当输入轴以恒速ω继续运动后,输出轴也以恒速ω运动, 但始终滞后输入轴一个角度θss, θss 为系统的稳态误差。
②引起低速抖动或爬行—导致系统运行不稳定——主动件低速匀速运动，运动件静止，压缩弹簧，加速，伸长，弹力减小，摩擦力下降，停止运动。
重复此过程，从而产生低速爬行现象。
机电一体化系统设计--第三章 传感检测及其接口电路_OK
第三章 传感检测及其接口电路
第一节 传感器 一、传感器定义及分类
1、定义：
传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。
1
2、分类： 按输出信号分：
2
二、机电一体化对检测系统的基本要求
精度、灵敏度、分辨率高； 线性、稳定性和重复性好； 抗干扰能力强； 静、动态特性好。 此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维 修，耐环境性能好等。
6
2. 变面积型电容传感器
原理：它与变极距型不同的是，被测量 通过动极板移动，引起两极板有效覆 盖面积A改变，从而得到电容的变化。
这种传感器的输出特性呈线性。 因而其量程不受线性范围的限制，适 合于测量较大直线位移和角位移。
7
3．变介质型电容传感器
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距不变， 相对介电常数不同的电介质以不同深度插入电容器中， 从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、 纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。
51
一、采样/保持器原理
52
二、集成采样/保持器
一般目的： AD582 AD583 LF198 LF398
高速场合： HTS-0025 HTS-0010 HTC-0300 高分辨率： SHA1144
53
54
55
4
四、传感器选用原则
快速、准确、可靠、经济的获取信号 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）适用性和适应性强 6）使用经济
5
第二节 位移测量传感器
一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 ：
第一节 传感器 一、传感器定义及分类
1、定义：
传感器是将力、温度、位移、速度等量 转换成电信号的元件。
1
2、分类： 按输出信号分：
2
二、机电一体化对检测系统的基本要求
精度、灵敏度、分辨率高； 线性、稳定性和重复性好； 抗干扰能力强； 静、动态特性好。 此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维 修，耐环境性能好等。
6
2. 变面积型电容传感器
原理：它与变极距型不同的是，被测量 通过动极板移动，引起两极板有效覆 盖面积A改变，从而得到电容的变化。
这种传感器的输出特性呈线性。 因而其量程不受线性范围的限制，适 合于测量较大直线位移和角位移。
7
3．变介质型电容传感器
原理结构如图。图中两平行极板固定不动，极距不变， 相对介电常数不同的电介质以不同深度插入电容器中， 从而改变电容。 应用：这种电容传感器有较多的结构形式，可以用来 测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可以用来测量粮食、 纺织品、木材或煤等非导电固体的物质的湿度。
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一、采样/保持器原理
52
二、集成采样/保持器
一般目的： AD582 AD583 LF198 LF398
高速场合： HTS-0025 HTS-0010 HTC-0300 高分辨率： SHA1144
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4
四、传感器选用原则
快速、准确、可靠、经济的获取信号 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）适用性和适应性强 6）使用经济
5
第二节 位移测量传感器
一、电容传感器 1. 变极距型电容传感器 ：
机电一体化(三)-传感器与检测
反射式光栅
金属反射光栅 钢尺、钢 带 照相腐蚀、 钻石刀刻划 热膨胀系 数与机床一致， 安装调整方便， 易接长，不易碎
透射式光栅
玻璃透射光栅 光源可垂直入 射，信号幅度大， 读数头结构简单; 刻线密度大100 条/mm, 细分后， 分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系 数与机床不一致， 影响测量精度.
敏元件三大部分组成。计量光栅按形状
又可分为长光栅和圆光栅。
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长光栅
反射式扫描头 扫描头安装孔 可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
可移动电缆 扫描头 光栅尺
标尺光栅（长光栅） 指示光栅（短光栅）
光栅的构造：
3 2 1
4
1.标尺光栅 3.光电元件
2.指示光栅 4.光源
3.2.1
光栅传感器
光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历史，用以测 量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。其分辨率高达 纳米级, 测量速度高达480m/min,测量行程高达100m. 它是数 控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射
式光栅两大类，均由光源、光栅副、光
γL Δmax 100% yFS
(2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量之比，即
S0
二、传感器的基本特性
y x
(3).迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行 程中，输出——输入特性曲线不重合的程度称为迟滞， 迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示
有限
将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉 冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形 式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨 率等于栅距。
机电一体化系统设计：第3章 检测传感器及其接口电路讲解
R1 330
+5V
I nput
光电耦合电路
+5V
R2 10K
Output
I nput Output
图3-33 光电耦合电路应用
6.光电开关传感器
由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表 面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出 电平信号。
被检物表面
NPN -P HOTO
衔铁在零位以下
Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd>0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd=0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd<0
图3-17 全波整流电路波形图
e2
-x
+x
0
图3-18 差动变压器输出电压-位移图 图3-19 差动结构电感式位移传感器
3.3.4 涡流电感式位移传感器
D1 P HOTO
+15 V
8
1
7
I R2
R2 1K
3
2 R1 1K
6
Vo
4
-1 5 v
Rf 1 0K
图3-28 光敏二极光敏管二信极管号信处号理处理电电路路
4.光敏三极管
光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。
光敏三极管的主要参数： 最高工作电压：
在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。
暗电流：
在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。
光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。
3
图3-27 光敏三极管
图3-28 光敏三极管符号
(完整版)传感器的测量及转换电路
传感器的测量及转换电路传感器测量及处理方式如下：1．将设定好的数值放入单片机2．电容位移传感器收集信号。
3．收集的信号通过放大器放大后达到0—5v。
4．从ADC0809的IN0—IN7的任意一条通道输入，转换成数字信号。
5．经A/D转换器输入单片机，进行分析与处理。
6．与设定好的数值进行比较，并输出差值。
7．经D/A转换器转换后输出信号。
8．输出信号经放大器放大后输入电动机。
9．电动机作用被测对象并调整其位移。
所选用的A/D转换器：ADC0809是一种CMOS单片型逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。
在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。
下面说明各引脚功能IN0～IN7：8路模拟量输入端。
2-1～2-8：8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。
EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：基准电压。
VCC：电源，单一＋5V。
GND：地。
单片机与ADC0809以及显示器接口电路图电路说明：主要由AD 转换器AD0809，频率发生器SUN7474，单片机AT89S51 及显示用数码管组成。
AD0809 的启动方式为脉冲启动方式，启动信号START 启动后开始转换，EOC 信号在START 的下降沿10us 后才变为无效的低电平。
这要求查询程序待EOC 无效后再开始查询，转换完成后，EOC 输出高电平，再由OE 变为高电平来输出转换数据。
第三章 传感器检测及其接口技术 (一)
直流测速机的输出特性
3、测速电机的特点 线性度好，灵敏度高，输出信号大，性能稳定，但由 于电刷和换向器的存在，构造较复杂，维护不方便，摩擦 阻力矩也较大。一般测量范围为20~400r/min。 4、测速电机的应用 直流测速发电机在机电控制系统中，主要用作测速 和校正元件。在使用中，为了提高检测灵敏度，尽可能 把它直接连接到电机轴上。有的电机本身就已安装了测 速发电机。 典型应用：沥青混凝土搅拌站冷料供给装置（见图） 的电磁调速电机，用于转速反馈。
被被电
敏敏 元元
转转 元元
基基转转 电电
电电
图3-2 传感器的组成框图
敏感元件: （ 1 ） 敏感元件 : 是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置,其输入、 的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关 理想的关系—线性） 系（理想的关系—线性）。 如称重传感器中的弹性元件 弹性元件， 如称重传感器中的 弹性元件 ， 将力转换为弹性变形输 出。 （ 2 ） 转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成 转换元件： 电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 电信号（如电阻、电感、电容等）形式。 基本转换电路： （ 3 ） 基本转换电路 ： 将电信号量转换成便于测量的电 量，如电压、电流、频率等。 如电压、电流、频率等。
航空插头
3、传感器的正确使用 传感器的正确使用
（1）注意安装间 隙； （2）注意传感器 端部的清洁； （3）在被测轴跳 动较大时，应注意适 当放大间隙，避免损 坏。 常用频率范围： 0~25KHz 。 故障诊断：
1、输入导线 2、航空插头 3、锁紧螺母 4、同定支架 5、磁电传感器 6、1～99内任意个 齿 7、被测轴 R：20～25mm T：1±0.5mm 齿轮材料要求：各种导磁钢铁材料均可。 模数：2以上即可。 齿数：l～99齿任意。
第三讲 传感器和接口电路
二、电感式传感器 1、自感式传感器原理
图3-9 自感式传感器原理图
a）气隙型
b）截面型
1—线圈 2—铁心 3—衔铁 4—测杆 5—被测件
2、变气隙式电感传感器
图3-10 差动式变气隙传感器
三、光栅
图3-11光栅 1-主光栅 2-指示光栅 3-光源 4-光电器件
图3-12 莫尔条纹
图3-13 光栅测量系统
SS SPI时钟模式1 (CPHA=1)
2015/10/31
32
I2C总线简介
I2C总线特点
⑴ 多主机总线。 ⑵ 二线制（SDA、SCL），具线与功能。 ⑶ 总线上器件具有唯一地址，用寻址字节来寻址器件。 ⑷ 总线仲裁功能。 ⑸ 读写传输应答机制。 ⑹ 半双工工作方式。
2015/10/31
33
I2C Bus Connection Diagram
速度传感器
槽型光耦
干簧管/磁控开关
加速度传感器
力传感器
“piezoresistive”
(NOT piezoelectric)
位置传感器
一、接触式位置传感器 1．由微动开关制成的位置传感器
图3-19 微动开关制成的位置传感器
2．二维矩阵式配置的位置传感器
图3-20 二维矩阵式配置的位置传感器 1-柔软电极 2 柔软绝缘体
SPI总线接口时序
SPI 主设备为了和从设备进行数据交换，根据从设备工作要求， 其输出的串行同步时钟极性（CPOL）和相位（CPHA）可以进行配置。
输入 SCK(CPOL =0)
输出
SCK(CPOL =1)
SS SPI时钟模式0 (CPHA=0)
SCK(CPOL=0)
输入
机电一体化系统设计最终版
其显著特征之一，是用尽可能小的动力输 入获得尽可能大的功能输出。
21.06.2021
电力拖动
38
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
传感检测单元
对系统运行过程中所需要的本身和外界环 境的各种参数及状态进行检测，并转换成 可识别信号，传输到控制信息处理单元， 经过分析、处理产生相应的控制信息。
对其要求是体积小、便于安装与联接、检 测精度高、抗干扰
21.06.2021
电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
21.06.2021
电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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电力拖动
35
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
21.06.2021
电力拖动
36
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
机械本体（机械系统）
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
21.06.2021
电力拖动
25
第三节 机电一体化的相关技术
包括机械传动装置和机械结构装置。其主 要功能是使构造系统的各子系统、零部件 按照一定的空间和时间关系安置在一定位 置上，并保持特定的关系。
其开发重点是模块化、标准化和系列化， 以便于机械系统的快速组合和更换
21.06.2021
电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
动力单元
按照机电一体化系统的控制要求。，为系 统提供能量和动力以保证系统正常运行。
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
传感检测单元
对系统运行过程中所需要的本身和外界环 境的各种参数及状态进行检测，并转换成 可识别信号，传输到控制信息处理单元， 经过分析、处理产生相应的控制信息。
对其要求是体积小、便于安装与联接、检 测精度高、抗干扰
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
机械本体（机械系统）
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
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第三节 机电一体化的相关技术
包括机械传动装置和机械结构装置。其主 要功能是使构造系统的各子系统、零部件 按照一定的空间和时间关系安置在一定位 置上，并保持特定的关系。
其开发重点是模块化、标准化和系列化， 以便于机械系统的快速组合和更换
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电力拖动
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第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
动力单元
按照机电一体化系统的控制要求。，为系 统提供能量和动力以保证系统正常运行。
传感器与检测技术第2版课件第3章
• 当活动铁心向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论
在Ui的正半周还是负半周，电桥输出电压U0均为负值，即
综上所述可知，采用带相敏整 流的交流电桥，其输出电压既 能反映位移量的大小，又能反 映位移的方向，所以应用较为 广泛。
3.1.3自感式传感器应用实例
• 1. 自感式压力传感器
1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 2）选用合适的测量电路。 3）采用补偿线路减小零点残余电压。
3.2.2测量电路
• 1. 差动整流电路
• 采用差动整流电路后，不但可以用 0 值居中的直流电表指示输 出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时 可使线性工作范围得到一定的扩展。
• 2.带相敏整流的交流电桥
为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常 在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为 直流输出
图中电桥的两个臂Z1、Z2分别为差动式传感器中 的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4（Z3= Z4 = Z0 ） , VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管组成
• 由上式可知，这时电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
• 当铁芯向一边移动时，Z1= Z0 + ∆Z， Z2= Z0﹣∆Z，代入上式得
当传感器线圈为高Q值时，可得到输出电压的值为
同理，当活动铁心向另一边（反方向）移动时，则有
综合以上两式可得知电桥输出电压
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压 既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与 电感变化量呈线性关系。
1~100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、 性能可靠等优点。
在Ui的正半周还是负半周，电桥输出电压U0均为负值，即
综上所述可知，采用带相敏整 流的交流电桥，其输出电压既 能反映位移量的大小，又能反 映位移的方向，所以应用较为 广泛。
3.1.3自感式传感器应用实例
• 1. 自感式压力传感器
1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 2）选用合适的测量电路。 3）采用补偿线路减小零点残余电压。
3.2.2测量电路
• 1. 差动整流电路
• 采用差动整流电路后，不但可以用 0 值居中的直流电表指示输 出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时 可使线性工作范围得到一定的扩展。
• 2.带相敏整流的交流电桥
为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常 在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为 直流输出
图中电桥的两个臂Z1、Z2分别为差动式传感器中 的电感线圈，另两个臂为平衡阻抗Z3、Z4（Z3= Z4 = Z0 ） , VD1、VD2、VD3、VD4四只二极管组成
• 由上式可知，这时电桥输出电压，电桥处于平衡状态。
• 当铁芯向一边移动时，Z1= Z0 + ∆Z， Z2= Z0﹣∆Z，代入上式得
当传感器线圈为高Q值时，可得到输出电压的值为
同理，当活动铁心向另一边（反方向）移动时，则有
综合以上两式可得知电桥输出电压
差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压 既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与 电感变化量呈线性关系。
1~100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、 性能可靠等优点。
机电一体化技术 传感器检测及其接口电路 第6-12讲
机电一体化基础
12
第3章传感器检测及其接口电路 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。
机电一体化基础
13
第3章传感器检测及其接口电路
[1
(Fra bibliotek) (
2
)3 ]
忽略高阶小项（非线性项）可得近似的线性关系和灵敏度S：
C C0
C
0 r A S 0 02
C0
机电一体化基础
21
第3章传感器检测及其接口电路 (1)变极距式电容传感器 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。
机电一体化基础
18
第3章传感器检测及其接口电路
(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
0 r A C0
当动极板因被测量变化使距离减小 时，有：
0 r A 1 C0 C0 ( ) 1
传感器的这种变化关系呈非线性，电容的变化量为：
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。
机电一体化基础
5
第3章传感器检测及其接口电路
图3-3 传感器的线性度示意图 机电一体化基础
6
第3章传感器检测及其接口电路 线性度可用下式计算： （3-1） 式中： ; γL——线性度(非线性误差)；
传感器信号检测及数字处理接口电路
PS202
参量
符号 最小值 最大值 单位 备注
电源电压 操作温度 存储温度
VDD
-0.3 5.5
V
TST
-20 70
°C
TST
-40 125 °C
超过上述表中数值可能会导致对装置的永久性损坏。长期使用在最大绝对额定值可能会影响
器件的可靠性。
工作条件 (T=25°C, Vdd=5V)
参量 电源电压 工作电流 数据输出接口 输出低电平 输出高电平 灌电流
引脚排列
插头编号. 1 2 3 4 5 6 7 8
名称 VDD IN1 IN2 Vss DOCI TEST TCLK Vss
说明 电源正极 信号输入1 信号输入2 电源接地 串行数字输出 保留的测试方式, 正常时连接到Vss 测试时钟，不用时悬空 电源接地
最大绝对额定值
1
Digital Signal Detector Interface IC
μV μV μV μV 11000
数值
10
Hz
256
1/FCLk
2
Digital Signal Detector Interface IC
时间
内部时钟频率
FCLK
60
70
90
kHz
*)由设计担保，不在产品之内测试. **)在评价或赋予资格的时候检测及表示其特性，不在产品之内测试. 除非另有专项说明，否则所有的电压参照工作条件. 除非另有专项说明，否则温度定为25°C. 除非另有专项说明，否则参数在运行条件以内取值才能得到保证.
3
Digital Signal Detector Interface IC
PS202
生产数据锁存器。如果微控制器读入寄存器的速度比滤波器的更新速度快，那么数据将显示 全部为 0。 读取循环的启动周期表示，是由 PS202 拉高数据输出时钟输入数值。微控制器 必须等待 25μs 接着他会在 DOCI 线上产生一个由低到高的跃迁。在它抽取瞬间数据之前, 读 出的第一个瞬间数据是经常为 0 的最高有效位，这个过程将不停的重复直到 14 个瞬间数据 被读完。最后一个瞬间数据被读完以后，微控制器必须强加低标准随后释放 DOCI。当一个 新的滤波器数值产生后将会把 DOCI 拉高，显示出一个新的数值字节。如果显示被多于 256 个系统时钟和低标准的 DOCI 界面打断时，输出数据锁存将更新为一个新的滤波器数值。同 时，当 DOCI 界面被强加高的时候，显示也会中断。这种条件下，输出锁存将不再更新。
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方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感 器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面 型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件 集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器； 或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一 体具有多种功能。
三、传感器的发展方向
3、传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的
（二）传感器的基本特性
1、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传 感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要 技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。
(1) 线性度 通常希望输出与输入特性（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。
1、传感器的静态特性
（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S0表示,
输出量的变化量 S0 输入量的变化量
y x
(3-2)
对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。
1、传感器的静态特性
(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， 迟滞性误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：
如称重传感器中的弹性元件，将力转换为弹性变形输 出。
（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成 电信号（如电阻、电感、电容等）形式。
（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电 量，如电压、电流、频率等。
2、传感器的分类
按输入量分： 位移、速度、加速度、压力、温度等 按工作原理分：
式中:
H
Hm yFS
100 %
ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。
1、传感器的静态特性 迟滞性一般由实验方法确定，如图3-4所示。
y y
FS
0 xFS x
图3-4 迟滞特性
Hm
1、传感器的静态特性
(4)重复性
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，所得输出—输入曲
（6）零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零
漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
2、传感器的动态特性
传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。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。 传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验 分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升 时间、调节时间、频率响应范围、临界频率等。
智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功 能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自 诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器 与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智 能传感器。
三、传感器的发展方向
4、传感器的网络化 主要表现为两个方面：
一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE 1451.2 工 作 组 建 立 了 智 能 传 感 器 接 口 模 块 （STIM）标准。 二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的 无线传感器网络技术得以迅速发展。 信息的短距离无线传输方式：数传模块，蓝牙
1、传感器的静态特性
传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。
y
2
yFS
1 max
1—实 际 曲 线 2—理 想 曲 线
0
xFS
x图3-3 传感器的线源自度示意图1、传感器的静态特性
线性度可用下式计算：
L
max 100 % yFS
式中：
（3-1）
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。
应变式、压电式、磁电式、霍尔式等 按能量转换分：
有源型、无源型 按输出的信号分：
非电量型
传感器
有接点型（微动开关，接触开关，
二值型
行程开关）
无接点型（光电开关，接近开关）
电量
电阻型（电位器，电阻应变片） 模拟型 电压、电流型（热电偶, 光电池）
电感、电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型） 数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）
快速、准确、可靠、经济的获取信号是对
传感器的基本要求。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；
23
第二节 位移测量传感器
目前广泛采用电容式、电感式、应变片式、 及数字式传感器（光栅、感应同步器及光电编 码器）来进行位移或力的测量。
第三章 传感器检测及其接口 电路
第一节 传感器
一、 检测系统的组成
1、传感器 功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称 为一次仪表。传感器相当于人的五官部分（“电五官”） 2、电信号处理系统 功能：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、 转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图3-1所示。
线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量
程输出的百分数表示，即
γ Rm 100%
式中:
R
yFS
ΔRm——最大重复性误差。
1、传感器的静态特性
y y
FS
Rm2 R
m1
0
图4-5 重复特性
xFS x
1、传感器的静态特性 （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。
三、传感器的发展方向
1、新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定
律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原 理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具 有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、 多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。
三、传感器的发展方向
2、传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等
一、 检测系统的组成
图 3-1 非电量检测系统的结构形式
二、传感器的基本概念与特性
（一）传感器的基本概念： 1
传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三 部分组成，如图3-2
被测量 敏感 元件
转换
基本转换 电量
元件
电路
图3-2 传感器的组成框图
1
（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关 系（理想的关系—线性）。
三、传感器的发展方向
3、传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的
（二）传感器的基本特性
1、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传 感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要 技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞性和重复性等。
(1) 线性度 通常希望输出与输入特性（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。
1、传感器的静态特性
（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S0表示,
输出量的变化量 S0 输入量的变化量
y x
(3-2)
对于线性传感器来说,它的灵敏度S0是个常数。
1、传感器的静态特性
(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， 迟滞性误差一般以满量程输出yFS的百分数表示：
如称重传感器中的弹性元件，将力转换为弹性变形输 出。
（2）转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成 电信号（如电阻、电感、电容等）形式。
（3）基本转换电路：将电信号量转换成便于测量的电 量，如电压、电流、频率等。
2、传感器的分类
按输入量分： 位移、速度、加速度、压力、温度等 按工作原理分：
式中:
H
Hm yFS
100 %
ΔHm——输出值在正、反行程间的最大差值。
1、传感器的静态特性 迟滞性一般由实验方法确定，如图3-4所示。
y y
FS
0 xFS x
图3-4 迟滞特性
Hm
1、传感器的静态特性
(4)重复性
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，所得输出—输入曲
（6）零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零
漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
2、传感器的动态特性
传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。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。 传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验 分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升 时间、调节时间、频率响应范围、临界频率等。
智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功 能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自 诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器 与计算机的这些功能集成于同一芯片上，就成为智 能传感器。
三、传感器的发展方向
4、传感器的网络化 主要表现为两个方面：
一是为了解决现场总线的多样性问题，IEEE 1451.2 工 作 组 建 立 了 智 能 传 感 器 接 口 模 块 （STIM）标准。 二是以IEEE 802.15.4（Zigbee）为基础的 无线传感器网络技术得以迅速发展。 信息的短距离无线传输方式：数传模块，蓝牙
1、传感器的静态特性
传感器的线性度是指传感器实际输出—输入特性曲 线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比。
y
2
yFS
1 max
1—实 际 曲 线 2—理 想 曲 线
0
xFS
x图3-3 传感器的线源自度示意图1、传感器的静态特性
线性度可用下式计算：
L
max 100 % yFS
式中：
（3-1）
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。
应变式、压电式、磁电式、霍尔式等 按能量转换分：
有源型、无源型 按输出的信号分：
非电量型
传感器
有接点型（微动开关，接触开关，
二值型
行程开关）
无接点型（光电开关，接近开关）
电量
电阻型（电位器，电阻应变片） 模拟型 电压、电流型（热电偶, 光电池）
电感、电容型（可变电容）
计数型（二次型+计数型） 数字型 代码型（旋转编码器，磁尺）
快速、准确、可靠、经济的获取信号是对
传感器的基本要求。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；
23
第二节 位移测量传感器
目前广泛采用电容式、电感式、应变片式、 及数字式传感器（光栅、感应同步器及光电编 码器）来进行位移或力的测量。
第三章 传感器检测及其接口 电路
第一节 传感器
一、 检测系统的组成
1、传感器 功能：把各种非电量信息转换为电信号，传感器又称 为一次仪表。传感器相当于人的五官部分（“电五官”） 2、电信号处理系统 功能：对转换后的电信号进行测量,并进行放大、运算、 转换、记录、指示、显示等处理，通常被称为二次仪表。 非电量检测系统的结构形式如图3-1所示。
线的不一致程度，称为重复性。重复性误差用满量
程输出的百分数表示，即
γ Rm 100%
式中:
R
yFS
ΔRm——最大重复性误差。
1、传感器的静态特性
y y
FS
Rm2 R
m1
0
图4-5 重复特性
xFS x
1、传感器的静态特性 （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。
三、传感器的发展方向
1、新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定
律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原 理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具 有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、 多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。
三、传感器的发展方向
2、传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等
一、 检测系统的组成
图 3-1 非电量检测系统的结构形式
二、传感器的基本概念与特性
（一）传感器的基本概念： 1
传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三 部分组成，如图3-2
被测量 敏感 元件
转换
基本转换 电量
元件
电路
图3-2 传感器的组成框图
1
（1）敏感元件: 是一种能够将被测量转换成易于测量 的物理量的预变换装置,其输入、输出间具有确定的数学关 系（理想的关系—线性）。