第2章　传感检测系统设计

2.1　传感检测系统

2.1.1　传感检测系统的概念与特点

传感检测系统是智能装备系统的感受环节，是控制系统的信息入口，其主要任务是对系统运行中所需的本身和外界的各种参数及状态（非电量）进行检测，并转成与被测量有确定对应关系的电信号，通过信号调理电路传输到计算机的信息处理单元，经过分析处理后，产生相应的控制信息。系统对测量模块的要求是不失真地反映被测物理参数的时间变化曲线，这里包含分辨率、精度、线性范围、动态响应等一系列技术指标。

计算机技术日新月异的发展以及高速度、高精度A/D转换器和其他功能电路的产生，将检测技术推向一个新的发展阶段，利用微机来辅助检测，使得数据采集、处理和控制融为一体。高性能的传感检测系统具有许多优点，如表22-2-1所示。

2.1.2　传感检测系统的结构与组成

2.1.2.1　非电量的特征

在生产过程和科学研究中所接触到的被测量大多数是非电物理量。例如，机械量（如位移、力、转速和扭矩）、发动机试验参数（如应力、流量和振动）、气象火箭探测量（如温度、气压、风速和空气密度）等。可见，非电量种类繁多，特性千差万别，了解非电信号的特点，有利于对各种各样的非电量检测进行分析。

2.1.2.2　传感检测系统的结构

2.1.2.3　传感检测系统的硬件组成

2.1.2.4　传感检测系统的软件组成

软件通常分为应用软件和系统软件两大类。

应用软件是针对检测目的而编写的所有程序。应用程序要由系统设计者自己编写，应用程序的开发占软件开发工作量的大部分，应用程序的优劣将会给系统的精度和效率带来很大影响。

系统软件一般包括操作系统、监控程序、程序设计语言、编译程序及调试查错程序等。如果测控系统采用制造商提供的成品计算机，则可有相应配套的系统软件提供。为更适合应用目的，可以适当修改或补充已有的系统软件。如果从硬件模块级开始组装系统，往往系统软件也需要自行编制。

2.1.3　传感器信号的处理

根据传感器输出信号形式的不同和系统的功能要求，可以将信号处理电路分为模拟量测量电路、开关量测量电路和编码测量电路三种类型，见表22-2-5。

2.1.4　信号传输

在有些场合，传感器采集的信号需要送到远处的主控系统。为了增强传输的抗干扰能力，通常采用电流环来传输信号。有两种传输方式，一种是模拟信号的直接传输；另一种是先把信号转变成为数字量，然后传输。电流环的最大优点是低阻的传输线对电气噪声不敏感。传感信号传输的方式见表22-2-6。

2.2　传感器及其应用

2.2.1　传感器的组成与分类

2.2.2　传感器的主要性能指标

2.2.3　各种用途的常用传感器

2.2.4　基于各种工作原理的常用传感器

2.2.4.1　电阻式传感器

电位器式传感器的传感元件是电位器，它能将机械线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。电位器的基本作用是作为变阻器和分压器使用。

电位器式传感器的种类较多，按其结构形式可分为线绕式、薄膜式、导电塑料式和光电式等。具体结构与工作原理见表22-2-18。

电阻应变片式传感器是利用传感器的弹性元件感受所测的物理量并转化为应变，用粘贴于弹性元件上的应变片测量应变并转换为电压或电流信号的传感器，常用于测量力、压力、加速度等物理量，见表22-2-19。

2.2.4.2　电容式传感器

2.2.4.3　电感传感器

电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测量电量的变化转换成线圈的自感或互感变化的机电转换装置。它常用来检测位移、振动、力、应变、流量、密度等物理量。

电感式传感器的种类很多，根据传感器转换原理不同，可分为自感式、互感式、涡流式、压磁式和感应同步器等；据结构形式不同，可分为气隙式和螺管式两种；据改变的参数不同，又分为变气隙厚度式、变气隙面积式、变铁芯磁导率式三种。

2.2.4.4　压电传感器

2.2.4.5　磁电传感器

2.2.4.6　磁致伸缩传感器

（1）磁致伸缩位移传感器

（2）磁致伸缩扭矩传感器

（3）磁致伸缩力传感器

2.2.4.7　热电式传感器

热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的传感器，它利用测温敏感元件的电参数随温度变化的特性，通过测量电量变化来检验温度。

2.2.4.8　霍尔式传感器

2.2.4.9　光纤传感器

2.2.4.10　光电传感器

光敏传感器是能对光信号的变化做出迅速反应，并将被测量变化通过光信号转化成电信号，又称为光电式传感器。光电式传感器具有可靠性高、抗干扰能力强、不受电磁辐射影响及本身也不辐射电磁波的特点。

具有检测光信号功能的材料称为光敏材料，利用这种材料做成的器件称光敏（光电）器件。光电器件的工作原理是利用光电效应。光照射在某些物质上，使该物质吸收光能后，电子能量和电特性发生变化，这种现象称为光电效应。光电效应可分为两大类，即外光电效应和内光电效应，内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

外光电效应是指，在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。内光电效应是指，当光线照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象；入射光强改变物质导电率的物理现象称为光电导效应；光照射时物体中能产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。

2.2.4.11　红外线传感器

红外线传感器可分为红外热成像遥感技术、红外搜索（跟踪目标、确定位置、红外制导）、红外辐射测量、通信、测距、红外测温等多种形式。红外传感器主要由红外辐射源和红外探测器两部分组成。

2.2.4.12　激光式传感器

激光检测具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点。

按激光检测技术形成的原理，其可以分为两类：一类是同频率，同振动方向，相位差恒定的单色波相互干涉，按光程差测量长度、位移、振动和密度等；相应的仪器有激光比长仪、激光应变仪、激光干涉定位仪等；另一类是频率稍有不同的两束单色波相互干涉，按两束单色波的频率差的变化产生拍，由拍的频率测出速度、转速、流速和振动等。相应的仪器有激光干涉测速仪、激光多普勒测速仪等。激光干涉仪还可引申测出平面、球面、螺距、折射率和波像差等各种物理量参数，其用途非常广泛。

干涉仪的主要用途与相应的干涉仪简单归纳于表22-2-45。

2.2.4.13　数字式传感器

数字式传感器是把输入量转换成数字量输出的传感器，它有以编码方式产生数字信号的代码型和将输出的连续信号经过简单的整理、微分电路处理输出离散脉冲信号的计数型两种。

代码型数字式传感器输出的信号是数字代码，每一个代码相当于一个一定量的输入值。常用来检测执行元件的位置或速度，如绝对式光电脉冲编码器、接触式码盘等。

计数型数字式传感器可以是任何一种脉冲发生器，所发生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，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移量。如增量式光电脉冲编码器和光栅传感器等。

简单的数字式传感器就是编码器，主要由编码和读码两部分所组成，其分辨率取决于码道的多少。编码器包括光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统，都是应用了重复周期的结构设计。

2.2.4.14　气敏传感器

2.2.5　智能传感器

2.2.6　微传感器

2.2.6.1　定义特点及分类

微传感器一般是指采用MEMS技术制作的、芯片的特征尺寸为微米级的各类传感器的总称，它利用微细加工技术，把电子、机械、光学等部件集成在微小空间内，形成具有一定智能的优化复杂系统。

微传感器的主要特点如下。

①微型化与集成化。敏感元件的尺寸是微米级甚至亚微米级；MEMS传感器的体积可小至亚微米以下，其尺寸精度可达纳米级，质量可达纳克量级。

②高精度与长寿命。

③低成本和低功耗。功耗可降至毫瓦乃至更低水平。

④快速响应。微传感器和微执行器之间不存在信号延迟等问题。

微传感器的分类方法有许多种，主要有以下几种。

①按敏感元件的转换原理，分为物理微传感器、化学微传感器、生物微传感器等。

②按被测量的性质，分为压力微传感器、加速度微传感器，体积分数微传感器、离子浓度微传感器等。

③按制备技术和使用材料，分为薄膜微传感器、半导体微传感器、陶瓷微传感器等。

④按应用领域，分为汽车用微传感器、医用微传感器、航空航天用微传感器等。

⑤按微传感器的组成方式，又可以分成阵列式微传感器、网络化微传感器等。

2.2.6.2　机械量微传感器

2.2.6.3　基于MEMS技术的气体微传感器

与物理量传感器不同的是，气体微传感器的敏感元件上需要有可以与被检测分子产生相互作用的物质。MEMS技术将传感器与IC电路集成在一起，具有精度高、体积小、质量轻、功耗低、选择性好、稳定性高等优点，且器件的互换性好，可批量生产。

基于MEMS的新型微结构气敏传感器，主要有硅基微结构气敏传感器与硅微结构气敏传感器。

硅基微结构气敏传感器的衬底为硅，敏感层为非硅材料，主要有金属氧化物半导体、固体电解质型、电容型、谐振器型。

硅微结构气敏传感器主要是金属化合物-半导体-场效应管（MOSFET）型和钯金属-绝缘体-半导体（MIS）二极管型。

SnO₂氧化物薄膜气体微传感器。在利用MEMS工艺制作的可控制温度的电导敏感元件中央部位表面上，利用纳米材料制作气体敏感薄膜（如SnO₂），则该元件即成为气体微传感器的基础元件。SnO₂氧化物薄膜对气体的敏感特性与温度有关的，且温度还会引起微结构的尺寸变化。

2.2.7　传感器的选用

必须根据实际使用的目的、技术指标要求、环境条件要求等，来选择传感器，见表22-2-53。首先要按实际需要确定适当的性能指标，不要盲目地追求高指标。如灵敏度定得过高，那么不稳定性就会增加，这往往成为误动作的原因，从而降低了系统的可靠性。其次是在应考虑的因素中，要有不同侧重点，例如：若光机电一体化产品是需要长时间连续使用的，应重视选择长期稳定性好的传感器；检测时间比较短的、重复性使用的，应选择灵敏度和动态特性比较好的传感器；检测信号要求精度高的，应选择高精度传感器；当检测条件差、温度高的场合检测时，应选择具有抗高温性强的传感器。

各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽各不相同，但对其主要性能要求却是一致的，应根据实际需要，确定其主要指标参数。

2.2.8　多传感器信息融合

2.3　模拟信号检测系统设计

在选择测量方法时，要综合考虑被测量本身的特性、所要求的测量准确度、测量环境和现有的测量设备等因素。

2.3.1　模拟信号检测系统的组成

模拟式传感器输出是与被测物理量相对应的连续变化的电信号。典型的模拟信号检测系统如图22-2-1所示。其中，振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要；解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；滤波器可将无用的干扰信号滤除，并取出代表被测物理量的有效信号；运算电路可对信号进行各种处理，以正确获得所需的物理量；计算机对信号进行进一步运算处理后，可获得相应的控制信号去控制执行机构，而在不需要执行机构的智能化量仪中，计算机则将有关信息送去显示或打印输出。

在具体光机电一体化产品的检测系统中，也可能没有图22-2-1中的某些部分或增加一些其他部分，如有些传感器信号可不进行调制与解调，而直接进行阻抗匹配、放大和滤波等。

2.3.2　基本转换电路

被测物理量经传感器变换后，往往成为电阻、电容、电感等电参数的变化，或电荷、电压、电流等电量的变化。当传感器的输出信号是电参数形式时，需采用基本转换电路将其转换成电量形式，然后再送入后续检测电路。

不同的传感器的输出阻抗不一样。有的传感器的输出阻抗特别大，例如压电陶瓷传感器，输出阻抗高达10⁸Ω；有的传感器的阻抗比较小，如电位器式位移传感器，总电阻为1500Ω；动圈式传声器的阻抗更低，只有30～70Ω。对于高阻抗的传感器，通常用场效应管或运算放大器来实现匹配；对于阻抗特别低的传感器，在交变输入时，往往可采用变压器匹配。

2.3.3　信号放大电路

信号放大电路亦称放大器，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。

2.3.4　信号调制与解调

调制与解调方法被广泛应用于通信中，以便给不同的信号赋予不同的特征，将它们相互区别开来。在光机电一体化产品中也常采用这种方法对信号进行检测，以防止干扰信号对检测精度的影响。如表22-2-44所示。例如，采用特定频率的交流电源对电感传感器供电，或对由应变片、热敏电阻等组成的桥路供电，其目的都是为了对信号进行调制。经过调制的信号在经过放大后，还需通过解调（或称检波）的方法将其还原成原始信号，以获得被测物理量及其变化的信息。信号调制的方法有幅值调制、相位调制、频率调制和脉宽调制等，其中前三种又分别简称为调幅、调相和调频。对应不同的信号调制方法，需采用不同的方法来解调。

2.3.5　滤波电路

滤波电路可以由电感、电容、电阻这些无源器件组成，成为无源滤波器；也可以将无源器件和放大器结合，组成有源滤波器。有源滤波器可以只用阻容器件实现，因此体积小。由于采用集成放大器，带宽和增益控制非常方便。

滤波器通常可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等，还有用于提取宽带信号的梳状滤波器，由电感电容元件组成的LC滤波器等。见表22-2-58。

2.3.6　电平转换电路

对于一些采样器件，输入的电压必须限制在一定的范围内。所以，需要将电平调整为合适值。图22-2-2是最基本的电平转换电路。图中的电位器R_P用来调整信号的电平偏移。U₁、U₂为采样器件对输入电平的上下限。选择合适的A，使得信号范围在U₁、U₂之间VD₁、VD₂用于限定输入范围，起到过压保护的作用。

电平转换电路的形式是多样的，应该根据具体的要求设计。

2.3.7　采样-保持电路

采样-保持电路通过逻辑指令控制，使电路对输入信号进行采样，并使电路的输出级跟踪输入量。通过保持指令，使输入量在电路中一直保留着，直到下一个新的采样指令到来。在需要对输入信号瞬时采样和存储的场合，都需要采样保持电路，如峰值检波、瞬时量的测量和模拟信号的采样电路。

采样-保持电路主要由模拟开关、电容和缓冲器组成，如图22-2-3所示。模拟开关在逻辑指令的控制下，用于决定当前是采样还是保持。电容用于存储模拟信号。缓冲器放大器由射随电路组成，提供高的输入阻抗和低的输出阻抗。

当逻辑指令为采样指令时，模拟开关接通，输入信号U_i通过模拟开关对电容C进行充电，电容上的电压U_c随着输入电压U_i而变化，输出电压U_o和U_c一致，这个过程就是采样的过程。当逻辑指令为保持指令时，模拟开关断开，电容上的电压U_c与保持指令开始时刻的输入电压U_i相一致。

采样-保持电路可以用分立元件构成，也可采用现成的集成电路。由于采样和保持的状态不是立即能够完成的，所以在选择电路器件时，必须注意采样-保持电路或器件的捕获时间和断开时间。

2.3.8　运算电路

运算电路是能对信号运算处理的电路，模拟运算电路具有直接、简单、运算速度快等特点，对于一些比较简单的运算，仍采用模拟运算电路来实现。

2.3.9　A/D转换电路

A/D转换电路是指把模拟电信号转化成为数字量的电路。根据采样的原理，可以分为双积分型、跟踪型、逐次逼近型和并列型等，选择时主要从速度、精度和价格上考虑。

2.3.10　数字信号的预处理

检测信号被采入计算机后，尚需经过预处理才能交付应用程序使用。预处理的主要任务：一是去除混杂在有用信号中的各种干扰信号；二是采用软件方法对实际传感器的非线性传输特性进行补偿，既降低对传感器的要求，又不需要额外的硬件投资（表22-2-62）；三是补偿温度漂移和时间漂移引起的零位误差和增益误差（表22-2-63）。

干扰信号有周期性干扰和随机性干扰两类。典型的周期性干扰是50Hz的工频干扰，采用积分时间为20ms整数倍的双积分型A/D转换器，可有效地消除其影响。对于随机性干扰，可采用数字滤波（见表22-2-61）的方法予以削弱或消除。

2.3.11　抗干扰设计

传感器电路的设计中，必须考虑抗干扰设计。抗干扰是传感器电路设计是否成功的关键。

干扰可能来自外部的电磁干扰，可能来自供电电路，也可能是由器件自身的性能引起的。通常在选取元件时，选用低噪声的电阻、电容和放大器。除此之外，良好的电路设计有助于减少干扰。表22-2-64只介绍由传感器及元器件引起的干扰。

2.4　数字信号检测系统设计

2.4.1　数字信号检测系统的组成

由于近年来微型计算机的普及应用，在光机电一体化产品中许多复杂的信号处理都采用微型计算机来完成，因此模拟信号往往需先经模/数转换后，再采用微型计算机进行处理，这无疑将增加系统的复杂性和成本，而且模拟信号的检测精度较低，易受干扰影响，不便于远距离传输。数字式传感器可直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨力及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输。因此，尽管目前数字式传感器品种还不是很多，但却得到了越来越多的应用。

最常见的数字式传感器有光电编码器、光栅、磁栅、容栅、感应同步器及激光干涉仪等，主要用于几何位置、速度等的测量。这些传感器所输出的信号都是增量码形式的数字信号。所谓增量码信号是指信号变化的周期数与被测位移成正比的信号。这类数字信号检测系统的典型组成如图22-2-4所示。

在图22-2-4中，传感器的输出多数为正弦波信号，需先经放大、整形后变成数字脉冲信号。在精度要求不高和无需辨向时，脉冲信号可直接送入计数器和计算机，但在多数情况下，为提高分辨力，常采用细分电路，使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，其中n称为细分数。辨向电路用于辨别被测量的变化方向。当脉冲信号所对应的被测量不便于读出和处理时，需进行脉冲当量变换。计算机可对信号进行复杂的运算处理，并将结果直接送去显示或打印输出，或求取控制量去控制执行机构。

2.4.2　编码器及光栅信号的电子细分方法

现代制造技术已经可以将编码器的分辨率提高到很高的程度，旋转编码器的每转脉冲数可达数万，直线编码器的栅距已达微米级。但是这种制作能力毕竟是有极限的，要得到更高的分辨率，就要采用光学和电子的方法对现有信号进行细分。

光学细分的方法有多种，其中一种是光栅倍增细分法。该方法采用细光栅作为指示光栅，而采用栅距为细光栅N倍的粗光栅作为主光栅。当主光栅移动一个粗光栅栅距时，莫尔条纹区某检测位置上将通过N个莫尔条纹。这种细分方法的优点是避免了制作高分辨率长光栅的难度，将重点放在高分辨率和高精度的指示光栅的制作上，最终得到细光栅的分辨率。

2.5　现代传感检测技术的新发展

2.6　典型传感系统设计应用实例和检测装置

2.6.1　CX300型数控车铣加工中心传感检测系统设计实例

数控车铣加工中心作为综合了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床等方面技术而发展起来的高效自动化精密机床，是一种典型的光机电一体化产品。

2.6.2　飞锯检测系统设计实例

管材、型材等轧制线的高精度连续自动跟踪切割技术已经在工业生产中广泛使用，其中关键设备飞锯系统是一种经济、实用、高效、快速的典型光机电一体化产品。

2.6.3　新风节能系统设计实例

新风，即室外空气，取新风，就是想利用其优良的物质性和能量性。例如：在舒适性空调中，用新风一般是取其中的氧气供人呼吸；而在节能中，是将其作为冷源。但空气中也有不良的成分，其中的灰尘就是有害物，必须将其去除。空气中的水分过多或过少，也是在利用新风时的一个重要问题。因此在采用新风节能时，要趋利避害，就必须通过技术手段解决这些问题。