传感器接口技术

传感器及其接口技术

概述

传感器技术是机电一体化的关键性技术。机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少、性能好环密切相关。

在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等) 需要控制和监测，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部是无法实现的。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电一体化系统中不可缺少的组成部分。

传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加上制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。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。

传感器的定义

传感器： 传感器是种以一定的精确度将被测量(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) 的测量部件或装置。

组成

组成：敏感元件、转换元件、电子线路等组成。

1 敏感元件 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。

2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等) 转换成电路基数(如电阻、电感、电容等) 等。

3 基本转换电路 将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。

传感器的组成框图

实际的传感器, 有的很简单，有的则较复杂。有些传感器(如热电偶) 只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。行些传感器由敏感元件和转换元件组成、无需基本转换

电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传感器是开环系统．但也有个别的是带反馈的闭环系统。

传感器的特性

传感器比较常用的性能指标有以下几种 (1) 关于输入量的特性：

量程或测量范围

传感器预期要测量的被测量值，一般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FS 。

过载能力

传感器允许承受的最大输入量(被测量) (2) 响应特性：

·静态响应特性 精度

表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按百分数给出。

重复性 反映传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，其意义与精度类似。

线性度

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。

灵敏度

传感器输入增量与输出增量之比； 稳定性(温度漂移，时间零漂)

时间零漂， 在规定的时间内，在温度不变的条件下，零输出的变化；

温度漂移，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，也可以用它与满量程的比值来表示。 ·动态响应特性

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加以控制，可以高达百分之几十其至百分之百。这就要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。 频率响应特性 幅颠特性 相频特性 阶跃响应特件 时间常数 上升时间

过冲量(超调量) 固有频率

阻尼比(对数减缩)

4.1.4 传感器的分类

传感器的分类方法有多种，如按被测物理量的性质分；位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；

按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型) 、模拟型和数字型，如下图所示：

1 开关型

开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。这种“l ”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理，使用方便。

二值型传感器的实用特性

特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为INon ，而从通到断时的输入值为INoff ，则特性满足

INoff ＜INon

INoff 与INon 的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。 2 数字型

数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型，所示。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发生一个脉冲信号，例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。

代码型传感器又称编码器，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值。

3 模拟型

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性的也可以是非线性的。

4.1.5 机电一体化系统对传感器的基本要求

1 精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高； 2 体积小、重量轻、对整机的适应性好； 3 安全可靠、寿命长； 4 便于与计算机连接；

5 不易受被测对象性(如电阻、导磁率) 的影响，也不影响外部环境； 6 对环境条件适应能力强;

7 现场处理简单、操作性能好； 8 价格便宜。

4.1.6 机电一体化系统常用传感器

1 位移检测传感器

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，这不仅因为在各种机电一体化产品中常需位移测量，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为基础的。

直线位移传感器主要有：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感器。

角位移传感器主要有：电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。

2 速度、加速度传感器

检测转速的传感器有测速发电机、光电、磁电式转速传感器，检测加速度可用电容式或压电式加速度传感器。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。采用数字型传感器检测位移时，也可同时检测运动速度。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，则可通过检测其代码变换周期来确定运动的速度。

n = 60N/Zt

n —转速 t –测量时间

N ---t内的脉冲个数 Z --- 圆盘上的缝隙个数

3 力、力矩传感器

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部分来检测力、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。

4 位置传感器

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。

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—物体的一种传感器。 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 a. 由微动开关制成的位置传感器

b. 二维矩阵式配置的位置传感器

1、柔软电极 2、柔软绝缘体

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：①电磁式；②光电式；③静电容式；④超声波式；⑤气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。

接近式位置传感器的工作原理

5 视觉传感器

视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：1、确定对象物的位置与姿势；2、图像识别：确定对象物的特征(识别符号、读出文字、识别物体) ；3、形状、尺寸检验：检

查零件形状和尺寸方面的缺陷。

为了能够从二维或三维对象物上摄取图像信息，以光电变换为主的视觉传感器应包括照明、摄像、光电变换和扫描四部分。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、激光视觉传感器等。固体半导体摄像器件有CMOS 型(金属氧化物集成电路) 、CCD 型(电荷耦合器件) 以及MOS 和CCD 混合型等。

4.2 传感器与微机的接口技术

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。

4.2.1 数字量、开关量的接口

可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。

4.2.2 模拟量的接口

1、 模拟量的数字化过程

(1) 时间断续

采样定理

信号最高频率为fc, 在采样频率fs >= 2fc 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。

(2) 数值断续

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，q=FSR/2n

完成量化的器件叫量化器，即A/D转换器。

2、 模数（A/D）转换器

模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编码后，转换成数字信号的器件。 可分为直接比较型和间接比较型两大类。 (1) 逐次逼近型A/D转换器 结构与工作原理

(2) 双斜积分式A/D转换器

结构与工作原理

N 2

N 1

1 U REF

3 采样保持器

在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A ／D 转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，出于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差；要防止这种误差的产生，必须在A ／D 转换期间将信号电平保持住，而在A ／D 转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样／保持器，从上面分析也可知，采佯／保持器在保持阶段相当于一个模拟信号存储器”。

采样保持器的组成与工作原理

图中：K 为模拟开关、C H 为保持电容、A 为缓冲放大器

4 模拟多路开关

在机电一体化领域中，经常对许多传感器信号进行采集和控制。如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样／保持、A ／D 等环节，不仅成本比单路成倍增加，还会导致系统体积庞大，且由与模拟器件，阻容元件参数和特性不一致，对系统的校准带来很多困难。因此除特殊情况下，多采用公共的采样／保持及A ／D 转换电路。要实现这种设计，往往采用多路模拟开关。

模拟多路开关的组成与工作原理

5、测量放大器

在许多检测技术应用场合．传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。

下图为三个运放组成的测量放大器，差动输入端U I1和U I2分别是两个运算放大 器(A1、A2) 的同相输入端，因此输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加入到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：

K =

U O 2R R

=(1+1) 5

U I 1-U I 2R G R 3

6、 传感器模拟量接口的几种形式

(1) 多通道一般型

特点：适合于中低速采样，在A/D转换器为逐次逼近式的情况下，必须加采样保持器。在采用间接比较式A/D转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低接口成本。

(2) 多通道同时采样共享A/D转换器型

特点：可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。

(3) 多通道并行A/D转换型

特点：适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路信号的相位，成本较高。

4．3 传感器的非线性补偿处理

在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系．使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。但是，很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性，这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路，如常用的信息反馈式补偿回路使用对数放大器、反对数放大器等，这不但增加了电路的复杂性，而且也很难达到理想的补偿。这种非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。在完成了非线性参数的线性化处理以后，要进行工程量转换，即标度变换、才能显示或打印带物理单位的数值。

传感器的非线性软件处理方法

常用的非线性软件处理方法主要有两种：计算法和插值法。

4.3.1插值法

设某传感器的输出特性曲线(例如电阻—温度持性曲线) ．如下图所示。

由图可以看出，当巳知某—输入值x i 以后，要想求出值y i 并非易事，因为其函数关系数关系式y=f(x)并不是简单的线性方程。为使问题简化，可以把该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻两分段点用直线连起来(如图中的虚线所示) ，用此直线代替相应的各段曲线、即可求出输入值x 所对应的输出值y 。例如，设x 在(xi ,x i+1) 之间，则其对应的逼近值为

分段现行插值原理

y i +1-y i

(x -x i ) y =y i +

x i +1-x i

y i +1-y i

令k i =x i +1-x i

则

,

y =y i +k i (x -x i )

具体执行过程：

第一步，用实验法测出传感器的变化曲线y ＝f(x)。为准确起见，要多测几次，以便求出一个比较精确的输入／输出曲线。

第二步, 将上述曲线进行分段、选取各插值基点。为了使基点的选取更合理，不同的曲线采用不同的方法分段。主要有两种方法： (1) 等距分段法

等距分段法即沿y 轴等距离地选取插值基点。这种方法的主要优点是使xi+1-xi＝常数，因而使计算变得简单。但是函数的曲率和斜率变化比较大时，会产生一定的误差；要想减少误差．必须把基点分得很细，这样势必占用较多的内存，并使计算机所占用的机时加长。

(2) 非等距分段法

这种方法的特点是函数基点的分段不是等距离的，通常将曲线曲率大的线段插值距

离划分小一点，而使曲率小区域的插值距离大一点，但非等值插值点的选取比较麻烦。 第三步 确定并计算出各插值点xi 、yi 的值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率ki 并存放在存储器中。

第四步 找出x 所在的区域(xi,xi+1),并取出该线段的斜率ki 。 第五步 计算

y =y i +k i (x -x i )

4.3.2 拟合计算法

当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时，就可采用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序，被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入计算机程序进行计算，计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。

在实际工程上，被测参数和输出电压常常是一组测定的数据。这时如仍想采用计算法进行线性化处理，则可应用数学上曲线拟合的方法对被测参数和输出电压进行拟合， 一般形式

23

y =a +bx +cx +dx +

y 为被测量，x 为传感器输出值。

除了多项式外也可以用其他的模式进行最小二乘拟合。

4.4 传感器输出信号的数字滤波

在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含有各种干扰信号，它们入要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。数字滤波就是通过一定算法程序的计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，提高信噪比。它与硬件RC 滤波器相比具有以下优点：

(1) 数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性。

(2) 可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC 滤波器由于受电容容量的限制, 频 率不可能太低。

(3) 灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。 正因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越 来越广泛的应用。

数字滤波的方法有很多种，可以根据不同的测量参数进行选择。下面介绍几种常用 的数字滤波方法及程序。

4.4.1 算术平均值法

算术平均值法是寻找一个Y 值，使该Y 值与各采样值间误差的平方和为最小．即

由

dE

=0，得算术平均值法的算式 dY

1Y =

N

式中: x i ——第i 次采样值； Y ——数字滤波的输出； N ——采样次数。

∑x

i =1

N

i

4.4.2 中值滤波法

x 1

4.4.3 防脉冲干扰复合滤波法

x 1

Y =(x 2+x 3+ +x N -1) /(N -2)

速系统系统中都能削弱干扰。提高控制质量。当采样点数为三时，它便是中值滤波法。

4.4.4 惯性滤波法

惯性滤波法是一种以数字形式实现低通滤波的动态滤波方法。与一阶低通RC 模拟滤波器相比，能很好实现对低频干扰的滤波。

对一阶模拟低通滤波器的传递函数离散化，可以得到：

y k =(1-α) x k +αy k -1

其中

y k ——第k 次采样后滤波结果输出值； x k ——第k 次采样值；

α——滤波平滑系数，α=

ττ+T s

，τ时间常数，Ts 采样周期

惯性滤波法适合于波动频繁的被测量的滤波，它能很好的消除周期性干扰，但也带来了输出数据的相位滞后的结果, 滞后角的大小与α的选择有关。

4.5 智能传感器

4.5.1 智能传感器的概念

智能传感器是当今国际科技界研究的热点, 尚无统一的、确切的定义。在英文中本文中有Intelligent sensor 或Smart sensor 两个词, 统称为智能传感器。目前国内外学者普遍认为, 智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机) 相结合而构成的, 它充分利用计算机的计算和存储能力, 对传感器的数据进行处理, 并能对它的内部行为进行调节, 使采集的数据最佳。

4.5.2 智能传感器的功能与特点

智能传感器的功能智能传感器的功能概括起来主要有以下7个；

(1) 自补偿能力: 通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。

(2) 自校准功能: 操作者输入零值或某一标准量值后, 自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。

(3) 自诊断功能: 接通电源后, 可对传感器进行自检, 检查传感器各部分是否正常, 并可诊断发生故障的部件。

(4) 数值处理功能: 可以根据智能传感器内部的程序, 自动处理数据, 如进行统计处理, 剔除异常值等。

(5) 双向通信功能: 微处理器和基本传感器之间构成闭环, 微处理机不但接收、处理传感器的数据, 还可将信息反馈至传感器, 对测量过程进行调节和控制。

(6) 信息存储和记忆功能。

(7) 数字量输出功能: 输出数字信号, 可方便的和计算机或接口总线相连。

目前研制的智能传感器只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件, 检测物理量的变化, 而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、Ａ/Ｄ转换等) 、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。随着科学技术的发展, 智能传感器的功能将逐步增强, 它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等), 使传

感器具有更高级的智能, 具有分析、判断、自适应、自学习的功能, 可以完成图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。

4.5.3 智能传感器的组成

智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机) 及相关电路组成, 其结构框图如下图所示。

智能传感器的组成

传感器将被测的物理量转换成相应的电信号, 送到信号调理电路中, 进行滤波、放大、模数转换后，送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心, 它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理, 还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能, 可以完成硬件难以完成的任务, 从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能, 降低成本。

智能传感器的结构可以是集成的, 也可以是分离式, 按结构可以分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上, 集成度高, 体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上, 则构成混合式的智能传感器(Hybrid Smart Sensor)。目前这类结构较多。初级的智能传感器也可以有许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内, 体积较大, 但在目前的技术水平下, 仍不失为一种实用的结构形式。

4.5.4 智能传感器的应用

智能传感器最早应用在航天领域。宇宙飞船中需要测量大量参数, 有反映运行轨道的速度、加速度、姿态、方位等参数, 有反映宇航员生存环境的温度、湿度、气压、空气成分等参数, 因此需要大量的传感器。这些大量的原始数据若直接送到计算机中, 无疑会增加主计算机的负担, 影响处理速度。为了提高效率和可靠性, 采用分布处理的方法, 即将这些数据先经过各自的处理系统进行预处理, 然后再传送至主机进行集中处理。这就是在美国宇航局开发宇宙飞船时所开发的智能传感器。由于智能传感器和多功能传感器的功能强, 集成度高, 体积小, 因此可以大大减少传感器的数量和连接电缆线的重量, 这恰是导弹、卫星、宇宙飞船等飞行器所需要的, 所以它们在航空航天领域中起着非常重要的作用。

在工业生产中, 随着生产过程自动化的发展, 采集的数据越来越多, 需要使用大量传感器和计算机。特别是需要智能传感器。智能传感器和多功能传感器在机器人中有广阔的应用前景。如视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器等。特别是智能机器人, 需要根据采集的信息进行识别、判断、决策。智能传感器如同人的五官, 可以使机器人具有感知功能。现在一些国家在研究开发可以识别物体形状的触觉传感器, 分辨不同气体的嗅觉传感器。随着智能传感器和多功能传感器的发展, 它们将在工业、科技、国防等各个部门得到更广泛的应用。