第二章检测与传感器 第一节概述 在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的 高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各 种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最 佳控制等，都是无法进行和实现的。 检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一 体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各 种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后 再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反 馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构 成了机电一体化产品中的检测系统。 随着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应 用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测 系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量：对自动化系统中各种参 数进行自动检测和控制。尤其是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个 必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。 一、传感器的分类 传感器种类繁多，分类方法也有多种，可以按被测物理量分类，这种分法明确表达 了传感器的用途，便于根据不同用途选择传感器。还可按工作原理分类，这种分法便于 学习、理解和区分各种传感器。机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制 器，传感器获取的有关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或 开关型了接触型（如微动开关、行程开关、接触开关 ”非接触型（如光电开关、接近开关） 了电阻型（如电位器、电阻应变片等） 传感器 模拟型 电压、电流型（如热电偶、光电池等） 电感、电容型（如电感、电容式位移传感器） 计数型（二值+计数器） 数字型 :代码型（如旋转编码器、磁尺等） 图2一1传感器按输出信号性质分类 2.1
2-１ 第二章 检测与传感器 第一节 概 述 在机电一体化产品中，无论是机械电子化产品（如数控机床），还是机电相互融合的 高级产品（如机器人），都离不开检测与传感器这个重要环节。若没有传感器对原始的各 种参数进行精确而可靠的自动检测，那么信号转换、信息处理、正确显示、控制器的最 佳控制等，都是无法进行和实现的。 检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能。在机电一 体化产品中，传感器的作用就相当于人的感官，用于检测有关外界环境及自身状态的各 种物理量（如力、位移、速度、位置等）及其变化，并将这些信号转换成电信号，然后 再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反 馈给控制装置或送去显示。实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路，就构 成了机电一体化产品中的检测系统。 随着现代测量、控制及自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们的重视，应 用越来越普遍。凡是应用到传感器的地方，必然伴随着相应的检测系统。传感器与检测 系统可对各种材料、机件、现场等进行无损探伤、测量和计量；对自动化系统中各种参 数进行自动检测和控制。尤其是在机电一体化产品中，传感器及其检测系统不仅是一个 必不可少的组成部分，而且已成为机与电有机结合的一个重要纽带。 一、传感器的分类 传感器种类繁多，分类方法也有多种，可以按被测物理量分类，这种分法明确表达 了传感器的用途，便于根据不同用途选择传感器。还可按工作原理分类，这种分法便于 学习、理解和区分各种传感器。机电一体化产品主要以微型计算机作信息处理机和控制 器，传感器获取的有关外界环境及自身状态变化的信息，一般反馈给计算机进行处理或 传感器 开关型 （二值型） 接触型（如微动开关、行程开关、接触开关） 非接触型（如光电开关、接近开关） 模拟型 电阻型（如电位器、电阻应变片等） 电压、电流型（如热电偶、光电池等） 电感、电容型（如电感、电容式位移传感器） 数字型 计数型（二值＋计数器） 代码型（如旋转编码器、磁尺等） 图 2—1 传感器按输出信号性质分类
实施控制。因此，这里将传感器按输出倍号的性质分类，分为开关型、模拟型和数字型 如图2一1所示 开关型传感器只输出“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)两个值。如果传感器的 输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”(ON状态)，在该值以下时输出为“0”(OFF 状态)，其临界值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算 机进行处理。 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。传感器的输入 输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出 信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟/数字转换(WD),将其转换成 数字信号后再送给微型计算机处理。 数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，它可以是任何 种脉冲发生器，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器藏可以对输入量进行计数 计数型传感器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出一个脉冲信号，例如光栅检测器 和增量式光电编码器就是如此。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进 制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低 电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用来检测执行元件的位置 或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。 二、传感器的基本特性 在机电一体化系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受 被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处 在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决 于传感器的输入一输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 (一)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、迟滞和重复性等。 1.线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出一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，即 Y:=±4厘×100% (2-1) 式中 Y1一线性度： △m一一最大非线性绝对误差： 输出满度值。 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 2-2
2-２ 实施控制。因此，这里将传感器按输出信号的性质分类，分为开关型、模拟型和数字型， 如图 2—1 所示。 开关型传感器只输出“1”和“0”或开（ON）和关（OFF）两个值。如果传感器的 输入物理量达到某个值以上时，其输出为“1”（ON 状态），在该值以下时输出为“0”（OFF 状态），其临界值就是开、关的设定值。这种“1”和“0”数字信号可直接送入微型计算 机进行处理。 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。传感器的输入/ 输出关系可能是线性的，也可能是非线性的。线性输出信号可直接采用，而非线性输出 信号则需进行线性化处理。这些线性信号一般需进行模拟/数字转换（A/D），将其转换成 数字信号后再送给微型计算机处理。 数字型传感器有计数型和代码型两大类。计数型又称脉冲计数型，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，加上计数器就可以对输入量进行计数。 计数型传感器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出一个脉冲信号，例如光栅检测器 和增量式光电编码器就是如此。代码型传感器即绝对值式编码器，它输出的信号是二进 制数字代码，每一代码相当于一个一定的输入量之值。代码的“1”为高电平，“0”为低 电平，高低电平可用光电元件或机械式接触元件输出。通常被用来检测执行元件的位置 或速度，例如绝对值型光电编码器、接触型编码器等。 二、传感器的基本特性 在机电一体化系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受 被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处 在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决 于传感器的输入—输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 （一）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、迟滞和重复性等。 1.线性度 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，即 100% Δ max γ = yFS L (2—1) 式中 γ L ——线性度； Δ max ——最大非线性绝对误差； yFS ——输出满度值。 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 s=袋 (2-2) 式中 5一一灵敏度： Ay 一输出量的变化量： △x一输入量的变化量 对于线性传感器来说，其灵敏度是个常数。 3.迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出一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 yn=±4x100% (2-3) 式中△Hm一输出值在正、反行程间的最大差值。 迟滞特性一般由实验方法确定。 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 输出一输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示， 即 (1)近似计算 yR=±△B×100% (2-4) (2)精确计算 7a=±23，-球a-可 (2-5) △Rm一一输出最大重复性误差： 片一—第1次测量值： 卫一一测量值的算术平均值： n——测量次数。 重复性特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。 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。 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。 (二)传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。 23
2-３ 比，即 x y S 0 = (2—2) 式中 S0 ——灵敏度； y ——输出量的变化量； x ——输入量的变化量。 对于线性传感器来说，其灵敏度是个常数。 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 yFS 的百分数表示 100% = FS m y H H (2—3) 式中 Hm——输出值在正、反行程间的最大差值。 迟滞特性一般由实验方法确定。 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——输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示， 即 （1） 近似计算 100% = FS m R y γ R (2—4) （2） 精确计算 ( ) ( 1) 2 ~ 3 2 = y − y n − y i FS R (2—5) 式中 Rm——输出最大重复性误差； yi ——第 i 次测量值； y ——测量值的算术平均值； n——测量次数。 重复性特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。 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。 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。 （二）传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制
而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被 测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。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、调整时间、频率响应范围、临界频率等。 动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律， 即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信 号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。 三、传感器的发展方向 由于传感器位于检测系统的入口，是获取信息的第一个环节，因此它的精度、可靠 性、稳定性、抗干扰性等直接关系到机电一体化产品的整机性能指标。因此，传感器的 研究与开发一直受到人们的重视，传感器的性能不断提高，主要表现在以下几个方面： (一)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。总之，传感器正经历着 从以结构型为主转向以物性型为主的过程。 (二)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一 一实现了横向和纵向的多 功能。 (三)传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。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。 第二节线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 光橱是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测 量装置。它的特点是测量精确度高（可达士1丛m)、响应速度快、量程范围大、可进行 非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中。 2.4
2-４ 而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被 测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。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、调整时间、频率响应范围、临界频率等。 动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律， 即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信 号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。 三、传感器的发展方向 由于传感器位于检测系统的入口，是获取信息的第一个环节，因此它的精度、可靠 性、稳定性、抗干扰性等直接关系到机电一体化产品的整机性能指标。因此，传感器的 研究与开发一直受到人们的重视，传感器的性能不断提高，主要表现在以下几个方面： （一）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。总之，传感器正经历着 从以结构型为主转向以物性型为主的过程。 （二）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——实现了横向和纵向的多 功能。 （三）传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。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。 第二节 线位移检测传感器 一、光栅位移传感器 光栅是一种新型的位移检测元件，是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测 量装置。它的特点是测量精确度高（可达±1μm）、响应速度快、量程范围大、可进行 非接触测量等。其易于实现数字测量和自动控制，广泛用于数控机床和精密测量中
(一)光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面 上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。以透光的玻璃为 载体的称为透射光桶，不透光的金属为载体的称为反射光：根据光橱的外形可分为直 线光糯和圆光栅 光橱位移传感器的结构如图2一2所示。它主要由标尺光橱、指示光栅、光电器件和 光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。 般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。光栅条纹 密度一般为每毫米25、50、100、250条等. 图2一2光檑位移传感器的结构原理 1一标尺光慢2一指示光概3一光电器件4一光测 (二)工作原理 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角时， 这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹 几乎垂直的方向排列，如图2一3所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮 带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的dd线区所示。一∫线区则是由于光栅的 遮光效应形成的。 莫尔条纹具有如下特点： 1莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光橱不动，标尺光相向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于檑线的方向上下移动：光栅每移动过一个栅距W,莫尔条纹就移动 图2一3莫尔条纹 35
2-５ （一）光栅的构造 所谓光栅就是在透明的玻璃板上，均匀地刻出许多明暗相间的条纹，或在金属镜面 上均匀地划出许多间隔相等的条纹，通常线条的间隙和宽度是相等的。以透光的玻璃为 载体的称为透射光栅，不透光的金属为载体的称为反射光栅；根据光栅的外形可分为直 线光栅和圆光栅。 光栅位移传感器的结构如图 2—2 所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和 光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一 般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离 W 称为栅距。光栅条纹 密度一般为每毫米 25、50、100、250 条等。 图 2—2 光栅位移传感器的结构原理 1—标尺光栅 2—指示光栅 3—光电器件 4—光源 （二）工作原理 如果把两块栅距 W 相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时， 这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹 几乎垂直的方向排列，如图 2—3 所示。莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮 带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的 d—d 线区所示。f— f 线区则是由于光栅的 遮光效应形成的。 莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。当指示光栅不动，标尺光栅向左右移动时， 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动；光栅每移动过一个栅距 W，莫尔条纹就移动 图 2—3 莫尔条纹 3 2 4 1 d d f f d 标尺光栅 d 指示光栅 B f f d d W/2 W θ d d W/2