第6章传感器技术与应用

第6章传感器技术及应用传感器：传感器是将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系的电压和电流的测量装置。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)需要测量与控制，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。本章以计算机测控系统和简易机器人的设计为例介绍传感器技术在机电一体化系统中的应用。6.1传感器技术基础6.1.1传感器组成：敏感元件、转换元件、基本转换电路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、应变片等将力转换为位移或应变输出。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)转换成电量参数(如电阻、电感、电容等)等。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。6.1.2传感器的分类1、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；2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3、按照输出信号的性质分类；开关型(二值型)：光电开关、接近开关、行程开关数字型：光栅、光电编码器模拟型：位移传感器、旋转变压器、光敏传感器、红外传感器、黑白传感器、金属传感器、涡流传感器等。6.1.3传感器的基本特性1.传感器的静特性：(1)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，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。(2)灵敏度：传感器输入增量与输出增量之比；(3)精度：表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用极限误差与满量程的比值按百分数给出。(4)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。(5)迟滞：随输入变化的正行程与反行程特性曲线不重合的程度2.动态响应特性在测量过程中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的特性称为传感器的动态响应持性。包括:频率响应特性：不同频率正弦信号通过传感器的响应特性A（ω）幅频特性、Φ（ω）相频特性时域（瞬态、阶跃）响应特性：H（S）时间常数τ、上升时间t固有频率、阻尼比采样频率：数字式处理数据的能力6.1.4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、信噪比高；2.成本低、体积小、重量轻、对整机的适应性好；3.工作可靠、稳定性好；4.结构简单，便于与计算机连接；5.抗干扰能力强，不受外部环境影响；6.动态性能好;6.4基于传感器的计算机检测系统（P172）6.4.1基于传感器的计算机检测系统的基本组成检测系统控制系统分为传感器输出信号为模拟量和数字量两种不同的结构，数字量输出系统与计算机接口与第5章介绍的方法相同。模拟量检测系统基本组成如下图。6.4.2数/摸（D/A）转换器接口DAC是一种把二进制数字信号转换为模拟信号（电压或电流）的电路。DAC品种繁多，按转换原理的不同，可分为权电阻DAC、T型电阻DAC、倒T型电阻DAC、变形权电阻DAC、电容DAC和权电流DAC等等。1、DAC0832的结构与原理DAC0832数/模转换器的内部由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器电路及转换控制电路构成。DAC0832的主要特性如下：①分辨率为8位。（1/255）②转换时间为1μs。③可单缓冲、双缓冲或直接数字输入。④输出电压方式：单极性、双极性⑥单一电源供电（+5～+15V）。⑦电流型输出必须外接运算放大器。⑵DAC0832的引脚功能ILE允许数据输入高电平有效XFER启动D/A转换VREF参考电压RFB运算放大器反馈电阻输入端CSWR1WR2⑶DAC0832与8031单片机的接口设计DAC0832与8031单片机有三种基本的接口方法，即单缓冲器方式、双缓冲器方式和直通方式。1）直通方式（8255A口控制）2）单缓冲方式接口（1个地址号）3）双缓冲同步方式接口（3个地址号）（4）DAC0832的输出方式单极性模拟电压输出双极性电压输出VREFVFBIOUT2IOUT1－＋AGNDVODAC0832DB＋5VVREFVFBIOUT2IOUT1－＋AGNDVODAC0832DB15kW＋5V7.5kW－＋15kWVO输入输出FFH-5V80H-2.5V00H0V输入输出1输出2FFH-5V+5V80H-2.5V0V00H0V-5V6.4.3模/数（A/D）转换接口（1）ADC0809结构ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，CMOS工艺；片内有8路模拟开关，可对8路模拟电压量实现分时转换。ADC0809的引脚如下图所示，逻辑结构图如下图所示。12345678910111213142827262524232221201918171615ADC0809IN2IN1IN0ABCALED7D6D5D4D0VREF(－)D2IN3IN4IN5IN6IN7STARTEOCD3OECLKVCCVREF(＋)GNDD1ADC0809的引脚ADC0809逻辑结构图ADC0809其引脚定义如下：IN7-IN0：8条模拟量输入通道；D7-D0：输出数据端。START：启动转换命令输入端。高电平有效。EOC：转换结束指示脚。平时它为高电平，在转换开始后及转换过程中为低电平，转换结束，它又变回高电平。OE：输出使能端。此脚为高电平，即打开输出缓冲器三态门，读出数据。C、B和A：通道号选择输入端。这三个引脚上所加电平的编码为000～111时，分别对应于选通通道IN7～IN0。ALE：通道号锁存控制端。当它为高电平时，将C、B和A三个输入引脚上的通道号选择码锁存，也就是使相应通道的模拟开关处于闭合状态。CLK：外部时钟输入。ADC809典型的时钟频率为640KHz，转换时间为100µsVREF(+)、VREF(-)：两个参考电压输入端。ADC0809与8051单片机的连接8个通道地址为：FEF8H--FEFFH（2）ADC0809与MCS-51单片机接口ADC0809与单片机有3种读取转换数据的方式（仅EOC连接不同）：延时等待方式、查询方式，中断方式。启动0809进行A/D转换的过程选择通道（ADDA，ADDB，ADDC）锁存通道号启动A/D转换（ALE，START）等待转换结束（EOC=1）读取数据（OE=1MOVX）STA:MOVR2,#08HMOVR0,#40HMOVDPTR，#0FEF8HEXT:MOVX@DPTR,A(ACALLYANS)STO:JNBP3.3,STOMOVXA,@DPTRMOV@R0,AINCDPTRINCR0DJNZR2,EXTAJMPSTA修改地址指针和通道号AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：分辨率：12位非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种电源电压：±15V和5V数据输出格式：12位/8位12位逐次逼近式A/D转换器AD574与单片机8051的接口电路1.分别写出2764与6264的地址的地址空间（0000H2.0809的A、B、C分别连接到地址线的A0、A1、A2，编程采集IN5通道的数据到累加器A。（启动A/D转换—读数据）3.8155的IO/M接89C51的P2.2,分别从8255和8155的PB口输出127的数据，由8255的PA口读入数据存放在8155的RAM第1个单元中。4假定两片0832输出电压的范围都为0V—10V，都工作在单缓冲方式。编程由1#输出10V，由2#输出5V的电压。6.4.4传感器检测系统及应用实例分析一、采用模拟式传感器的检测系统的构成电阻、电容、电感、压电、磁电、热电式等传感器输出为模拟信号，其检测系统如图示：传感器调制器放大器解调器滤波器运算电路A/D计算机振荡器振荡器输出的载波用于对传感器信号进行“调制”，以提高输出信号抗干扰能力；并对“解调”提供参考信号，“解调”是使信号恢复原有形式。显示装置细分电路传感器放大器整形电路变换电路计数器计算机显示装置辨向电路传感器输出多为正弦波信号，经放大、整形后变成数字脉冲信号，进入计数器、计算机，为提高分辨率，采取细分电路；辫向电路辨别方向以便正确进行加法或减法记数；被测量对应为脉冲信号时，可直接通过信号变换与整形进行计数器不需要放大。二、采用数字式传感器检测系统的构成光电、光栅、电容、CCD、压电、热电式及开光类传感器等输出数字信号，其检测系统如图示：三、举例：设计一个循环温度控制系统1.设计要求用MCS-51单片机设计一个加工中心车间的温控系统。具体要求如下：1）实时测量环境温度，并显示当前温度值。当室温度高于设定温度，使空调的压缩机运转，使室温降低。当室温低于设定温度，压缩机停止运转。2）温度设定功能，通过按键输入压缩机启停的温度设定值。设定温度过程中显示设定温度值，以便于操作。设定完毕后，改为循环显示当前测定温度值。2.总体方案(1)温度控制系统的基本结构设计压缩机控制执行LED显示单片机按键输入温度测量系统中的关键技术是如何实时测量室内温度。在对外界温度、进行测量时，要解决的问题：1）如何将这些非电量转换为电参数(电压、电流)2）如何将模拟量(电压)转换为数字量。3）如何对温度进行实时控制4）温度传感器的选用：热敏电阻、热电偶、红外辐射温度传感器、集成温度传感器（AD590）6.2.7热电式(温度)传感器（1）热电偶（P169-1）结构：两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路,如图两个接点,一个称工作端,又称测量端或热端,测温时将它置于被测介质中;另一个称自由端,又称参考端或冷端。所产生的热电势由两部分组成该接触电势的产生：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成了电动势。接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。热端的接触电势EAB(T)和冷端EAB（T0）的差值为其总电势。)()(0TETEEABABt理论上讲,任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶,但为了准确可靠地测量温度,对组成热电偶的材料必须经过严格的选择。工程上用于热电偶的材料应满足以下条件:热电势变化尽量大,热电势与温度关系尽量接近线性关系,物理、化学性能稳定,复现性好,便于成批生产,有良好的互换性。2）热电偶的结构形式有普通型结构和薄膜型结构等。其中普通型热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶薄膜型热电偶(2)热电阻和热敏电阻（传感器）热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。金属热电阻称为热电阻,半导体热电阻称为热敏电阻。热电阻广泛用来测量-200~+850℃范围内的温度,少数情况下,低温可测量至1K,高温达1000℃。相比较热敏电阻的灵敏度要高得多，负温度系数（温度升高阻值减小NTC）测量范围-50--+3000C正温度系数热敏电阻（温度升高阻值增大PTC）测量范围-50--+1500C。（3）集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系,把感温PN结及有关电子线路集成在一个小硅片上,构成专用集成电路片。目前在集成温度传感器中,都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件集成。由于PN结受耐热性能和特性范围的限制,它只能用来测150℃以下的温度。电流输出型典型的集成温度传感器有美国AD公司生产的AD590,（国产的SG590）是应用广泛的一种集成温度传感器。由于它内部有放大电路,再配上相应外电路,方便地构成各种应用电路。下面介绍AD590的内部结构和简单的应用线路。AD590内部结构AD590简单测温电路简单的控温电路如图所示。311为比较器,它的输