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本章导读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。本章首先解释传感器的基本概念和组成，并介绍传感检测系统的基本组成。其次对机电一体化系统中常用传感器的分类进行详细介绍。再次对传感器的特性、选用原则、校准及安装进行说明。随着现代测量技术的不断发展，计算机检测技术应用相当广泛，因此，本章最后简要介绍了传感检测电路及其计算机接口。学习内容与要求1.掌握传感器的组成和分类；2.熟悉根据机电系统的设计要求选用传感器；3.了解传感器的校准及安装方法；4.熟悉传感器的测量电路、计算机接口及其主要性能指标。本章重点1.传感器的组成和使用方法；2.根据机电系统的设计要求选用传感器；3.传感器的测量电路、计算机接口及其主要性能指标；4.传感器的校准及安装方法。本章难点1.传感器的组成和使用方法；2.常用传感器的特性及选用方法。媒体使用说明学生可以通过文字教材理解传感器的基本概念、传感检测系统的基本构成、传感器的选用方法、传感器测量电路与计算机接口等知识。结合流媒体课件着重学习本章主要知识点，通过流媒体课件中二维或三维动画仿真演示，深入理解课程的重点和难点内容。在录像教材中，主要介绍传感器测量电路及其计算机接口。3.1传感检测技术概述在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代。在从事工业生产和科学实验等活动中，对信息资源的开发、获取、传输和处理是极其重要的。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。科学实验和生产过程中，尤其是自动检测和自动控制系统要获取信息，都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。传感器的水平是衡量一个国家综合经济实力和技术水平的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术进步的重要标志。从生产实践看，从人们日常的衣食住行到各种复杂的工程，都离不开传感器。例如，工厂自动化的柔性制造系统、计算机集成制造系统、大型发电厂、飞机（一架飞机上装有几千只传感器）、武器指挥系统、雷达、宇宙飞船、海洋探测器、各种家用电器、报警器、环境监测器、医疗卫生器械、生物工程等都依靠不同性质的传感器来获取所需要的信息。3.1.1传感器及其组成1.传感器的定义传感器好比人的五官，人通过五官即眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）、四肢（触觉）感知和接收外界信息，然后通过神经系统传输给大脑进行加工处理。传感器则是一个控制系统的“电五官”，它感测到外界的信息，然后反馈给系统的处理器即“电脑”进行加工处理。人与传感器的关系如图3-1所示。图3-1人与传感器的关系传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其具体含义包括以下几方面：（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；（3）它的输出量是某种物理量，且这种量要便于传输、转换、处理和显示等，另外，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量；（4）输出/输入有对应关系，且应有一定的精确程度。2.传感器的组成传感器的输出信号通常是电量，因为它便于传输、转换、处理和显示等。电量有很多形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常，传感器由敏感元件和转换元件及其他辅助部件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大和运算调制等。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传感器的信号调理与转换电路可以安装在传感器的壳体里，也可以与敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信号调理与转换电路以及传感器工作必须有辅助电源，因此，信号调理与转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图3-2所示。图3-2传感器组成框图（1）敏感元件。它能直接感受被测非电量，并按一定规律将其转换成与被测非电量有确定对应关系的其他物理量。（2）转换器件（又称变换器、传感器件）。将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成电路参量。（3）信号调节（转换）电路。将转换器件输出的电信号进行放大、运算、处理等，以获得便于显示、记录、处理和控制的有用电信号。（4）辅助电源。它的作用是提供能源。有的传感器需要外部电源供电；有的传感器则不需要外部电源供电，如压电传感器。3.1.2传感检测系统尽管现代检测仪器和检测系统的种类、型号繁多，用途、性能千差万别，但它们的作用都是用于各种物理或化学成分等参量的检测，其组成单元按信号传递的流程来区分，通常由各种传感器（变送器）将非电被测物理或化学成分参量转换成电信号，然后经信号调理（信号转换、信号检波、信号滤波、信号放大等）、数据采集、信号处理后显示并输出。以上设备以及系统所需的交、直流稳压电源和必要的输入设备便组成了一个完整的传感检测系统。传感检测系统的组成框图如图3-3所示。图3-3传感检测系统的组成框图1.传感器传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的器件或装置。它的作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成，其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。2.信号调理电路信号调理电路在检测系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波和放大等，以方便检测系统后续环节进行处理或显示。对信号调理电路的一般要求有以下两方面：（1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；（2）信噪比高，抗干扰性能要好。3.数据采集数据采集（系统）在检测系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化并转换成与模拟信号电压幅度相对应的一系列数值信息，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器或依次自动存储。数据采集系统通常以各类模/数（A/D）转换器为核心，辅以模拟多路开关、采样/保持器、输入缓冲器、输出锁存器等。数据采集系统的主要性能指标有：（1）输入模拟电压信号的范围，单位：V；（2）转换速度（率），单位：次/s；（3）分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；（4）转换误差，通常指实际转换数值与理想、A/D转换器理论转换值之差。4.信号处理信号处理模块是现代检测仪表、检测系统进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。现代传感检测系统中的信号处理模块通常以各种型号的单片机、微处理器为核心来构建，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机，从而使所设计的检测系统获得更高的性能价格比。5.信号显示通常人们都希望及时知道被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况，因此，各类检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的当前值后一般均需送至各自的显示器作实时显示。显示器是检测系统与人联系的主要环节之一。显示器一般可分为指示式、数字式和屏幕式3种。6.信号输出在许多情况下，检测仪表和检测系统在信号处理器计算出被测参量的瞬时值后除送至显示器进行实时显示外，通常还需把测量值及时传送给控制计算机、可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）或其他执行器、打印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统或实现打印（记录）输出。7.输入设备输入设备是操作人员和检测仪表或检测系统联系的另一主要环节，主要用于输入设置参数、下达有关命令等。最常用的输入设备是各种键盘、拨码盘和条码阅读器等。近年来，随着工业自动化、办公自动化和信息化程度的不断提高，通过网络或各种通信总线利用其他计算机或数字化智能终端实现远程信息和数据输入的方式愈来愈普遍。最简单的输入设备是各种开关和按钮，模拟量的输入和设置往往借助电位器进行。8.稳压电源一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅值大小要求各异但稳定的电源。这类电源在检测系统使用现场一般无法直接提供，通常只能提供交流220V的工频电源或+24V的直流电源。检测系统的设计者需要根据使用现场的供电电源情况及检测系统内部电路的实际需要，统一设计各组稳压电源，给系统各部分电路和器件分别提供它们所需的稳定电源。需要注意的是，上述各部分不是所有的检测系统（仪表）全都具备的，而且对有些简单的检测系统来说，其各环节之间的界线也不是十分清楚，需根据具体情况进行分析。另外，在进行检测系统设计时，对于把以上各环节具体相连的传输通道，也应给予足够的重视。传输通道的作用是联系仪表的各个环节，给各环节的输入/输出信号提供通路。它可以是导线、管路（如光导纤维）以及信号所通过的空间等。信号传输通道比较简单，易被人们忽视，如果不按规定的要求布置和选择，则易造成信号损失、失真或引入干扰等，从而影响检测系统的精度。3.1.3传感器的分类传感器技术是一门知识密集型技术，与许多学科都相关。传感器的构成形式多种多样，其种类也十分繁多。目前一般采用两种分类方法：一是按被测参数分类，如温度、压力、位移、速度等；二是按传感器的工作原理分类，如应变式、电容式、压电式、磁电式等。本章是按后一种分类方法来介绍各种传感器的，而传感器的工程应用则是根据工程参数进行叙述的。对于初学者和应用传感器的工程技术人来说，应先从工作原理出发，了解各种各样的传感器，而对于工程上的被测参数则应着重于如何合理地选择和使用传感器。目前，传感器比较常用的分类方法有如下几种。1.根据被测物理量分类这种分类方法明确表示了传感器的用途，便于使用者选择。比如速度传感器用于测量物体的移动速度，位移传感器用于测量物体的位移量，温度传感器用于测量温度，压力传感器用于测量压力等。一些常见的非电基本物理量与其对应的派生物理量如表3-1所示。表3-1一些常见的非电基本被测物理量及其对应的派生物理量2.按传感器的工作原理分类根据传感器工作原理的学科性，一般分成物理型、化学型和生物型3类。物理型传感器是指利用变换元件的物理效应制成的传感器。化学型传感器是指利用电化学效应，将有机或无机物质的组分、浓度等转换成电信号的传感器。生物型传感器是指利用生物活性物质的选择性识别和测定生物化学物质的传感器。具体包括以下几种类型。（1）电学式传感器电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。①电阻式传感器。是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成的。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。②电容式传感器。是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量，从而使电容量发生变化的原理制成的，主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。③电感式传感器。是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的，主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。④磁电式传感器。是利用电磁感应原理，把被测非电量转换成电量制成的，主要用于流量、转速和位移等参数的测量。⑤电涡流式传感器。是利用金属在磁场中运动切割磁力线，在金属内形成涡流的原理制成的，主要用于位移及厚度等参数的测量。（2）磁学式传感器磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。（3）光电式传感器光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的，主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。（4）电势型