张敏-数字传感器概述.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流张敏-数字传感器概述.精品文档.数字传感器概述张敏 (合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009)摘 要：数字传感器是在传统的模拟传感器的基础上发展起来的一种新型的传感器，它具有模拟传感器不可比拟的优点。近年来，数字传感器的应用越来越普及，并以其独特地有点占据着广大的前景。本文论述了数字传感器的工作原理及特点，并分别介绍了栅式（光栅、磁栅）传感器、编码器（接触式、光电式、电磁式）传感器、频率输出式传感器、感应同步器式传感器等四类最常见的数字传感器。关键词：传感器；数字传感器；栅式；编码器；频率输出式；感应同步器中图分类号：

2、TU 411.01 文献标识码：A 0 引 言传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。传感器虽然已经得到广泛的应用但随着科学技术的发展，我们对他提出了愈来愈高的要求。目前除个断提高精度、扩展功能、扩大应用他阁外总的传感器趋势是一体化、小型化、智能化和网络化。数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量（或数字编码）的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU）、存储器、通讯接口电路等。1 数字传感器的特点数字传感器的特点：1、先进的A/D转换技术和智能滤波算法，在满量程的情况下仍可保

3、证输出码的稳定。 2、可行的数据存储技术，保证模块参数不会丢失。 3、良好的电磁兼容性能。 4、传感器的性能参数采用数字化误差补偿技术和高度集成化电子元件，用软件实现传感器的线性、零点、额定输出温漂、蠕变等性能参数的综合补偿，消除了人为因素对补偿的影响，大大提高了传感器综合精度和可靠性。 5、传感器的输出一致性误差可以达到0.02%以内甚至更高，传感器的特性参数可完全相同，因而具有良好的互换性。 6、采用A/D转换电路、数字化信号传输和数字滤波技术，传感器的抗干扰能力增加，信号传输距离远，提高了传感器的稳定性。 7、数字传感器能自动采集数据并可预处理、存储和记忆，具有唯一标记，便于故障诊断。

4、8、传感器采用标准的数字通讯接口，可直接连入计算机，也可与标准工业控制总线连接，方便灵活。 9、 数字传感器是将AD，EPROM，DIE（传感器芯片），封装在一块用PCB，金属块或陶瓷板上的集成。通过各种温度，压力点的校准，计算出DIE的线性，再利用AD去补偿的方法加工而成的。2 数字传感器的前景在微处理器和传感器变得越来越便宜的今天，全自动或半自动（通过人工指令进行高层次操作，自动处理低层次操作）系统可以包含更多智能性功能，能从其环境中获得并处理更多不同的参数。尤其是MEMS（微型机电系统）技术，它使数字传感器的体积非常微小并且能耗与成本也很低。以纳米碳管或其它纳米材料制成的纳米传感器同样具

5、有巨大的潜力。 即使在萌芽阶段，人们仍然认为在不久的将来数字传感器对电子市场具有重要的推动作用。制作数字传感器的接口以及支持用于数字传感器网络的形式多样的通讯协议都是对技术工艺的巨大挑战。传感器的非均质特性和其操作条件的多样化也对技术工艺提出了巨大的挑战。 现在系统设计所包含的传感器和处理器越来越多。随着传感器和处理器价格的不断降低，取代机械控制结构的阈值也在不断变化。在系统中选择正确的传感器组合和处理算法可以显著地降低原材料及能耗的费用并提高系统的总体性能。目前，不断提高操作的简化程度和延长能源的使用寿命变得越来越重要，尤其是如今越来越多的传感器网络动辄就配置1000或更多的传感器节点。3

6、数字传感器的分类及应用常用数字传感器有四大类：栅式（光栅、磁栅）传感器、编码器（接触式、光电式、电磁式）传感器、频率输出式传感器、感应同步器式传感器。3.1. 栅式传感器1）光栅传感器光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称之为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。当两块光栅互相靠近且沿刻线方向保持有一个夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，使光线透不过去，形成一条暗带 ；而亮条与亮条重合

7、的地方，部分光线得以通过，形成一条亮带 。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹。对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的随运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。光栅传感器结构为：光源标尺光栅指示光栅光电元件。当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化。2）磁栅传感器是利用磁栅与磁头的电磁作用进行测量的位移传感器。它是一种新型的数字式传感器。特点：成本较低且便于安装和使用；制作简单，复制方便；当需要时，可将原来的磁信号（磁栅）抹去，重新录制。还可以安装在

8、机床上后再录制磁信号，这对于消除安装误差和机床本身的几何误差，以及提高测量精度都是十分有利的。并且可以采用激光定位录磁，而不需要采用感光、腐蚀等工艺；精度较高,可达0.01毫米米，分辨率为15微米； 测量范围宽（从（几十毫米到数十米）；应用：磁栅作为检测元件可用在数控机床和其他测量机上。3.2.编码器将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、 高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多， 主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：1）接触式编码器编码盘或编码尺是一种通过直接编码进行测量

9、的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。原理：编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码、二十进制编码、格莱码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。2）光电式编码器光学码盘式传感器 - 用光电方法将被测角位移转化成数字电信号。其特点是：高精度、高分辨力、可靠性好。3）磁编码器电磁式编码器的码盘上按照一定的编码图形，做成磁化区（导磁率高）和非磁化区（导磁率低），采用小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头， 磁环

10、或磁头紧靠码盘，但又不与码盘表面接触。每个磁头上绕两组绕组，原边绕组用恒幅恒频的正弦信号激励，副边绕组用作输出信号，副边绕组感应码盘上的磁化信号转化为电信号，其感应电势与两绕组匝数比和整个磁路的磁导有关。 当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低，如磁头对准非磁化区，它就类似于变压器， 输出电压会很高，因此可以区分状态“1”和“0”。几个磁头同时输出，就形成了数码。电磁式编码器由于精度高，寿命长，工作可靠，对环境条件要求较低，但成本较高。4）脉冲盘式数字传感器脉冲盘式编码器又称为增量编码器。增量编码器一般只有三个码道，它不能直接产生几位编码输出，故它不具有绝对码盘码的含义，这是脉冲盘式编码器

11、与绝对编码器的不同之处。增量编码器的圆盘上等角距地开有两道缝隙，内外圈(A、B)的相邻两缝错开半条缝宽；另外在某一径向位置（一般在内外两圈之外），开有一狭缝，表示码盘的零位。在它们相对的两侧面分别安装光源和光电接收元件，如下图所示。当转动码盘时，光线经过透光和不透光的区域，每个码道将有一系列光电脉冲由光电元件输出，码道上有多少缝隙每转过一周就将有多少个相差90的两相（A、B两路）脉冲和一个零位(C相)脉冲输出。增量编码器的精度和分辨率与绝对编码器一样，主要取决于码盘本身的精度。3.3.频率式数字传感器 频率式数字传感器是能直接将被测非电量转换成与之相对应的、便于处理的频率信号。频率式数字传感器

12、一般有两种类型： 利用振荡器的原理，将被测量的变化改变为振荡器的振荡频率，常用振荡器有RC荡电路和石英晶体振荡电路等。利用机械振动系统，通过其固有振动频率的变化来反映被测参数。1）RC振荡器式频率传感器温度-频率传感器就是RC振荡器式频率传感器的一种。这里利用热敏电阻RT测量温度。RT作为RC振荡器的一部分，该电路是由运算放大器和反馈网络构成一种RC文氏电桥正弦波发生器。当外界温度T变化时RT的阻值也随之变化，RC振荡器的频率因此而改变。RC振荡器的振荡频率由下式决定：2）弹性振动体频率式传感器任何弹性体都具有固有振动频率，当外界的作用力（激励）可以克服阻尼力时，它就可能产生振动，其振荡频率与

13、弹性体的固有频率、阻尼特性及激励特性有关。 若激励力的频率与弹性体的固有频率相同、大小刚好可以补充阻尼的损耗时，该弹性体即可作等幅连续振荡，振动频率为其自身的固有频率。弹性振动体频率式传感器就是利用这一原理来测量有关物理量的。弹性振动体频率式传感器有振弦式、振膜式、振筒式和振梁式等，下面以振弦式频率传感器为例，介绍弹性振动体频率式传感器的基本结构及其激励电路。振弦式传感器振弦式传感器包括振弦、激励电磁铁、夹紧装置等三个主要部分。将一根细的金属丝置于激励电磁铁所产生的磁场内，振弦的一端固定、另一瑞与被测量物体的运动部分连接，并使振弦拉紧。作用于振弦上的张力就是传感器的被测量振弦的张力为F时，其固

14、有振动频率可用下式表达：L 振弦的有效长度； 振弦的线密度；A 弦的截面积； 弦的应力；对已定传感器：弦的激发方式要测量振弦振动频率，必须先激发振弦起振，给弦以足够的激励力。振弦的激振方式：间歇激发、连续激发。间歇激发当振荡器给出激励脉冲，继电器吸合，电流通过磁铁线圈，使磁铁吸住振弦。脉冲停止后松开振弦，振弦便自由衰减振动，在线圈中产生感应电动势经继电器常闭接点输出。感应电动势的频率即为振弦的固有频率，通过测量感应电动势的频率即可测量振弦张力的大小。为了克服阻尼作用对振弦振动的衰减，必须间隔一定时间激励一次。连续激发连续激振使用了两个电磁线圈，一个用于连续激励，另一个用于接收振弦的振荡信号。当

15、振弦被激励后，接收线圈2接受感应电势，经放大后，正反馈给激励线圈1以维持振弦的连续振荡。用振弦、运算放大器和永久磁铁可以组成一个自激振荡的连续激振应力传感器的测量电路。当电路接通时，有一个初始电流流过振弦，振弦受磁场作用下产生振荡。振弦在激励电路中组成一个选频的正反馈网络，不断提供振弦所需要的能量，于是振荡器产个等幅的持续振荡。 在这个电路电阻R2和振弦支路形成正反馈回路，R1、Rf和场效应管FET组成负反馈电路。R3、R4、二极管D和电容C组成的支路给FET管提供控制信号，由负反馈支路和场效应管控制支路控制起振条件和自动稳幅。 如果由于某种原因引起振荡器的输出幅值增加，输出信号经过R3、R4

16、、D和C检波后，成为FET管的栅极控制信号，具有较大的负电压，使FET管的漏源极间的等效电阻增加，从而使负反馈支路的负反馈增大，运算放大器的闭环增益降低，使输出信号幅位减小；反之，输出幅值减小，负反馈作用减弱，运算放大器闭环增益提高，有使输出幅值自动提升的趋势。因而，就起到了自动稳定振幅的作用。 如果振动器停振，输出信号等于零，此时FET管处于零偏压状态，电路正增益大大提高，为起振创造了条件。振弦式传感器的输出 输入一般为非线性关系，其输出 输入特性如下图所示。 为了得到线性的输出，可以选取曲线中近似直线的一段。也可以用两根振弦构成差功式振弦传感器，通过测量两根振弦的频率差来表示应力，可以大大

17、地减小传感器的温度误差和非线性误差。3.4 感应同步器感应同步器时20世纪60年代末发展起来的一种高精度位移（直线位移、角位移）传感器。按其用途可分为两大类：测量直线位移的线位移感应同步器；测量角位移的圆盘感应同步器。1）直线式感应同步器 感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成数字量的传感器。它的基本结构是两个平面形的矩形线圈，它们相当于变压器的初、次级绕组，通过两个绕组间的互感量随位置变化来检测位移量的。2）旋转式感应同步器 旋转式感应同步器由定子和转子两部分组成，它们呈圆片形状，用直线式感应同步器的制造工艺制作两绕组，如下图所示。定子、转子分别相当于直线式感应同步器的之定尺和滑尺。目前旋转式感应同步器的直径一般有50mm、76mm、178mm和302mm等几种。径向导体数(极数)有360、720和1080几种。转子是绕转轴旋转的，通常采用导电环直接耦合输出，或者通过耦合变压器，将转子初级感应电势经气隙耦合到定于次级上输出。旋转式感应同步器在极数相同情况下，同步器的直径越大，其精度越高。4 结 论目前，数字传感器在很多地方都得到广泛的应用，并拥有很大的应用前景，随着技术的不断进步，其发展势必也将更上一个台阶，并在今后的各个行业都能发挥关键性的作用。 参 考 文 献1 王 平, 刘 伟. 数字温度传感器在CPU测温中的应用J. 中国科技论文在线， 2010：10-23. 2