第6章傳感器與計(jì)算機(jī)接口6.1概述6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器6.3傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù) 6.1概述

6.1.1傳感檢測(cè)裝置在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用

機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象實(shí)施精確控制時(shí)，必須準(zhǔn)確了解系統(tǒng)和環(huán)境狀態(tài)的變換情況。傳感檢測(cè)裝置作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺(jué)器官，主要用于獲取系統(tǒng)內(nèi)部和外部的信息。

傳感檢測(cè)裝置通過(guò)相應(yīng)的接口對(duì)信息做適當(dāng)處理后（如變換、放大、濾波），將它們傳送到控制單元進(jìn)行顯示或用于實(shí)現(xiàn)控制。圖6－1傳感檢測(cè)裝置的組成6.1.2傳感檢測(cè)裝置的組成

機(jī)電一體化系統(tǒng)中的傳感檢測(cè)裝置一般由輸入裝置、中間變換裝置與輸出接口組成，如圖6－1所示。輸入裝置主要是各類傳感器，用于將被測(cè)的非電物理量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電量。例如，電阻應(yīng)變式傳感器可將被測(cè)力轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電阻變化。

中間變換裝置是一些轉(zhuǎn)換電路，其作用是將傳感器輸出的一些電參數(shù)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量與處理的電壓或電流信號(hào)，并進(jìn)行適當(dāng)處理，如放大、濾波、阻抗變換等。例如，直流電橋?qū)㈦娮璧淖兓赊D(zhuǎn)換成電壓的變化。

輸出接口可將信號(hào)送至顯示裝置、信息處理裝置和控制器。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器

傳感器是一種以一定的精確度將被測(cè)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于處理和測(cè)量的某種物理量的測(cè)量部件或裝置。機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用的傳感器，一般是將被測(cè)的非電物理量轉(zhuǎn)換成電參量，這是因?yàn)殡娏烤哂斜阌趥鬏?、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等特點(diǎn)。

可以根據(jù)被測(cè)對(duì)象的不同對(duì)傳感器進(jìn)行分類，例如，測(cè)量位移的傳感器稱為位移傳感器，測(cè)量速度的傳感器稱為速度傳感器，等等?？梢愿鶕?jù)傳感器的工作原理（主要是一些物理效應(yīng)、物理現(xiàn)象等）對(duì)傳感器進(jìn)行分類，例如，利用光電效應(yīng)工作的傳感器稱為光電式傳感器，利用電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的傳感器稱為電阻傳感器，等等。

根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的類型，可以將傳感器分為模擬型傳感器和數(shù)字型傳感器。模擬型傳感器的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，在時(shí)間與數(shù)值上都表現(xiàn)為連續(xù)的。數(shù)字型傳感器的輸出信號(hào)在時(shí)間與數(shù)值上都表現(xiàn)為不連續(xù)（離散）的。6.2.2機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器

1.位置傳感器

位置傳感器通常用于檢測(cè)被測(cè)物體是否到達(dá)或接近某一位置，并且產(chǎn)生和輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)（閉合/斷開(kāi)或高/低電位）。位置傳感器分為接觸式和非接觸式（接近式）兩種。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)是最常用的接觸式位置傳感器，當(dāng)規(guī)定的位移或力作用到可動(dòng)部分（執(zhí)行器）時(shí)，開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)斷開(kāi)或?qū)ǘl(fā)出相應(yīng)的信號(hào)。在工程上，它又被稱為行程開(kāi)關(guān)或限位開(kāi)關(guān)，常見(jiàn)的有直動(dòng)式、滾輪式和微動(dòng)式。圖6－2是微動(dòng)式限位開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6－3是各種限位開(kāi)關(guān)的實(shí)物圖。圖6－2微動(dòng)式限位開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖圖6－3各種限位開(kāi)關(guān)非接觸式（接近式）位置傳感器通常又稱為接近開(kāi)關(guān)，根據(jù)其工作原理的不同，又有電感式、電容式、光電式、渦流式、霍爾式、熱釋電式、氣動(dòng)式、超聲波式、微波式等多種形式。

光電式接近開(kāi)關(guān)將紅外發(fā)光元件與光電元件組裝在一起，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同，有透射式和反射式兩種類型。光電式接近開(kāi)關(guān)具有體積小、可靠性高、響應(yīng)快和易于與TTL及CMOS電路兼容等優(yōu)點(diǎn)，使用較為廣泛。圖6－4（a）與（b）分別是透射式光電接近開(kāi)關(guān)與反射式光電接近開(kāi)關(guān)的原理示意圖。圖6－4光電式接近開(kāi)關(guān)圖6－5是各種接近式開(kāi)關(guān)的實(shí)物圖。雖然接近式開(kāi)關(guān)的種類很多，但在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用對(duì)象、定位精度和開(kāi)關(guān)頻率等性能指標(biāo)進(jìn)行選擇。例如，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，可選擇霍爾型，而檢測(cè)粉塵、煙霧等非導(dǎo)電體時(shí)，宜選用電容式或光電式接近開(kāi)關(guān)。圖6－5各種接近開(kāi)關(guān)

2.位移傳感器

位移傳感器在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的使用非常廣泛。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，位移傳感器又分為直線位移傳感器和角位移傳感器兩種。根據(jù)傳感器的工作原理，傳感器又分為電阻式、電感式、磁柵式、光柵式等。表6－1列出了常見(jiàn)位移傳感器的主要特性。表6－1常見(jiàn)位移傳感器的特性編碼盤是常用的位移傳感器之一，它能將長(zhǎng)度或角度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，適合于模擬與數(shù)字混合測(cè)量系統(tǒng)。編碼盤的種類很多，根據(jù)檢測(cè)原理可分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式和光電式等多種類型。光電編碼盤具有非接觸、響應(yīng)快和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種編碼器。圖6－6是各式編碼盤的實(shí)物圖。圖6－6各式編碼盤光電編碼盤根據(jù)其刻度方法和信號(hào)輸出形式，又分為增量式光電編碼盤和絕對(duì)式光電編碼盤。增量式光電編碼盤對(duì)應(yīng)每個(gè)單位（角）位移輸出一個(gè)脈沖，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量；絕對(duì)式光電編碼盤則直接輸出碼盤上的編碼，從而檢測(cè)絕對(duì)位置。絕對(duì)式光電編碼盤由內(nèi)向外由多個(gè)碼道組成，碼道的條數(shù)就是數(shù)碼的位數(shù)，由內(nèi)至外構(gòu)成一個(gè)編碼。圖6－7所示為4位格雷碼的碼盤示意圖:黑色部分為不透光區(qū)域，輸出二進(jìn)制碼“1”；白色部分為透光區(qū)域，輸出二進(jìn)制碼“0”。圖6－7

4位格雷碼盤絕對(duì)式光電編碼盤通常采用格雷碼以避免非單值性誤差。由表6－2可以看出，當(dāng)碼盤由十進(jìn)制7向十進(jìn)制8過(guò)渡時(shí)，若采用ASCII碼，則由0111變化到1000，4個(gè)碼道需要同時(shí)變化，若其中一個(gè)碼道的數(shù)字變化超前或滯后，都將會(huì)產(chǎn)生很大誤差。而采用格雷碼（又稱為循環(huán)碼）后，每個(gè)相鄰碼只變化一個(gè)數(shù)字，即使由于制造或裝配上的誤差，也至多相差一個(gè)單位，從而提高了可靠性與精度。表6－2

4位ASCII碼與格雷碼的對(duì)照關(guān)系增量式光電編碼盤的示意圖如圖6－8所示。在碼盤上有A相、B相和Z相三相光柵，其中A相與B相的相位差為90°，Z相只有一條光柵。圖6－9為由增量式光電編碼盤構(gòu)成的角度—數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括增量式光電編碼盤、光源、光敏轉(zhuǎn)換元件以及放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)等后續(xù)處理電路。圖6－8增量式碼盤圖6－9由增量式光電編碼盤構(gòu)成的角度—數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由于光的洐射、刻線的不均勻以及光電轉(zhuǎn)換元件的非線性等原因，經(jīng)A相、B相光電轉(zhuǎn)換元件輸出的光電信號(hào)是周期性正弦信號(hào)，相位上相差90°。對(duì)輸出的光電信號(hào)進(jìn)行放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)處理后，不僅能測(cè)量出旋轉(zhuǎn)的角度，還能分辨出旋轉(zhuǎn)的方向。圖6－10是后續(xù)處理電路的原理及波形圖。圖6－10后續(xù)處理電路的原理圖及波形圖測(cè)量角位移時(shí)，單位脈沖對(duì)應(yīng)的角度為式中，m為光柵的條數(shù)，m越大，則碼盤的測(cè)量精度越高。若計(jì)數(shù)器得到的脈沖數(shù)為，則角位移的大小為：（6－2）（6－1）

Z相在碼盤旋轉(zhuǎn)一周只送出一個(gè)脈沖信號(hào)，且脈沖較寬，因此常作為計(jì)數(shù)器歸零（回原點(diǎn)）信號(hào)或作為整圈計(jì)數(shù)信號(hào)，從而提高測(cè)量的可靠性與精度。

3.速度傳感器與加速度傳感器

1）速度傳感器

速度測(cè)量是速度反饋控制中不可缺少的環(huán)節(jié)，通常分為直線速度測(cè)量和角速度（轉(zhuǎn)速）測(cè)量。速度的測(cè)量一般可以通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）直接利用速度傳感器，例如測(cè)速電機(jī)。

（2）利用位移傳感器，對(duì)位移傳感器輸出的位移信號(hào)進(jìn)行微分，從而得到相應(yīng)的速度信號(hào)。

（3）通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的位移來(lái)測(cè)量速度，例如M/T測(cè)速法。

（4）通過(guò)測(cè)量單位位移所需的時(shí)間來(lái)測(cè)量速度，例如T/M測(cè)速法。常見(jiàn)的速度傳感器有測(cè)速電機(jī)、電渦流式傳感器、光電式傳感器、霍爾元件等。其中，測(cè)速電機(jī)是利用發(fā)電機(jī)的原理來(lái)測(cè)量速度，輸出的是一個(gè)與速度（或轉(zhuǎn)速）成正比的模擬電壓信號(hào)；電渦流式傳感器、光電式傳感器和霍爾元件可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量轉(zhuǎn)速，且輸出的是數(shù)字信號(hào)，便于與數(shù)字控制系統(tǒng)接口，應(yīng)用較為廣泛。圖6－11所示為電渦流式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的原理圖。當(dāng)有齒的金屬圓盤隨軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，置于旁邊的電渦流式傳感器則輸出一個(gè)周期性信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形得到一個(gè)序列脈沖，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)或計(jì)頻就可測(cè)量出轉(zhuǎn)速。若金屬圓盤上的齒數(shù)為m，測(cè)量時(shí)t（s）內(nèi)輸出脈沖的個(gè)數(shù)為N，輸出脈沖頻率為f（Hz），則轉(zhuǎn)速n（r/min）為

圖6－12所示為霍爾式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的原理圖。與電渦流式傳感器類似，當(dāng)有齒的金屬圓盤隨軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，置于旁邊的霍爾元件則輸出一個(gè)周期性信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形得到一個(gè)序列脈沖，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)或計(jì)頻就可測(cè)量出轉(zhuǎn)速。圖6－11電渦流式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量原理圖6－12霍爾式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量原理圖6－13各式速度傳感器圖6－14電阻應(yīng)變式加速度計(jì)的原理圖

2）加速度傳感器

作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感器有多種形式，常用的有應(yīng)變式、壓電式和電磁感應(yīng)式等。加速度傳感器通常利用慣性質(zhì)量受加速度作用所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)來(lái)工作。電阻應(yīng)變式加速度計(jì)的原理如圖6－14所示。它由質(zhì)量塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液等組成。當(dāng)傳感器隨被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的加速度為a時(shí)，在質(zhì)量塊m上產(chǎn)生慣性力F=m·a，受慣性力F作用，懸臂梁產(chǎn)生變形，通過(guò)應(yīng)變片可以測(cè)量出懸臂梁的變形量，進(jìn)而可以間接得到加速度a的數(shù)值。在傳感器的殼體充以阻尼液體,作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。利用壓阻效應(yīng)工作的壓阻式加速度傳感器使用了半導(dǎo)體材料，易于與電子電路集成，更加小巧。圖6－15所示為壓電式加速度傳感器的原理圖。它由質(zhì)量塊、壓電元件等組成，其工作基礎(chǔ)是壓電效應(yīng)。當(dāng)傳感器隨被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的加速度為a時(shí)，在質(zhì)量塊m上產(chǎn)生慣性力F=m·a，慣性力F作用于壓電元件上，由于壓電效應(yīng),將產(chǎn)生電荷Q=d·F，其中d為壓電系數(shù)。由此，電荷Q與加速度a

之間就有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電荷Q可以間接測(cè)量出加速度a。圖6－15壓電式加速度傳感器的原理圖圖6－16各式加速度傳感器

4.力、壓力、力矩傳感器

力、壓力和力矩的測(cè)量是以檢測(cè)力、壓力和力矩作用的結(jié)果來(lái)間接測(cè)量的，一般可通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：

（1）通過(guò)檢測(cè)物體受力變形來(lái)測(cè)量，例如利用電阻應(yīng)變?cè)淼碾娮钁?yīng)變式力、壓力和力矩傳感器，利用彈簧變形的機(jī)械式力、壓力傳感器等。

（2）利用壓電效應(yīng)來(lái)測(cè)量，例如壓電式力、壓力傳感器。

（3）利用壓磁效應(yīng)來(lái)測(cè)量，例如壓磁式力、壓力傳感器。

（4）利用壓阻效應(yīng)來(lái)測(cè)量，例如壓阻式力、壓力傳感器。

（5）采用電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，可以通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流及液壓馬達(dá)油壓的方法來(lái)測(cè)量。

（6）裝有速度、加速度傳感器的設(shè)備，可通過(guò)速度與加速度的測(cè)量，計(jì)算出力或壓力。圖6－17電阻應(yīng)變式力傳感器

1）力傳感器

根據(jù)工作原理的不同，力傳感器有多種形式，如應(yīng)變式力傳感器、壓電式力傳感器、壓阻式力傳感器、壓磁式力傳感器、電容式力傳感器、差動(dòng)變壓器式力傳感器和機(jī)械式力傳感器等。電阻應(yīng)變式力傳感器由于簡(jiǎn)單、廉價(jià)和動(dòng)態(tài)特性好，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。圖6－17是各式（柱式、梁式、輪輻式等）電阻應(yīng)變式力傳感器。圖6－18是各式電阻應(yīng)變式力傳感器的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換電路。圖6－18各式力傳感器的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換電路

2）壓力傳感器

物理學(xué)將單位面積上所受流體作用力定義為流體的壓強(qiáng)，而工程上則習(xí)慣稱之為壓力，且壓力的概念超出了流體的范疇。壓力感受元件通常有膜片、波紋管、波紋膜片、彈簧管和薄壁圓筒等。在流體壓力的作用下，壓力感受元件將產(chǎn)生應(yīng)變或變形，其應(yīng)變或變形可通過(guò)應(yīng)變片或其他微位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，例如應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電感式壓力傳感器和電容式壓力傳感器等。圖6－19是各式壓力傳感器的實(shí)物圖。圖6－20（a）、（b）分別是膜片式壓力傳感器和薄壁圓筒式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6－19各式壓力傳感器圖6－20應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖圖6－21是壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓阻式壓力傳感器的核心部分是一塊圓形的半導(dǎo)體膜片（一般是硅材料），在膜片上利用集成電路的工藝擴(kuò)散形成4個(gè)阻值相等的電阻，從而構(gòu)成電橋，當(dāng)膜片承受壓力差時(shí)，4個(gè)電阻在應(yīng)力作用下的阻值將發(fā)生變化，失去平衡，輸出與壓差成正比的電壓信號(hào)。圖6－21壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

3）力矩傳感器

力矩的單位是N·m，由力和力臂的乘積來(lái)定義。在工程應(yīng)用中，扭矩的測(cè)量最為常見(jiàn)。根據(jù)工作原理的不同，扭矩傳感器有不同的類型，例如電阻應(yīng)變式扭矩傳感器、壓磁式扭矩傳感器、磁電感應(yīng)式扭矩傳感器和光電式扭矩傳感器等。其中，電阻應(yīng)變式扭矩傳感器屬于接觸式測(cè)量扭矩，而后幾種則可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量扭矩。圖6－22是各式扭矩傳感器的實(shí)物圖。圖6－22各式扭矩傳感器圖6－23電阻應(yīng)變式扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖圖6－24是壓磁式扭矩傳感器及其轉(zhuǎn)換電路。軸由具有壓磁效應(yīng)的鐵磁材料制成，在軸兩端有兩個(gè)由硅鋼片制成的固定環(huán)，上面分別繞有線圈W1和W2，磁性軸與固定環(huán)形成磁通路。在不受扭矩時(shí)，電橋平衡，輸出為零；當(dāng)扭矩作用在軸上時(shí)，導(dǎo)磁率發(fā)生變化，線圈的電感隨之變化，電橋失衡，輸出與扭矩大小成正比的電壓信號(hào)。圖6－24壓磁式扭矩傳感器及其轉(zhuǎn)換電路圖6－25是磁電感應(yīng)式扭矩傳感器。傳動(dòng)軸的兩端分別裝有磁分度圓盤，在磁分度圓盤邊裝有磁頭。無(wú)扭矩時(shí)，兩分度盤的轉(zhuǎn)角差為零；當(dāng)扭矩作用在傳動(dòng)軸上時(shí)，磁頭分別檢測(cè)出驅(qū)動(dòng)側(cè)圓盤與負(fù)載側(cè)圓盤的轉(zhuǎn)角差，轉(zhuǎn)角差與扭矩M成正比。圖6－25磁電感應(yīng)式扭矩傳感器

5.溫度傳感器

溫度的測(cè)量一般通過(guò)間接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即利用一些材料或元件的性能參數(shù)隨溫度變化的特性，通過(guò)測(cè)量性能參數(shù)變化而間接得到被測(cè)溫度。溫度測(cè)量可分為接觸式測(cè)量與非接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)溫是基于熱平衡原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，熱傳遞的方式主要為傳導(dǎo)和對(duì)流，例如，水銀溫度計(jì)、熱電偶、熱電阻等。非接觸式測(cè)溫則利用熱輻射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，輻射溫度計(jì)、紅外溫度計(jì)等。在各種測(cè)溫方法中，以熱（敏）電阻和熱電偶的使用最為廣泛。

1）熱電阻

物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的特性稱為熱電阻效應(yīng)。熱電阻就是利用金屬材料的熱電阻效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的。常用的金屬材料有鉑（Pt）和銅（Cu）。

鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定的物理、化學(xué)特性，且具有很強(qiáng)的耐氧化能力;另外，它還有電阻率較高，易于提純和復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。但其電阻溫度系數(shù)較小，價(jià)格昂貴，所以一般用于對(duì)精度與穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，例如科研、實(shí)驗(yàn)室等。鉑熱電阻與溫度之間的關(guān)系如下：-200℃≤≤0℃：（6－4）0℃≤t≤650℃（6－5）式中：Rt——溫度為t℃時(shí)的電阻值；

R0——溫度為0℃時(shí)的電阻值；

A、B、C——分度系數(shù)，A=3.96847×10-3/℃，B=-5.847×10-7/℃2，C=-4.22×10-12/℃3。由于鉑熱電阻價(jià)格昂貴，因而在一些測(cè)量精度要求不高而溫度又較低的場(chǎng)合，可以采用銅熱電阻。在-50～150℃范圍內(nèi)，銅熱電阻有較好的線性，電阻溫度系數(shù)也較高。銅熱電阻容易提純、價(jià)格便宜，其缺點(diǎn)是電阻率小，容易氧化，不宜用于腐蝕性介質(zhì)中。

在-50～150℃范圍內(nèi)，銅熱電阻與溫度之間的關(guān)系為Rt=R0(1+αt)（6－6）式中：Rt——溫度為t℃時(shí)的電阻值；

R0——溫度為0℃時(shí)的電阻值；α——銅的電阻溫度系數(shù)，α=（4.25～4.28）×10-3/℃。2）熱敏電阻

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的熱電阻效應(yīng)來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。與金屬熱電阻不同，半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻系數(shù)普遍較大，非線性也較大。

根據(jù)半導(dǎo)體材料隨溫度變化的特性不同，將熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）三種類型。

對(duì)于PTC，其電阻與溫度之間的關(guān)系如下：（6－7）對(duì)于NTC，其電阻與溫度之間的關(guān)系如下：（6－8）圖6－26熱電偶

3）熱電偶

熱電偶的工作基礎(chǔ)是熱電效應(yīng)。A、B兩種不同導(dǎo)體首尾相連，組成一個(gè)閉合回路，如圖6－26所示，當(dāng)兩端溫度T和T0不相等時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。其中，T端稱為熱端或工作端，測(cè)量時(shí)，將其置于被測(cè)的溫度場(chǎng)內(nèi)；T0端稱為冷端或自由端，測(cè)量時(shí)溫度應(yīng)保持恒定。

熱電勢(shì)表示為EAB（T，T0），由兩部分組成，即兩種不同導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（珀?duì)柼?yīng)）和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜效應(yīng)）。熱電偶的測(cè)溫基礎(chǔ)是以下四大基本定律：

（1）均質(zhì)導(dǎo)體定理：由同一導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶不能產(chǎn)生熱電勢(shì)，即（6－9）（2）中間導(dǎo)體定律：A、B構(gòu)成熱電偶，將冷端斷開(kāi)，并接入第三種導(dǎo)體C，若保持C兩端的溫度相等，則回路中的總電勢(shì)不變,即（6－10）中間導(dǎo)體定律是熱電偶測(cè)溫的理論基礎(chǔ)之一，可以把熱電偶引入測(cè)量電路而不必考慮連接導(dǎo)線的影響。（3）中間溫度定律：熱電偶AB（T、T0）產(chǎn)生的熱電勢(shì)等于熱電偶AB（T，Tn）和熱電偶AB（Tn，T0）產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和，即（6－11）

中間溫度定律是熱電偶測(cè)溫的理論基礎(chǔ)之一，冷端的溫度可以隨意而不必是0K。（4）標(biāo)準(zhǔn)電極定律：熱電偶AB（T、T0）產(chǎn)生的熱電勢(shì)等于熱電偶AC（T，T0）和熱電偶CB（T，T0）產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和，即導(dǎo)體C通常被稱為標(biāo)準(zhǔn)電極。如果已知各種熱電極對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電極的熱電勢(shì)，則可以利用標(biāo)準(zhǔn)電極定律，求出其中任意兩種材料配成的熱電偶的熱電勢(shì)。圖6－27各式溫度傳感器

6.視覺(jué)傳感器

視覺(jué)傳感器可把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。目前較為常見(jiàn)的固體視覺(jué)傳感器主要有兩大類型：CCD型（ChargeCoupledDevice，電荷耦合元件）和CMOS型（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）。其中，CCD型視覺(jué)傳感器具有高解析度、高信噪比和動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，但其成本較高，常用于一些高端系統(tǒng)或要求較高的場(chǎng)合；而CMOS型視覺(jué)傳感器具有體積小、功耗低和成本小等優(yōu)點(diǎn)，常用于一些低端系統(tǒng)或要求較低的場(chǎng)合。視覺(jué)傳感器作為一種新型傳感器，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的使用越來(lái)越廣泛。利用視覺(jué)傳感器和相關(guān)的圖像處理軟件（算法），可以實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)、計(jì)量、測(cè)量、定向、瑕疵檢測(cè)和識(shí)別/分檢等功能，使其在汽車制造、制藥、食品、機(jī)器人等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。例如：

在汽車組裝廠，檢驗(yàn)由機(jī)器人涂抹到車門邊框的膠珠是否連續(xù)，是否有正確的寬度。

在瓶裝廠，檢驗(yàn)瓶蓋是否正確密封、裝灌液位是否正確，以及在封蓋之前沒(méi)有異物掉入瓶中。

在包裝生產(chǎn)線，確保在正確的位置粘貼正確的包裝標(biāo)簽。

在藥品包裝生產(chǎn)線，檢驗(yàn)阿斯匹林藥片的泡罩式包裝中是否有破損或缺失的藥片。

在金屬?zèng)_壓公司，以逾150片/分鐘的速度檢驗(yàn)沖壓部件——是人工檢驗(yàn)的13倍以上。圖6－28視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖6－29視覺(jué)傳感器在藥品生產(chǎn)中的應(yīng)用圖6－30視覺(jué)傳感器在PCB生產(chǎn)線中的應(yīng)用6.2.3智能傳感器

一般傳感器只具備信息采集、轉(zhuǎn)換功能，智能化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計(jì)算機(jī)和傳感器的結(jié)合，它兼有信息采集、轉(zhuǎn)換、檢測(cè)、判斷和處理功能。與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有以下特點(diǎn)：

（1）具有信息判斷和處理功能；

（2）能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度；

（3）可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測(cè)量；

（4）有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高了可靠性；

（5）測(cè)量數(shù)據(jù)可存取，使用方便；

（6）通信功能，有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。圖6－31智能傳感器的結(jié)構(gòu)框圖6.3傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

6.3.1數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)的接口及實(shí)例

1.數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)的接口

數(shù)字型傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，因此它與計(jì)算機(jī)的接口相對(duì)簡(jiǎn)單。被測(cè)對(duì)象經(jīng)數(shù)字型傳感器、中間變換電路后輸出數(shù)字編碼信號(hào)，經(jīng)三態(tài)緩沖器可直接與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線相連。圖6－32數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)的接口框圖

2.數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)的接口實(shí)例——M/T法測(cè)速

M/T法測(cè)速原理如圖6－9所示，由增量式光電編碼盤構(gòu)成的角度—數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括增量式光電編碼盤、光源、光敏轉(zhuǎn)換元件以及放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)等后續(xù)處理電路。

下面通過(guò)M/T法測(cè)速的硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)明數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)的接口。這里的硬件實(shí)現(xiàn)是指圖6－9中計(jì)數(shù)器輸出（此處是一般計(jì)數(shù)器，而非可逆計(jì)數(shù)器）之后的部分。

所謂M/T法測(cè)速，就是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖的個(gè)數(shù)，從而得到被測(cè)轉(zhuǎn)速。（